Техника и методика приготовления образцов

Для того чтобы исследовать вещество методом ИК-спектроскопии, необходимо приготовить образец для исследования. Если опытный образец приготовлен неправильно или же взят в недостаточном количестве, то имея в своем распоряжении даже самый первоклассно и хорошо отрегулированный спектрофотометр, нельзя получить удовлетворительный спектр. Вот почему подбору методики приготовления образца в зависимости от объекта и целей исследования следует уделять самое серьезное внимание. Время, потраченное на подбор методики и тщательное приготовление образца, всегда оправдано. Практически вес вещества, за исключением металлов, могут быть исследованы методом ИК-спсктроскопии, независимо от их физического состояния, цвета, кристаллической формы, молекулярного веса, мела компонентов, растворимости и числа фаз.

Наиболее приемлемыми способами подготовки образцов для получения ИК-спектров поглощения твердых веществ (и, в частности, минералов и других родственных объектов) является метод суспензии или взвеси, метод осадочных пленок и метод запрессовки исследуемого вещества с галогенидами щелочных металлов. Все эти методы предусматривают сильное измельчение образца.

Мы рассмотрим наиболее распространённую методику приготовления твердых образцов в виде спрессованных таблеток. Такая методика прессования была впервые применена в ФРГ (Schiedt et al., 1952) и в США (Stimpson et at., 1952) и с тех пор получила широкое распространение в практике ИК-спектроскопии. Используя галоидные соли щелочных металлов в качестве материала матрицы для твердого вещества, эти исследователи установили, что если матрица и исследуемое вещество имеют близкие показатели преломления, то рассеяние ИК-излучения будет небольшим. Хорошо приготовленная таблетка прозрачна на просвет, не имеет трещин и непрозрачных включений, что в свою очередь может служить критерием правильности ее приготовления.

Сущность метода прессования заключается в следующем. Небольшое количество исследуемого твердого вещества тщательно измельчают в порошок и тщательно смешивают с галогенидом щелочного металла (обычно с KJBr, который служит «наполнителем») в агатовой ступке (но лучше в сапфировой), а затем полученная смесь спрессовывается в специальном держателе (пресс-форме) в таблетки или диски в течение 1...3 мин под большим давлением порядка 10...12 т/см". В приборах Specord используется пресс-форма достаточно большого размера с диаметром прессуемого диска 10 мм. В этом случае прессование требует достаточно больших усилий, поэтому используются специальные гидравлические прессы с электрическим приводом. Кроме того, для прессования одной таблетки диаметром 10 мм требуется довольно много (около 400 мг) бромистого калия (марки ч. д. а. или о. с. ч.) и от 1 до 5 мг исследуемого вещества, измельчённого до фракции менее 2 микрон.

Для того, чтобы измеряемые концентрации исследуемого вещества укладывались в диапазон измерений, необходим подбор массы минерала. Если масса вещества будет небольшой, то получаемые на спектрограмме пики поглощения будут также небольшой величины и их будет сложно использовать как для количественного измерения, так и для качественного определения. В случае избыточной массы исследуемого минерала величина максимумов ИК-поглощения будет очень велика и окажется за пределами измеряемого диапазона (см. рис. 2.4).

Подавляющее число исследований инфракрасных спектров производится начиная с области 2ц. Если размеры частиц несколько превышают эту величину, происходит рассеяние коротковолнового излучения, влияющее на крутизну наклона линии фона и приводящее к ухудшению качества спектров.

Данная методика прессования па воздухе приводит к тому, что полученная таблетка через короткий промежуток времени мутнеет, даже если она хранится в сухой атмосфере, так как высокая гигроскопичность КВг может привести к присутствию в спектре полос адсорбированной воды и углекислого газа.

Рис. 2.4. Обзорные спектры инфракрасного поглощения магнезита с разными концентрациями исследуемого минерала

Получение микротаблеток. Современные микропресс-формы позволяют получать таблетки диаметрами 1,5 и 0,5 мм, для которых требуется мснсс 4 мг К В г, а исследуемого минерала мснсс 0,01 мг, т. с. можно исследовать маленькую крупинку твердого вещества, извлеченную из какой-либо минеральной пробы. Наибольшим преимуществом этой методики является возможность получения количественных данных, особенно если в распоряжении исследователя имеются малые количества вещества. При таких размерах пресс-форм удобно использовать малогабаритные настольные прессы, позволяющие формировать таблетки для анализа вручную, прилагая не очень большие усилия.

Затем, после прессования, полученная прозрачная таблетка КВт с исследуемым минералом крепится в специальном держателе, помещается в основной пучок излучения спектрофотометра, где и происходит регистрация ИК-спектра поглощения обычным способом.

В научной литературе также приводятся сведения, что возможно поглощение воды бромистым калием не только из атмосферы. Сам процесс растирания КВг приводит к сильному возрастанию интенсивности поглощения воды в ИК-спектре получающихся таблеток. Интенсивность этих полос поглощения почти прямо пропорциональна времени растирания. Однако использование в программном обеспечении применяемого нами ИК-спсктромстра IRPrcstigc-21 функции вычитания фона (присутствующих паров воды, воздуха и других веществ, находящихся на пути падающего пучка излучения лазера) позволяет избавиться от этого недостатка.

Метод таблетирования, несмотря на перечисленные выше недостатки, за редким исключением обладает значительными преимуществами перед всеми другими методами. Он обеспечивает получение ИК-спектров твердых веществ очень хорошего качества, которые в ряде случаев невозможно получить другими методами. Не случайно поэтому все ИК-спектры минералов и других родственных объектов, приведенные в многочисленных научных публикациях, получены с помощью метода таблетирования исследуемых образцов с бромистым калием.

Большим преимуществом данного метода является также и то, что в ИК-спектре исследуемого вещества отсутствуют паразитные полосы поглощения растворителя, так как сам бромистый калий нс имеет собственных полос поглощения в спектральной области от 2 до 25 мкм. Светорассеяние получаемых таблеток находится в допустимых пределах. Кроме того, таблетки имеют перед взвесями то неоспоримое преимущество, что в них и концентрация и толщина слоя легко могут быть определены. Следовательно, их можно использовать для количественных определений.

Методику прессования таблеток с КВт целесообразно применять для образцов, которые:

• 1) нерастворимы в обычных ИК-растворителях;
• 2) аморфны или имеют устойчивую кристаллическую структуру;
• 3) не содержат ионов, способных к обмену.