Спектроскопия в ближней ИК-области.

Под ИК-спектроскопией понимают обычно область спектра от 2500 до 25000 нм (от 4000 до 400 см^–1), которую точнее можно обозначить как среднюю инфракрасную область. Длины волн ближней ИК-области начинаются примерно от 1000 нм, то есть в тепловом конце видимого спектра, и заканчиваются около 2500 нм.

Основными преимуществами спектроскопии в ближней ИК-области являются простая и быстрая пробоподготовка, одновременное определение сразу нескольких компонентов и возможность с помощью световодов преодолевать большие расстояния от мест измерения до спектрального прибора. Прежде всего, спектроскопия ближнего ИК-диапазона находит применение в области контроля параметров процессов и анализов в пищевой промышленности, которые проводятся в течение нескольких секунд и без разрушения проб продуктов.

Так как возбуждение основных молекулярных колебаний возможно только выше 2700 нм, то в ближнем ИК-диапазоне проявляются вторичные колебания. Для большинства органических функциональных групп полосы основных колебаний наблюдаются в средней ИК-области, а в ближней мы имеем дело преимущественно с обертонами и составными частотами колебаний CH–, OH– и NH-групп. Таким образом, теоретические основы метода соответствуют общим принципам ИК-спектроскопии. Что же касается используемой приборной техники и процессов приготовления образцов, то в этом отношении существует большее сходство со спектроскопией УФ и видимой областей.

Обертон колебания возникает при переходе молекулы из основного колебательного состояния на второй или вышележащий колебательный уровень. Следовательно, колебательное квантовое число v будет иметь значение 2 или больше. Коэффициенты экстинкции (ослабления) и, следовательно, интенсивности поглощения в спектроскопии ближней ИК-области на порядки меньше, чем в средней. В качестве примера в табл. 3 представлены обертона валентного колебания связи CH хлороформа.

Таблица 3

Основные и гармонические составляющие валентного колебания CH-группы соединения CHCl₃

Сходство в техническом исполнении спектральных приборов для УФ/видимой и ближней ИК-областей позволяет использовать комбинированный вариант спектрометра для УФ/видимого и ближнего ИК-диапазонов. Источником излучения служит обычно галогенная лампа с вольфрамовой нитью. В роли монохроматора, в зависимости от назначения, используют светофильтры или дифракционные решётки. В отношении спектрометров с диодной матрицей необходимо иметь в виду, что обычные кремниевые диоды могут использоваться только до длины волны 1100 нм. Специальные диоды на основе арсенидов индия-галлия пригодны для длин волн до 1650 нм. Для регистрации излучения в ближнем ИК-диапазоне применяют детектор из сульфида свинца, покрывающий всю ближнюю ИК-область спектра.

Фурье спектрометры можно легко адаптировать для работы в ближней ИК-области с помощью соответствующих дополнений. При переоснащении в качестве источника излучения требуется галогенная лампа с вольфрамовой нитью, светоделитель из кварца и подходящий детектор.

Для измерения диффузного отражения укоренилось понятие «отражательная спектроскопия ближней ИК-области». При измерении отражённого света используется интегрирующая сфера (сфера Ульбрихта), позолоченная изнутри и служащая также в качестве образца сравнения (рис. 24). Сферы Ульбрихта используются для измерения характеристик диффузного отражения и пропускания. Они могут быть покрыты также сульфатом бария, который обладает однородным отражением в диапазоне от УФ до ближней ИК. Один или несколько детекторов располагаются внутри сферы для регистрации рассеяния.

Первоначально спектроскопия в ближней ИК-области наиболее широко применялась в пищевой промышленности, так как многие вещества , входящие в состав зернового сырья, поглощают именно в этой области. К ним относятся протеины, жиры и масла, сахар, крахмал и вода. Поскольку возбуждаются колебания молекулярных фрагментов –OH, –NH, –CH, и –CO, которые обычно присутствуют в ингредиентах продуктов питания, то именно они особенно хорошо регистрируются в спектрах ближней ИК-области. После размалывания образца какого-либо продукта эти вещества определяются без всякого применения химических реактивов. Благодаря малым интенсивностям полос поглощения в ближней ИК-области спектра можно работать с гораздо большей, чем в средней ИК, толщиной слоя. Это обстоятельство упрощает процесс анализа. Типичная толщина слоя составляет 1-2 мм для неразбавленных веществ и до 10 см для растворов.

С помощью спектроскопии в ближней ИК-области можно идентифицировать разные виды пластмасс. В непрерывном режиме свет, отражённый от пластиковых изделий, анализируется спектрометром на диодной матрице с расшифровкой результата в течение нескольких миллисекунд. Так как инфракрасное излучение проникает в материал пробы на определённую глубину, то посторонние вещества вроде наклеек или простой грязи не мешают процессу измерения. Подобный анализ проводится бесконтактно, на расстоянии до 1 метра, принимая во внимание разные способы транспортировки и различные размеры и формы пластиковых деталей.