Источники излучения

В качестве источников излучения в ИК-области используют раскаленные твердые тела. Для таких источников распределение интенсивности излучения по длинам волн зависит от температуры и описывается законом излучения Планка. Это распределение неравномерно и имеет четко выраженный максимум. Для ИК-спектроскопии необходимо отсечь интенсивное коротковолновое излучение в видимой области и оставить более длинноволновое и относительно менее интенсивное излучение — как правило, в области 4000-400 см^-1 (иногда до 200 см^-1).

Наиболее распространенные источники ИК-излучения — штифты Нернста, изготовленные из оксидов иттрия и циркония, и глобары из карбида кремния. Их нагревают до высоких температур электрическим током. Для штифтов Нернста рабочие температуры составляют около 1900°С, для глобаров — порядка 1350°С. Менее интенсивные, но более продолжительные в эксплуатации источники изготавливают из тугоплавких сплавов (например, хрома и никеля). Их нагревают до температуры порядка 800° С.

Для дальней ИК-области (от 200 до 10 см^-1 или, соответственно, от 50 до 1000 мкм) необходимо использовать специальные источники излучения. Чаще всего применяют ртутные разрядные лампы высокого давления. В ближней ИК-области (4000—12800 см^-1, 2500—780 нм) можно использовать обыкновенные вольфрамовые лампы накаливания.

Отделение для проб

В ИК-спектроскопии пробоподготовка часто более трудоемка, чем в спектроскопии видимого диапазона (где пробу просто растворяют в воде и помещают в стеклянную кювету).

Для газообразных проб используют специальные вакуумированные кюветы толщиной от нескольких миллиметров до многих метров. Однако значительно чаще исследуют жидкости или растворы, причем любой органический растворитель, используемый в ИК-спектроскопии, следует тщательно избавить от следов воды.

Монохроматоры

В ИК-спектроскопии в качестве монохроматоров можно применять как призмы, так и дифракционные решетки.

Детекторы

В качестве детекторов (приемников) инфракрасного излучения используют термические детекторы - термопары и болометры. Термопара (термоэлемент) преобразует энергию ИК-излучения в тепловую, а затем электрическую. Возникающую в результате этого процесса разность потенциалов регистрируют обычным способом. Болометр работает по принципу термометра сопротивления. Рабочим материалом болометра является металл или сплав (платина, никель, а также полупроводниковые материалы), электрическое сопротивление которых сильно изменяется с изменением температуры.

Общей проблемой измерения интенсивности ИК-излучения является наличие значительного теплового шума окружающей среды при относительно небольшом полезном сигнале. Детекторы ИК-излучения следует как можно лучше изолировать от окружающей среды. Кроме того, используют модуляцию полезного сигнала с помощью прерывателя, чтобы выделить его из теплового шума.

Билет 17

1. Принципы эпр-спектромерии.

ЭПР – физическое явление, открытое Завойским Евгением Константиновичем в Казанском государственном университете.  На основе этого явления был развит метод спектроскопии.

Метод электронного парамагнитного резонанса (ЭПР) основан на взаимодействии вещества с магнитным полем. Как следует из названия метода, он применяется для исследования парамагнитных частиц.

Известно, что при помещении парамагнетиков в магнитное поле, парамагнетик втягивается в это поле. Это связано с наличием у парамагнетиков магнитных моментов. Магнитные моменты создаются неспаренными электронами. В первом приближении вещества, содержащие неспаренные электроны, можно подразделить на две группы.

• В веществах, относящихся к первой группе, неспаренные электроны связаны либо со всей молекулой, либо по крайней мере с большей ее частью. Эти неспаренные электроны перемещаются по сильно делокализованным молекулярным орбиталям и обусловливают разнообразную активность атомных группировок, входящих в состав молекулы. В этом и состоит специфика свободнорадикальных реакций. Поэтому изучение этих делокализованных неспаренных электронов исключительно важно для понимания механизмов таких процессов, как радиационное повреждение биологической ткани или образование различных промежуточных молекулярных форм в ферментативном или каком-либо другом каталитическом процессе.

• Ко второй группе веществ, содержащих неспаренные электроны, относятся те, в которых неспаренный электрон связан только с одним каким-либо атомом, а не перемещается по делокализованной молекулярной орбитали, охватывающей многие атомы. Такие неспаренные электроны обычно связаны с атомами переходной группы — железом, кобальтом или никелем, и их число в атоме, равно как и энергия, широко изменяется с изменением валентности того атома, которому они принадлежат. Поэтому изучение электронного парамагнитного резонанса в биологических и биохимических системах, содержащих атомы таких металлов или их ионы, часто дает очень полезные сведения о характере связей исследуемого атома и степени его окисления. Изменения валентности тоже можно прослеживать непрерывно в ходе ферментативных или каких-либо других реакций и, следовательно, изучать их параллельно с изучением кинетики содержания свободных радикалов; такого рода параллельные исследовании весьма перспективны.

