Способ проведения инфракрасной спектроскопии твёрдофазных и/или жидких, и/или вязких, и/или газообразных веществ

(51) МПК (2006) НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ СПОСОБ ПРОВЕДЕНИЯ ИНФРАКРАСНОЙ СПЕКТРОСКОПИИ ТВРДОФАЗНЫХ И/ИЛИ ЖИДКИХ, И/ИЛИ ВЯЗКИХ,И/ИЛИ ГАЗООБРАЗНЫХ ВЕЩЕСТВ(71) Заявитель Учреждение образования Могилевский государственный университет имени А.А.Кулешова(72) Авторы Максе Лариса Павловна Томов Александр Васильевич Марков Петр Иванович(73) Патентообладатель Учреждение образования Могилевский государственный университет имени А.А.Кулешова(57) Способ проведения инфракрасной спектроскопии твердофазных и/или жидких, и/или вязких, и/или газообразных веществ, при котором осуществляют регистрацию фонового спектра матрицы-носителя, регистрацию спектра образца исследуемого вещества, нанесенного на матрицу-носитель или помещенного между двумя ограничительными слоями последней, получение спектра исследуемого вещества по разности двух вышеуказанных спектров, при этом матрицу-носитель и ограничительные слои последней выполняют из полимерной пленки, прозрачной в инфракрасной области, отличающийся тем, что используют пленку с микрорельефом глубиной не более 25 мкм на одной стороне. Изобретение относится к ИК спектроскопии пропускания/поглощения и может найти широкое практическое применение при экспрессном качественном и количественном анализе методом ИК спектроскопии веществ, материалов, сред в различном агрегатном состоянии. Известны способы получения ИК спектров пропускания/поглощения твердофазных,жидких, вязких, газообразных веществ с использованием таблеток спрессованного оптически чистого бромида калия (КВ), кювет с окнами, выполненными из КВ. ИК спектры пластичных веществ в виде тонкой пленки получают с использованием типового либо специального держателя для пленок. ИК спектры пропускания/поглощения твердофазных веществ получают путем приготовления таблетки твердого раствора образца исследуемого вещества в твердом растворителе - оптически чистом КВ 1. Для ИК спектроскопии по однолучевой схеме указанный способ включает следующие процедуры 1. Регистрацию фонового ИК спектра пропускания/поглощения таблетки твердого растворителя - КВ. Таблетку готовят из предварительного измельченного высокодисперсного порошка бромида калия с использованием специальной пресс-формы путем прессования на ручном или приводном прессе, создавая давление, достаточное для получения тонкой пластинки - таблетки, прозрачной в ИК области спектра. 11876 1 2009.04.30 2. Регистрацию ИК спектра таблетки - твердого раствора, содержащего исследуемый образец в растворителе в измельченной и равномерно распределенной форме. Таблетку твердого раствора готовят из предварительного измельченного высокодисперсного порошка бромида калия с добавлением небольшого количества (0,5-1,0 ) образца исследуемого вещества, предварительно измельченного до частиц размером менее 25 мкм, с использованием вышеуказанной пресс-формы путем прессования на ручном прессе или с приводом, создавая давление, достаточное для получения прозрачной в ИК области тонкой пластинки-таблетки. 3. Получение ИК спектра исследуемого вещества путем вычитания фонового ИК спектра твердого растворителя из ИК спектра таблетки твердого раствора, содержащего внесенный в него образец исследуемого вещества. В случае ИК спектроскопии по двухлучевой схеме ИК спектр образца исследуемого вещества получают при регистрации путем компенсационного вычитания ИК спектра фона из ИК спектра твердого раствора. Для анализа жидкостей в указанном выше способе используется кювета с окнами, образованными двумя отполированными оптически прозрачными пластинами из неорганических солей, таких как , , , , . Образец размещается между пластинами кюветы, которая затем устанавливается в поток ИК излучения с помощью держателя кювет. В некоторых случаях образцы смешивают с минеральным маслом, а потом анализируют в тонком слое этой смеси между пластинами кюветы. Иногда вязкие жидкости готовят в форме суспензии с растворителем, которую наносят тонким слоем на тетрафторэтилен, затем высушивают, снимают с тетрафторэтилена образовавшуюся