ИК-СПЕКТРОМЕТРИЧЕСКАЯ ЯЧЕЙКА ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ МАЛОЛЕТУЧИХ ВЕЩЕСТВ В ЛЕТУЧИХ ЖИДКОСТЯХ Российский патент 2007 года по МПК G01N21/03 G01N21/35 

Изобретение относится к области аналитической химии, в частности к анализу материалов с помощью оптических средств, т.е. с использованием инфракрасных, видимых или ультрафиолетовых лучей, и может быть использовано для идентификации и количественного определения малолетучих веществ в растворах методами инфракрасной (ИК) спектрометрии.

Определение качественных и количественных характеристик материалов ИК-спектрометрическим методом основано на избирательном поглощении инфракрасной энергии. Для регистрации спектра поглощенного ИК-излучения служат ИК-спектрометры. В настоящее время наиболее распространены ИК-спектрометры с Фурье преобразованием. Основными компонентами этих спектрометров являются источник ИК-излучения, интерферометр и детектор. ИК-излучение из источника попадает в интерферометр, где происходит модуляция излучения за счет интерференции на подвижном и неподвижном зеркалах. Модулированное ИК-излучение проходит через образец и регистрируется детектором. Полученная интерферограмма обрабатывается компьютером для получения традиционного спектра. Для расчета используется Фурье преобразование. ИК-Фурье-спектрометры - однолучевые приборы, поэтому для компенсации поглощения ИК-излучения атмосферными газами, компонентами спектрометра, кюветой и растворителями регистрируют фоновый спектр (спектр сравнения) без образца. Затем фоновый спектр вычитают из аналитического.

Известен ИК-спектрометрический способ, при котором определение содержания растворенных веществ проводят при удалении растворителя. Для этого аликвоту раствора упаривают до образования сухого остатка. Остаток переносят в агатовую ступку, где проводят его измельчение. Затем исследуемый порошок перемешивают с навеской бромида калия и тщательно измельчают в ступке. Полученную смесь помещают в пресс-форму и проводят прессование [Смит А. Прикладная ИК-спектроскопия: Пер. с англ. -М.: Мир, 1982, - с.93-94 /1/]. В результате получаются прозрачные или полупрозрачные таблетки, пригодные для ИК-спектрометрического анализа. Основное преимущество метода - отсутствие мешающих полос поглощения ИК-излучения растворителем.

Для успешного приготовления таблеток с бромидом калия необходимо длительное (тщательное) измельчение смеси остатка после испарения растворителя и порошка бромида калия. Также необходимо прессование с равномерно увеличивающейся нагрузкой, желательно с вакуумированием. Вследствие этого приготовление таблеток занимает значительное количество времени и требует использования дополнительного оборудования: лабораторного гидравлического пресса, вибромельницы и вакуумного насоса. Соответственно недостатком этого метода является значительные трудозатраты и соответственно стоимость выполнения анализа.

Аналогом предлагаемого изобретения является устройство для ИК-спектрометрического микроанализа качественного и количественного состава веществ, известное как интегрирующая сфера диффузионного отражения [Пат. № 6147350 США, МКИ G 01 J 005/02. Spectroscopic residue detection system and method / М. Beecroft (США), M.M. Szczesniak (США); Surface Optics со (США). -№221771; заявлено 28.12.98; опубл. 14.11.2000 /2/]. Это устройство состоит из двух полых полусфер, внутренняя поверхность которых способна отражать ИК-излучение (чаще всего на поверхность нанесено золотое покрытие). В сфере имеется, по крайней мере, одно отверстие. Через это отверстие в сферу направляют ИК-излучение, которое многократно диффузно отражается от стенок сферы с изменением угла отражения. Отраженный свет фокусируется линзой или каким-либо другим способом и регистрируется детектором. При отражении ИК-излучения стенками сферы происходит его поглощение анализируемым веществом, предварительно нанесенным на внутреннюю поверхность. При анализе растворов аликвоту пробы помещают в устройство, причем сфера является емкостью, в котором происходит испарение растворителя. После испарения жидкости сухой остаток, содержащий анализируемое вещество, остается на внутренней поверхности сферы. Это устройство позволяет отказаться от использования дополнительных материалов и операций, применяемых в предыдущем способе. Недостатком устройства является высокая стоимость, так как интегрирующая сфера сложна в изготовлении и выполняется из дорогостоящих материалов.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению (прототипом) является ИК-спектрометрическая ячейка для микроанализа [Пат.5334837 США, G01N 021/01, G01N 021/35. Micro analytical method, sampling plate used in same, method of detecting organic compound by use of said micro analytical method, apparatus for same and method of dividing for micro-liquid flow / Ikeda Masahiko (Япония), Uchihara Hirosi (Япония). - №954267; заявлено 30.09.92; опубл. 02.08.94 /3/]. Эта ячейка предназначена для определения нелетучих веществ с испарением растворителя. Анализируемый раствор по каплям помещается на гидрофобную пленку и быстро испаряется. При этом происходит концентрирование анализируемого вещества. Гидрофобная пленка, например, на основе фторированных смол необходима для уменьшения растекания испаряющейся капли раствора. Пленка наносится либо на ИК-прозрачную пластину, либо на металлическое зеркало соответственно для ИК-спектрометрического анализа в режиме пропускания или в режиме отражения. Для лучшего концентрирования анализируемого вещества в гидрофобной пленке может быть выполнено отверстие, углубление или зона со сниженной энергией поверхностного натяжения. Для этого участок требуемого размера в гидрофобной пленке обрабатывают лазерным лучом или ультрафиолетовым излучением. Это приспособление позволяет выполнять определение веществ в растворителях, сильно поглощающих ИК-излучение, в тоже время, просто в изготовлении и не обладает высокой стоимостью.