Примерами парамагнитных частиц, представляющих интерес для биологов, служат свободные радикалы, являющиеся промежуточными продуктами биохимических реакций, ионы металлов переменной валентности, таких как железо, медь, марганец и др.

Проявление магнитного момента у электрона связано с тем, что электрон является заряженной частицей, и при вращении электрона вокруг своей оси (спиновое движение) возникает магнитное поле, направленное вдоль оси вращения. При помещении парамагнитного образца в магнитное поле магнитные моменты неспаренных электронов ориентируются в этом поле, подобно тому, как это происходит с магнитными стрелками.

Магнитный момент неспаренного электрона во внешнем магнитном поле может ориентироваться двумя способами - по полю и против поля. Таким образом, если в исследуемой системе имеются неспаренные электроны, наложение внешнего магнитного поля приводит к разделению электронов по группам: магнитные моменты одних электронов ориентированы по полю, других - против (рис.1.).

Рис. 1 Ориентация электронов при наложении внешнего магнитного поля.

Каждой из ориентаций магнитных моментов электронов соответствует свободная энергия. Разница в энергии электронов определяется выражением ∆E1 = Е2 - Е1 = g⋅β⋅H, где: β - константа, называемая магнетоном Бора и равная 9.27*10^-21эрг/Гс, а g - константа, называемая g - фактором и равная 2, когда магнитный момент электрона является спиновым магнитным моментом, H - напряженность магнитного поля.

Изложенная ситуация иллюстрирует рис. 1, где маленькими стрелками указаны ориентации магнитных моментов неспаренных электронов, соответствующие каждому из уровней Е1 и Е2.

В соответствии с законом Больцмана заселенность нижнего и верхнего уровня описывается выражением , где: n1 и n2 - заселенности верхнего и нижнего уровней. Заселенность нижнего уровня выше, чем заселенность верхнего уровня.

Величина ∆Е может быть выражена и другим способом, а именно ∆Е=hν, где hν - величина кванта энергии, необходимого для перевода электрона из одного состояния в другое. Объединяя оба выражения для ∆Е, можно записать: hν = g⋅β⋅H. Из этого выражения, носящего название условия резонанса, можно понять и смысл явления электронного парамагнитного резонанса.

Под влиянием внешенго магнитного поля Н энеогетические уровни неспаренного электрона расщепляются. Для свободного электрона v=2,8*10^6 Н Гц. Рис. Условие возникновения электронного парамагнитного резонанса

Действительно, если к находящейся в магнитном поле системе, содержащей неспаренные электроны, подвести высокочастотное излучение с частотой ν, то в исследуемой системе возникнут вынужденные электронные переходы между соседними уровнями Е1 и Е2. Переходы с одинаковой вероятностью будут происходить как из состояния Е1 в состояние Е2, так и наоборот. Однако, число переходов снизу вверх больше числа переходов сверху вниз, поскольку в соответствии с законом Больцмана заселенность нижнего уровня выше.

Энергетические уровни и разрешенные переходы для атома с ядерным спином 1 в постоянном (А) и переменном (В) поле.

Переходы из верхнего состояния в нижнее происходят с испусканием энергии, а переходы из нижнего в верхнее - с поглощением. Но поскольку число переходов снизу вверх больше, то в целом при выполнении условия резонанса в образце будет наблюдаться поглощение высокочастотного излучения (СВЧ).

Частота, при которой наблюдается резонансное поглощение высокочастотного излучения образцом, связана с напряженностью магнитного поля, а именно: ν = g*β*H/h.

Из этого выражения видно, что резонансное поглощение можно наблюдать:

• при изменении частоты ν электромагнитного излучения при постоянстве H

• при изменении H при постоянстве ν.

Из технических соображений применяется второй способ регистрации. В этом случае линия парамагнитного резонанса выглядит как показано на рис.2.

Рисунок 2. Линия парамагнитного резонанса.

По оси ординат откладывается величина поглощенного образцом высокочастотного излучения, а по оси абсцисс - напряженность поля. Величина магнитного поля H, применяющегося при исследовании ЭПР и, следовательно, значение частоты высокочастотного излучения во многом определяется техническими возможностями создания.

Для исследований применяются спектрометры, где напряженность магнитного поля, при которой наблюдается резонанс, равна 3500 Гс. Частота излучения ν при этом будет равна 10⁴ мГц. Длина волны такого излучения λ равна приблизительно 3 см. такие излучения относятся к радиодиапазону. Поэтому метод ЭПР относится к методам радиоспектроскопии (спектроскопии в области радиочастот).