тонкую пленку образца, закрепляя ее в держателе пленок 2. У стандартных типовых кювет, матриц-носителей образцов из неорганических солей таблеток имеются существенные недостатки, затрудняющие практические измерения методом ИК спектроскопии по способу с использованием матриц-носителей и стекол, изготовленных из КВ. В первую очередь, к недостаткам указанного способа относится сложность, трудоемкость и длительность подготовки матриц-носителей на основе КВ,дорогой расходный материал - оптически чистый КВ и дорогие кюветы, в которых к тому же нельзя анализировать влагосодержащие образцы. Время получения ИК спектра с использованием матриц-носителей и стекол, изготовленных из КВ, не позволяет отнести ИК спектроскопию пропускания/поглощения к экспрессным методам. Известное техническое решение, предусматривающее использование порошка полиэтилена для приготовления матрицы-носителя в форме таблетки или пленки, аналогично приготовлению твердого раствора на основе КВ, при этом рекомендуемая ИК область аналитических измерений ограничена диапазоном 20-200 мкм, что не соответствует диапазону наиболее частых аналитических измерений - области отпечатков пальцев молекул - 2000-400 см-1, то есть 5-25 мкм 3. Кроме того, данный способ не лишен того же недостатка - необходимости прессования, который присущ способу ИК спектроскопических измерений с использованием матрицы-носителя на основе КВ, соответственно, этот способ также трудозатратный и длительный. В итоге существует практическая необходимость подобрать недорогой, подходящий и для водосодержащих веществ удобный для использования и экспрессного анализа материал для изготовления или применения в качестве матрицы-носителя образцов для измерений методом ИК спектроскопии пропускания/поглощения. Ближайшим техническим решением к предлагаемому способу-прототипу является способ Спектроскопический держатель образцов и способ его использования 2, в котором предлагается проводить измерения путем применения пористого полимерного листа в качестве держателя образцов, то есть матрицы-носителя. Указанный способ охватывает различные варианты использования пористого листа в качестве носителя твердофазных измельченных образцов, пастообразных, вязких и жидких веществ. Поли 2 11876 1 2009.04.30 мерный материал в указанном способе предлагается выбирать в соответствии с областью спектра, чаще всего предлагается применение полиэтилена, из которого путем тонкой технологии, например лазерной, получают пористый материал в дальнейшем, используемый в качестве матрицы-носителя образцов. Алгоритм регистрации, соответственно получению ИК спектров, по способупрототипу аналогичен тому, который применяется при измерениях по способу с использованием в качестве матрицы-носителя таблеток или стекол из КВ. Оба вышеуказанных способа предусматривают однократное использование матрицы-носителя для измерений. Задачей изобретения является сокращение продолжительности и трудоемкости процесса получения ИК спектров пропускания/поглощения и, таким образом, повышение экспрессности измерений методом ИК спектроскопии. Поставленная задача решается следующим образом. В способе проведения инфракрасной спектроскопии твердофазных и/или жидких, и/или вязких, и/или газообразных веществ,при котором осуществляют регистрацию фонового спектра матрицы-носителя, регистрацию спектра образца исследуемого вещества, нанесенного на матрицу-носитель или помещенного между двумя ограничительными слоями последней, получение спектра исследуемого вещества по разности двух вышеуказанных спектров, при этом матрицу-носитель и ограничительные слои последней выполняют из полимерной пленки, прозрачной в инфракрасной области с микрорельефом глубиной не более 25 мкм на одной стороне. Использование в качестве матрицы-носителя полиэтиленовой пленки с указанными параметрами позволяет применить для этих целей обычную упаковочную пленку 4 без всякой предварительной обработки, что дает следующие преимущества пленка оптически прозрачна, что облегчает визуальный контроль, и в указанной области ИК спектра имеет только два пика поглощения, которые по величине не превышают пиков фонового поглощения