"Способы подготовки проб для исследования методом ИК-Фурье спектроскопии. Методические рекомендации" // Портал о здоровье, заболеваниях и лечении, о лекарствах, о докторах и больницах.

УТВЕРЖДЕНЫ

Постоянным комитетом

по контролю наркотиков

14 марта 1997 г.,

протокол N 1/55-97

СПОСОБЫ ПОДГОТОВКИ ПРОБ ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ МЕТОДОМ

ИК-ФУРЬЕ СПЕКТРОСКОПИИ <*>

МЕТОДИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ

--------------------------------

<*> Разработаны: Т.Б.Киметач, К.В.Понкратов (ЭКЦ МВД РФ).

ИК-Фурье спектроскопия представляет собой один из вариантов метода ИК спектроскопии и по существу не является отдельным спектральным методом. Спектры веществ, полученные на ИК-Фурье спектрометрах, не отличаются от спектров, полученных на диспергирующих ИК спектрометрах, и характеризуют только данное вещество.

Термин "ИК-Фурье спектроскопия" возник с появлением нового поколения приборов, в основе оптической схемы которых используются различного типа интерферометры. После получения результирующей интерферограммы исследуемого вещества, его ИК спектр рассчитывается вычислительной машиной с использованием математического преобразования Фурье. ИК-Фурье спектрометры отличаются от диспергирующих приборов, в которых набор ИК частот получают с помощью диспергирующих устройств (призмы или дифракционной решетки) прежде всего более простой и надежной конструкцией прибора, возможностью выполнять исследования, требующие проведения быстрого сканирования - съемка спектров веществ в процессе газохроматографического разделения, проведение измерений в потоке или кинетических измерений.

Экспертно - криминалистические подразделения МВД оснащены ИК-Фурье спектрометрами 16РС, PARAGON 1000PC, 1760Х (фирмы Perkin-Elmer, США) и IMPACT 400, MAGNA 550 (фирмы Nicolet, США). Наличие подобных ИК-Фурье спектрометров позволяет проводить криминалистические исследования материалов, веществ и изделий на новом качественном уровне при следующих условиях:

-9

- количество вещества, достаточное для исследования - 10 г;

- время получения одного спектра - до 1,5 сек;

- возможность снижения уровня шумов в спектре в n раз при

числе сканирований n ;

-1

- возможность регистрации спектров с разрешением 0,5-64 см ;

- наличие автоматизированной математической обработки спектров (выравнивание базовой линии, сглаживание спектра, арифметические операции со спектром, вычитание спектров, вычисление производной, определение площади полосы поглощения и др.);

- сохранение спектров на жестком диске компьютера с последующим автоматизированным поиском по библиотекам ИК спектров;

- возможность сочетания ИК-Фурье спектрометра с другим физико - химическим оборудованием (микроскопом, газовым хроматографом и др.).

Наиболее эффективное использование оборудования для ИК-Фурье спектроскопии возможно только при соответствующей подготовке пробы, предназначенной для анализа. При работе на ИК-Фурье спектрометрах можно использовать как традиционные способы пробоподготовки для ИК спектроскопии, так и некоторые новые приемы, которые обусловлены прежде всего меньшим количеством вещества, достаточным для анализа и возможностью использования дополнительных устройств (приставок).

Способы пробоподготовки, которые реально могут быть использованы в экспертной практике, их особенности и ограничения приведены ниже.

1. Прессование таблеток с галогенидами щелочных металлов -

основной и наиболее универсальный способ пробоподготовки. Он

заключается в тщательном перемешивании в агатовой ступке

тонкоизмельченного образца с порошком KBr и последующем

прессовании смеси в пресс - форме, в результате чего получается

прозрачная или полупрозрачная таблетка. Для получения качественных

спектров степень диспергирования вещества должна достигать размера

частиц 2-7 мкм (сопоставимо с длиной волны ИК излучения). Иногда

для облегчения растирания добавляют несколько капель перегнанного

растворителя (четыреххлористого углерода или гексана), который

испаряется при последующем растирании. Наилучшие результаты

получаются при вакуумировании пресс - формы, что позволяет

избавиться от включений воздуха в таблетки. Для таблеток можно

использовать бромид калия для спектроскопии или квалификации не

ниже химически чистого, но предварительно высушенный от воды.

Сушку бромида калия следует проводить при t ~= 600 град. C в

течение не менее 6 ч и хранить его в эксикаторе с осушителем.

Проводить такую тщательную подготовку необходимо, так как в

противном случае получаемый спектр будет иметь широкие полосы

-1

адсорбированной воды в областях 3450 и 1630 см .