Недостатком этого устройства является поглощение гидрофобной пленкой на основе фторорганических смол ИК-излучения в области 900-1300 см^-1. Это делает невозможным анализ ряда веществ, таких как фтор-, хлорпроизводных эфиров, кремнийорганических соединений и т.д.

Также недостатком является возможность растворения гидрофобной пленки анализируемым раствором и, как следствие, загрязнение анализируемого вещества. В то же время возможно химическое взаимодействие компонентов анализируемого раствора с гидрофобной пленкой. Все это может привести к получению ошибочного результата.

При использовании прототипа требуется по каплям помещать анализируемый раствор на гидрофобную пленку. Следующую каплю наносят только после испарения предыдущей. Это требует дополнительных трудозатрат или использования специального приспособления и увеличивает время выполнения анализа.

Задачей данного изобретения является создание ИК-спектрометрической ячейки для качественного и количественного анализа, который бы обеспечивал сокращение стоимости и времени анализа малолетучих веществ в растворах, поглощающих ИК-излучение, и не содержала бы компонентов, ограничивающих круг анализируемых объектов.

Для достижения названного результата предлагается использовать ИК-спектрометрическую ячейку, иллюстрируемую чертежами, где показано

на фиг.1 - схема ячейки ИК-спектрометрической, вид сбоку;

на фиг.2 - схема размещения ИК-спектрометрической ячейки в микрофокусировочной приставке, установленной в кюветном отделении ИК-Фурье-спектрометра и хода лучей ИК-излучения.

ИК-спектрометрическая ячейка (фиг.1) содержит коническую емкость 1, сужающуюся книзу, для испарения растворителя из анализируемого раствора с отверстием в центре. Коническая емкость 1 изготовлена из материала, стойкого к действию анализируемого раствора, например из нержавеющей стали, никеля и т.д. К нижней части емкости герметично приклеено окно 2 из материала, прозрачного в ИК-области, например селенида цинка, хлорида серебра, германия и т.д. Испарение всего анализируемого образца происходит в конической емкости. При этом анализируемое вещество концентрируется на окне 2 в участке, ограниченном отверстием в конической емкости 1.

Ячейка устанавливается в стандартный держатель кювет лабораторных ИК-Фурье-спектрометров, серийно выпускаемых промышленностью. Для увеличения энергии ИК-излучения, проходящего через ячейку, можно применять серийно выпускаемые микрофокусировочные приставки.

Предлагаемая ИК-спектрометрическая ячейка применяется следующим образом. Ячейку помещают в кюветное отделение ИК-спектрометра (фиг.2). Регистрируют фоновый спектр ячейки. Затем ячейку устанавливают на горизонтальную поверхность и вносят в коническую емкость 1 аликвоту анализируемого раствора. Раствор упаривают при комнатной или повышенной температуре до полного удаления растворителя. При этом сухой остаток, в котором содержится анализируемое вещество, концентрируется на поверхности окна 2. Эта операция аналогична испарению растворителя в способе ИК-спектрометического анализа с использованием таблеток из бромида калия. После чего ячейку помещают в кюветное отделение ИК-спектрометра и регистрируют аналитический спектр ячейки с остатком после испарения.

По сравнению с существующими методами заявляемый способ имеет следующие преимущества.

1. Сокращает время анализа, так как отсутствует необходимость подачи анализируемого раствора по каплям.

2. Позволяет снизить затраты на проведение анализов за счет исключения дополнительных операций, использования вспомогательных материалов и оборудования, снижения трудозатрат и использования доступных материалов при изготовлении ячейки, что снижает ее стоимость.

3. Не содержит деталей растворимых или реагирующих с анализируемым раствором и поглощающих ИК-излучение, что позволяет проводить анализ практически всех органических веществ.

Источники информации

1. Смит А. Прикладная ИК-спектроскопия: Пер. с англ. - М.: Мир, 1982, -с.328.

2. Пат.6147350 США, МКИ G 01 J 005/02. Spectroscopic residue detection system and method / М. Beecroft (США), М.М. Szczesniak (США); Surface Optics со (США). - №221771; заявлено 28.12.98; опубл. 14.11.2000.

3. Пат.5334837 США, G01N 021/01, G01N 021/35. Micro analytical method, sampling plate used in same, method of detecting organic compound by use of said micro analytical method, apparatus for same and method of dividing for micro-liquid flow / Ikeda Masahiko (Япония), Uchihara Hirosi (Япония). - №954267; заявлено 30.09.92; опубл. 02.08.94.

Изобретение относится к области аналитической химии, в частности к анализу материалов с помощью оптических средств, и может быть использовано для идентификации и количественного определения малолетучих веществ в растворах методами инфракрасной спектрометрии. Ячейка содержит коническую емкость для испарения растворителя из анализируемого раствора с отверстием в центре из материалов, стойких к действию растворителей, и с окном, герметично приклеенным к нижней части конической ячейки. Окно выполнено из материала, прозрачного для инфракрасного излучения и стойкого к действию растворителей. Техническим результатом является сокращение стоимости и времени анализа. 2 ил.

Ячейка для ИК-спектрометрического определения малолетучих веществ в летучих жидкостях, содержащая емкость для испарения растворителя из анализируемого раствора, отличающаяся тем, что емкость выполнена конической с отверстием в центре из материалов, стойких к действию растворителей, с окном, герметично приклеенным к нижней части конической емкости, выполненным из материала, прозрачного для инфракрасного излучения и стойкого к действию растворителей.