углекислого газа и паров воды в кюветном отделении ИК прибора. Следовательно, собственное поглощение указанной полиэтиленовой пленки, используемой в качестве матрицы-носителя, легко учитывается и практически полностью вычитается как фоновое поглощение вместе с поглощением углекислого газа и паров воды из ИК спектра матрицы-носителя с образцом исследуемого вещества. Пленка имеет одностороннюю шероховатость в форме микрорифления, обусловленную технологией ее изготовления. При нанесении на матрицу-носитель измельченных до порошкообразного состояния образцов микрорельеф выполняет функцию микросепаратора. Частицы, размеры которых превышают глубину шероховатости, не задерживаются на матрице-носителе и механически удаляются. При внесении жидких образцов между ограничительными слоями матрицы-носителя и последующем ламинировании микрорельеф выполняет функцию микрокапсулирования, что позволяет получить спектр тонкого слоя жидкости, в том числе воды. Пленка является практически газо- и водопроницаемой, что позволяет использовать ее в качестве слоев ограничителей матрицы-носителя жидких образцов и окон кюветы для газообразных образцов. При мягком ламинировании в двухслойной матрице-носителе предотвращается испарение влагосодержащих образцов, возможная кристаллизация или изменение формы макромолекул в биологических жидкостях. Применение пленки в качестве матрицы-носителя позволяет при использовании кювет для комбинированных измерений а) регистрировать одновременно спектры нескольких твердофазных веществ, не смешивая их б) одновременно регистрировать спектры различных веществ в различных фазах в) одного и того же вещества в различных фазах. Применение пленки в качестве матрицы-носителя или слоев ограничителей матрицыносителя позволяет сократить время измерения одного ИК спектра пропускания/поглощения в 8-10 раз, по сравнению со способом, использующим КВ для приготовления твердого раствора, позволяет проводить серийные измерения и градуировать ИК прибор для количественных измерений. 3 11876 1 2009.04.30 Таким образом, предлагаемый способ позволяет проводить в экспрессном режиме измерения методом ИК спектроскопии. Способ осуществляется следующим образом. Для регистрации ИК спектров твердофазных образцов одинарный слой полимерной пленки накладывают ровно без складок, вручную или с применением устройств, на окноотверстие типового держателя образцов пленок ИК прибора и затем фиксируют. Держатель может быть изготовлен специально для однократного применения вместе с закрепленным слоем пленки. Закрепленный в держателе одинарный слой полимерной пленки является матрицей с микрорельефом для нанесения на него подготовленного порошкообразного образца. Для регистрации ИК спектров жидких текучих, вязких и пастообразных образцов однократно используются два слоя полимерной пленки с низкой водо- и газопроницаемостью, закрепляемые в любом типовом держателе образцов пленок ИК прибора или изготовленном специально два слоя пленки с одним обращенным внутрь микрорельефом являются ограничителями, удерживающими образец, вносимый между слоями перед ламинированием - разравниванием. Для регистрации ИК спектров газообразных образцов полимерная пленка закрепляется на торцах кюветы для газообразных образцов в качестве окон, прозрачных для ИК излучения, таким образом, она является ограничителем объема исследуемого газа. Кювета может быть изготовлена а) по типу проточной б) полностью одноразовой в) с окнами одноразового использования г) с окнами, не сменяемыми до тех пор, пока обеспечивают достаточную величину измеряемого пропускания/поглощения образца в диапазоне длин волн, используемом для анализа. Для количественного анализа химического состава исследуемых веществ ИК спектры их образцов подвергают математической статистической обработке с помощью программного обеспечения ИК прибора или автономного программного обеспечения, предназначенного для обработки спектральных данных. Математическая статистическая обработка данных осуществляется после внесения результатов химического или физикохимического анализа исследуемых веществ в соответствующие ряды или таблицы спектральных данных