С таблеток диаметром 3, 5, 7 мм и более можно регистрировать

спектр без дополнительных устройств. Таблетки диаметром 1 и 2 мм

необходимо исследовать с использованием микрофокусировочного

устройства (входит в комплект к спектрометрам PARAGON 1000RC).

Если пресс - форма не позволяет получать таблетки диаметром 1-3

мм, то можно использовать специально изготовленный, например, из

картона, круглый вкладыш с вырезанным в центре отверстием

соответствующего диаметра. Таблетки диаметром 1-3 мм используют

-9

при исследовании микроколичеств (до 10 г) вещества.

Способ прессования таблеток имеет следующие преимущества:

- отсутствие мешающих полос матрицы (KBr);

- удобство хранения образцов;

- возможность исследования жидких, вязких, мазеподобных и твердых летучих и нелетучих веществ.

В виде таблеток с бромидом калия можно исследовать лакокрасочные материалы и покрытия, термореактивные (твердые) клеи и полимеры, горюче - смазочные материалы, таблетки и порошки неизвестного состава. Кроме того, этим способом можно проводить исследование поверхностей лаков и красок, пластиков, металлов или стекол.

Порошок KBr используется для абразивного истирания поверхности, при этом удаляется слой образца толщиной 50-100 ангстрем. Затем из этого порошка прессуют таблетку и регистрируют спектр вещества. Если требуется, то обработку можно проводить повторно и проводить послойное исследование, например, многослойных пленочных материалов.

Метод прессования с KBr имеет ряд существенных недостатков. Спектры твердых веществ, обладающих полиморфизмом, будут различаться в зависимости от степени размола и величины давления. В некоторых случаях, особенно для неорганических солей, солянокислых аминов и других оснований, может происходить частичный или полный ионный обмен, который приводит к значительным изменениям в спектрах, что делает спектральные исследования ошибочными.

Метод прессования таблеток с KBr целесообразно рекомендовать для образцов, которые нерастворимы в обычных растворителях, аморфны или имеют устойчивую кристаллическую структуру и не содержат ионов, способных к обмену.

2. Суспензионный метод представляет собой растирание образца до мелкодисперсного состояния (размер частиц 2-7 мкм) и приготовление суспензии в иммерсионной жидкости с близким к образцу показателем преломления. При этом в качестве матрицы обычно используют вазелиновое масло, фторированные или хлорированные масла. Полученная полупрозрачная паста наносится с помощью шпателя на окно из оптического материала в виде тонкой равномерной пленки. Выбор оптического материала можно сделать на основе приведенных ниже данных:

-1

Оптический материал Область пропускания, см

KBr 40 000 - 340

NaCl 40 000 - 590

CaF2 50 000 - 1140

BaF2 50 000 - 840

ZnSe 20 000 - 454

KRS-5 20 000 - 250

Полиэтилен 625 - 30

Наиболее часто в экспертной практике в качестве иммерсионной

жидкости используется вазелиновое масло. Однако спектр

вазелинового масла имеет полосы поглощения в областях 2900, 1460,

-1

1380 и 725 см . Эти полосы накладываются на полосы поглощения

образца, компенсировать их можно либо с помощью кюветы сравнения,

либо путем вычитания спектра вазелинового масла из суммарного

спектра.

На практике перфторуглеводородное масло используют при

-1

исследовании веществ в области 4000-1500 см (не поглощает

фторированное масло), а вазелиновое масло - для исследования в

-1

области 1500-400 см (мало поглощает вазелиновое масло).

Недостатки суспензионного метода:

- необходимость для исследования значительного количества вещества (10-20 мг);

- наличие в спектре полос поглощения иммерсионной жидкости;

- если нагревание или давление в ходе механического размалывания влияет на кристаллическую структуру образца (что бывает часто), то вид спектра зависит от времени истирания.

На практике спектры одного и того же вещества, полученные методом таблетки с KBr и суспензионным методом, могут отличаться друг от друга (разрешенность полос в таблетке с KBr, как правило, значительно выше, чем в суспензии). Поэтому в библиотеках ИК спектров основной способ пробоподготовки - метод получения таблеток, что важно учитывать при проведении идентификации неизвестного вещества по библиотекам ИК спектров (способ пробоподготовки сравниваемых веществ должен быть одинаковым).

Если принять во внимание указанные выше недостатки суспензионного метода, то можно считать вполне оправданным преимущественное использование в экспертной практике метода получения таблеток с KBr.

3. Получение пленок. При таком способе пробоподготовки необходимо на окошке из оптического материала сформировать тонкую (около 5 мкм) прозрачную пленку диаметром 3-5 мм. Желательно, чтобы в пределах светового луча спектрометра толщина образца была одинаковой. Спектры, получаемые таким путем, не очень воспроизводимы, поэтому иногда приходится проводить повторные исследования.

Получение тонких пленок на окошке из оптического материала можно проводить путем отлива из расплава (для полимерных материалов) и отлива из раствора с последующим высушиванием растворителя в термостате или с помощью инфракрасной лампы. При этом необходимо подбирать летучие растворители (эфир, четыреххлористый углерод, хлороформ, этилацетат, спирты), которые испаряются при невысоких температурах, не вызывая термического разложения образца.

Получение пленок можно использовать для исследования термопластичных полимеров; растворимых в органических растворителях клеев; сильнодействующих и наркотических соединений, представляющих собой вязкие, мазеподобные вещества.

При исследовании органических соединений метод может быть успешно использован в том случае, если после испарения растворителя на поверхности окошка не образуются кристаллы вещества. При образовании кристаллов получаемый спектр практически не воспроизводим и его невозможно интерпретировать с использованием библиотек ИК спектров. Способ отлива пленки из раствора можно использовать для регистрации спектров амфетаминов, кокаина основания и других веществ, основания которых представляют собой маслянистые жидкости и образуют на окошке из оптического материала тонкую равномерную пленку.

Исследование прозрачных пленок полимеров можно проводить в нативном виде после закрепления образца в соответствующем держателе, который входит в комплект к ИК-Фурье спектрометрам. При этом важно добиться соответствующей толщины пленки, так как для толстых пленок будет получаться "зашкаленный" спектр. Уменьшить толщину пленки можно разными способами: для термопластичных полимеров - распрессовывание небольшого фрагмента пленки (1-3 кв. мм) в нагретой пресс - форме; для пленок на основе сложных эфиров (полиэтилентерефталат, полиимиды) - гидролиз в 4N растворе щелочи с нагреванием до 50-60 град. С, при котором происходит растворение поверхности пленки и соответствующее уменьшение ее толщины.

Регистрируя спектр пробы в виде тонкой пленки, необходимо помнить об указанных ограничениях метода и использовать его в зависимости от природы образца и решаемых задач.

4. Метод нарушенного полного внутреннего отражения (МНПВО). Широко применяется для непрозрачных, многослойных, сильно поглощающих объектов и является неразрушающим методом исследования.

Использование МНПВО основано на том, что на границе раздела фаз образца и оптического материала (кристалла из галогенидов таллия или селенида цинка) возникает "затухающая волна" ИК-излучения, проникающая на некоторую глубину в оптически менее плотную среду (образец), при этом регистрируется спектр пропускания ультратонких верхних слоев образца. Меняя угол падения ИК излучения, можно последовательно получать спектры более глубоко лежащих слоев при исследовании многослойных пленочных материалов.

Исследовать методом МНПВО можно порошки, жидкости, прозрачные и непрозрачные пленки (размер пленки не менее 0,5 кв. см) с использованием приставки МНПВО, которая может быть приобретена дополнительно к ИК-Фурье спектрометру и установлена в кюветное отделение прибора.

Спектр пробы, полученный методом МНПВО, совпадает со спектром пропускания вещества, полученным обычными способами пробоподготовки (например, в таблетке с бромидом калия), по наличию, форме и относительной интенсивности полос поглощения. Поэтому по МНПВО спектрам идентификацию вещества можно проводить обычным способом по библиотекам ИК спектров веществ в конденсированном состоянии.

5. Исследование веществ в жидком и газообразном состоянии. Анализ веществ проводится соответственно в жидкостных и газовых кюветах, имеющих два окошка из оптического материала, которые помещаются на пути луча спектрометра и между которыми находится исследуемое вещество.

Жидкостные кюветы входят в комплект ИК-Фурье спектрометра и представляют собой разборные кюветы с переменной толщиной поглощающего слоя. В таких кюветах можно исследовать летучие и нелетучие жидкости, а также растворы веществ.

Данный способ пробоподготовки отличается высокой воспроизводимостью спектров. В случае исследования растворов твердых веществ устраняются явления полиморфизма, которые могут оказывать серьезное влияние на спектр. При использовании кюветы с известной толщиной поглощающего слоя можно выполнять полуколичественный и количественный анализ. При проведении количественных исследований необходимо стандартизовать условия анализа и выбрать такую полосу поглощения в спектре пробы, для которой выполнялась бы линейная зависимость оптической плотности от концентрации вещества.