и последующего статистического математического анализа с целью выявления корреляций и установления зависимостей, позволяющих осуществлять вычисление - предсказание химических показателей по ИК спектрам. Примеры конкретной реализации способа. На фиг. 1, 2, 3 представлены ИК спектры, номера 1-9, зарегистрированные предложенным способом. Пример 1. ИК спектры трепела - 1 и мела - 2, представленные на фиг. 1, получены следующим образом. Репрезентативный твердофазный образец растирали в фарфоровой ступке (до тонкодисперсного состояния). Слой полимерной пленки ровно накладывали на окноотверстие типового держателя образцов пленок ИК прибора и затем фиксировали ее положение и натяжение магнитным крепителем. Устанавливали в кюветном отделении матрицу-носитель, закрепленную в держателе пленок, и регистрировали фоновый спектр. Небольшое количество измельченного порошкообразного образца насыпали на микрорельеф матрицы-носителя, мягкой кистью ( 3 колонок) разравнивали по поверхности,затем снова регистрировали спектр. Итоговый спектр - спектр исследуемого вещества получали автоматическим вычитанием фонового спектра из спектра, полученного после нанесения образца на матрицу-носитель. Пример 2. ИК спектры жидкого растительного масла - 3 и разведенного небольшим количеством воды меда - 4, представленные на фиг. 1, получены следующим путем. 11876 1 2009.04.30 Каплю исследуемой жидкости наносили на первый слой пленки с микрорельефом,второй ограничительный слой пленки накладывали на слой первый и на каплю, аккуратно ламинировали (между гладкими резиновыми валками). Размещая на пути оптического луча двойной ламинированный слой пленки, регистрировали фоновый спектр. Затем перемещали пленку в держателе и помещали на пути оптического луча двойной ламинированный слой пленки, заключающий исследуемый образец, и снова регистрировали спектр. Итоговый спектр - спектр исследуемого вещества - получали автоматическим вычитанием фонового спектра из спектра, полученного после внесения образца между ограничительными слоями матрицы-носителя. Пример 3. ИК спектры веществ в газовой фазе аммиака и паров воды - 5, углекислого газа и паров воды - 6, этилового спирта - 8, представленные на фиг. 2 и 3, получены с использованием газовой кюветы. Пленку закрепляли на торцах кюветы для газообразных образцов со штуцерами для подвода и отвода газов. Устанавливали кювету с окнами из пленки в кюветном отделении и регистрировали фоновый спектр. Заполняли кювету газообразными образцами через штуцеры, закрывали их, и снова регистрировали спектр. Итоговый спектр - спектр исследуемого газообразного вещества - получали автоматическим вычитанием фонового спектра из спектра, полученного после внесения газообразного образца в кювету с ограничительными окнами из пленки. Пример 4. ИК спектры модельных систем минерала титанита и углекислого газа - 7, тоберморитовой пыли, жидкого силикона, углекислого газа и паров этилового спирта - 9, представленные фиг. 3, получены с использованием газовой кюветы и комбинированного измерения спектров веществ в различном агрегатном состоянии. Пленку закрепляли на торцах кюветы для газообразных образцов со штуцерами для подвода и отвода газов. Устанавливали кювету с окнами из пленки в кюветном отделении и регистрировали фоновый спектр. Заполняли кювету углекислым газом и, внеся каплю этилового спирта в штуцерный отсек, закрыли кювету, на одно из окон кюветы наносили тонкий слой жидкого силикона, на второе окно - измельченный газосиликат - тоберморитовую пыль, регистрировали спектр заполненной кюветы. Итоговый спектр - спектр исследуемого газообразного вещества - получали автоматическим вычитанием фонового спектра из спектра, полученного после внесения газообразного образца в кювету с ограничительными окнами из пленки. Источники информации 1. Смит А. Прикладная ИК-спектроскопия Пер. с англ. - М. Мир, 1982. - 328 с. 2. Патент США 5470757, 1995. 3. Пентин Ю.А., Вилков Л.В. Физические методы исследования в химии. - М. Мир,ООО Издательство , 2003. - 683 с. 4. ГОСТ 10354-82. Пленка полиэтиленовая. Технические условия. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 6