Одной из методик, использующих анализ веществ в жидкостных кюветах, является методика определения октанового числа бензинов по калибровке, построенной на образцах бензинов с известным октановым числом (программное обеспечение QUANT+ фирмы Perkin-Elmer).

Исследование растворов веществ связано прежде всего с выбором подходящего растворителя, который должен быть химически инертен по отношению к пробе и не поглощать в исследуемой области спектра, а также не содержать влаги (особенно, если используются растворимые в воде оптические материалы - KBr или NaCl). При проведении идентификации веществ поглощение растворителя можно компенсировать либо с помощью кюветы сравнения, либо при вычитании из спектра раствора спектра растворителя, что позволяет выполнить программное обеспечение любого ИК-Фурье спектрометра.

При анализе вещества в парообразном состоянии в газовой кювете необходимо помнить, что получаемый ИК спектр будет резко отличаться от спектра данного вещества в конденсированном состоянии (рис.).

Рис. ИК-спектры нафталина в паровой (А) и

конденсированной (Б) фазах <*>

--------------------------------

<*> Не приводится.

Такое отличие обусловлено прежде всего тем, что в газообразном состоянии у молекулы возрастает число степеней свободы и уровней колебательной энергии, поэтому спектры веществ в газообразном или парообразном состоянии отличаются наличием большого количества очень узких полос поглощения. Идентификацию веществ в парообразном состоянии проводят по соответствующим библиотекам ИК спектров.

Исследование веществ в газовых кюветах используют в экологии при анализе загрязнений атмосферы (промышленность выпускает оптические кюветы с длиной оптического пути до 120 м). В экспертной практике газовые кюветы длиной 5-10 см используют при анализе легколетучих органических растворителей и сильнодействующих веществ (например, хлорацетофенона, капсаицина и др.).

Описанные выше способы подготовки проб применимы для объектов, не требующих предварительного разделения на составляющие компоненты. В противном случае применяются различные специальные приемы.

6. Исследование образца с предварительным, разделением компонентов методом тонкослойной хроматографии (ТСХ). Исследование смеси веществ методом ИК спектроскопии затруднено, так как в получаемом суммарном ИК спектре невозможно идентифицировать каждое вещество (исключение составляют объекты, групповой состав которых хорошо изучен, или если имеются библиотеки ИК спектров объектов сложного состава - лакокрасочных материалов, клеев, сополимеров и др.).

Для исследования смеси веществ можно использовать препаративную ТСХ, нанося пробу на старт хроматографической пластины (без УФ индикатора) в виде полосы с последующим хроматографированием в подходящей системе растворителей, которая не содержит труднолетучих компонентов. Из пластины после ее высушивания вырезаются полосы, содержащие отдельные хроматографические зоны, с которых смываются метанолом полученные отдельные компоненты смеси. Далее после высушивания от метанола идентификацию веществ можно проводить методом ИК-Фурье спектроскопии, подготовив пробу в виде таблетки с KBr или тонкой пленки на окошке из оптического материала. Таковы основные принципы предварительного разделения образца методом ТСХ.

Метод несложен, но требует тщательной, аккуратной работы и отличается хорошими результатами при исследовании неизвестных веществ и сложных смесей на наличие наркотических и сильнодействующих веществ.

7. Применение твердофазной экстракции. В основе метода твердофазной экстракции лежит принцип колоночной хроматографии, который основан на специфическом взаимодействии распределенных в матрице компонентов с твердой фазой. Матрица представляет собой газообразную или жидкую среду, в которой растворяется исследуемый объект, а твердая фаза - специальный сорбент, заключенный между двумя пористыми фильтрами, находящимися на входе и выходе патрона, выполненного из инертного материала. В качестве сорбента применяются силикагель и продукты его модификации. Для модификации используются вещества, содержащие различные функциональные (нитрильные, диольные, амино-, карбокси- и сульфогруппы), а также алифатические (С1 - С18) и ароматические (фенильные) группы. Процесс твердофазной экстракции заключается в сорбции исследуемого вещества и примесей, содержащихся в матрице, на сорбенте. Разделение при этом происходит за счет различного сродства компонентов разделяемого раствора к сорбенту и элюирующему растворителю, а также благодаря возможности использования ступенчатого элюирования. Сорбированные компоненты смывают растворителями, отличными по полярности от матрицы.

В зависимости от применяемого вида сорбента механизм разделения на патроне для твердофазной экстракции различен. Процесс очистки состоит из четырех последовательных стадий:

1) кондиционирование патрона, т.е. предварительная очистка

патрона от возможных загрязнений промывкой каким-либо

полярным растворителем (метанолом, этилацетатом и др.) с

последующим приведением патрона в рабочее состояние путем

промывки матрицей;

2) пропускание через патрон раствора исследуемого объекта в

матрице с целью разделения, выделения и (или)

концентрирования целевых компонентов;

3) промывка патрона матрицей с целью повышения эффективности

разделения;

4) элюирование сорбированных компонентов.

В общем случае, разделение компонентов раствора исследуемого объекта в матрице может происходить тремя различными путями:

1. Примеси и все мешающие компоненты удерживаются на патроне,

а определяемые проходят через него.

2. Мешающие компоненты проходят через патрон, а определяемый

сорбируется на патроне, после чего смывается более полярным

растворителем.

3. Определяемые и мешающие компоненты сорбируются на патроне,

после чего могут фракционироваться за счет применения

ступенчатого элюирования (изменение pH, ионной силы

элюирующего растворителя).

Методом твердофазной экстракции успешно разделяются смеси сахаров и наркотических веществ, красителей, концентрируются вещества из больших объемов растворителя.

8. Анализ по продуктам пиролиза. По продуктам пиролиза проводят идентификацию полимерных соединений, нерастворимых клеев, каучуков и резин, для которых невозможно получить ИК спектры другими способами пробоподготовки. Получаемые при пиролизе жидкие продукты разложения можно нанести на окошко из оптического материала или спрессовать таблетку с KBr. Метод пиролиза является практически единственным методом в экспертной практике для исследования полимерной основы саженаполненных резин и проводится после экстракции частиц резины органическими растворителями (хлороформом, этанолом) для удаления из резины пластификаторов и мягчителей.

Технически пиролиз может быть выполнен в достаточно простом варианте. Микрочастицы резины или другого полимерного материала (около 10 мг) следует поместить в середину стеклянного капилляра длиной 10 см. Затем нагреть участок капилляра, где находятся частицы пробы, в течение 10-15 сек до появления капель жидкого пиролизата на конце капилляра. После этого следует отломить конец капилляра с каплями пиролизата и смыть продукты пиролиза хлороформом в агатовую ступку или на окошко из оптического материала. При этом получаются вполне удовлетворительные ИК спектры продуктов пиролиза.

Как было установлено, в большинстве случаев спектры пиролизатов полимеров похожи на спектры исходных мономеров тем, что в них проявляются полосы поглощения групп, отсутствующих в полимере (например, изоцианатная группа в полиуретане). Кроме того, регистрируемые ИК спектры вполне воспроизводимы (исключение составляют некоторые хлорированные каучуки, при пиролизе которых образуется большое количество газообразных продуктов). В редких случаях, если при пиролизе образуется большое количество летучих соединений, то пиролиз можно проводить в запаянном капилляре с последующим исследованием продуктов пиролиза в газовой кювете (при этом следует увеличить анализируемое количество вещества).

Приведенные выше способы пробоподготовки не исчерпывают полностью всех возможных вариантов подготовки пробы для исследования методом ИК-Фурье спектроскопии. Например, существует возможность получать ИК спектры диффузного и зеркального отражения с использованием соответствующих приставок, которые разработаны и продаются фирмами - производителями спектрального оборудования. Однако эти дополнительные устройства используются только в отдельных случаях. Возможности таких приставок подробно описаны в специальной литературе.

Рассмотренные здесь способы подготовки пробы могут широко использоваться в экспертной практике при анализе большого круга объектов. Универсального способа пробоподготовки не существует, каждый из приемов имеет свои достоинства и недостатки, которые необходимо хорошо знать при подготовке пробы к анализу. Правильный выбор пробоподготовки не только повышает результативность химического анализа, но часто является определяющим при проведении экспертных исследований и зависит, главным образом, от цели анализа и природы образца.

ЛИТЕРАТУРА

1. Смит А. Прикладная ИК-спектроскопия. М., 1982.

2. Тарутина Л.И., Позднякова Ф.О. Спектральный анализ полимеров. Л., 1986.

3. Дехант И. и др. Инфракрасная спектроскопия полимеров. М., 1976.

4. Кромптон Т. Анализ пластиков. М., 1988.

5. Худяков В.З., Беляев А.В. Экспертное исследование полимерных пленок и липких лент на полимерной основе методом ИК-спектроскопии. М., ЭКЦ МВД России, 1993.

6. Худяков В.З., Галяшин В.Н. Экспертное исследование синтетических клеящих материалов. Ч. I и II. М., ЭКЦ МВД России, 1991.