СПОСОБ ОБРАБОТКИ ИНФРАКРАСНОГО СПЕКТРА МНОГОКОМПОНЕНТНОГО УГЛЕРОДСОДЕРЖАЩЕГО ВЕЩЕСТВА Российский патент 2021 года по МПК G01N21/35 G01J3/42 

Изобретение относится к способам определения строения сложных веществ методом инфракрасной спектроскопии и предназначено для идентификации в составе многокомпонентного вещества супрамолекулярных соединений (структур).

В ИК-спектроскопии существует способ отделения поглощения одной или нескольких узких полос поглощения, наблюдаемых на фоне широкополосного поглощения при использовании двухточечных базовых линий, при этом широкополосное поглощение является фоном и не используется для анализа строения вещества.

Из патента РФ № 2170421 на изобретение известен способ количественного определения химического состава вещества и энергий связи остовных электронов, включающий измерение линии фотоэлектронного спектра, по меньшей мере, одного элемента, разложение ее по известному набору элементарных составляющих, соответствующих различным химическим фазам, и известной последовательности энергий связи остовного электрона выбранного элемента в этих фазах, минимизацию функционала ошибок между измеренной линией спектра и суммарной расчетной огибающей набора элементарных составляющих с выбором их амплитуд и ширины в качестве свободных параметров и определение искомого состава по относительному вкладу этих составляющих в разлагаемую линию спектра с учетом стехиометрии химических фаз, при этом вышеупомянутые операции производят для каждой линии спектра двух или более выбранных элементов, дополнительно выбирая в качестве свободных параметров энергии связи элементов в химических фазах и, сравнивая полученные для всех линий спектра результаты между собой, варьируют свободными параметрами до совпадения результатов с учетом заданной ошибки.

Из патента РФ № 2299432 на изобретение известен способ определения качественного состава органических веществ в объектах окружающей среды, включающий предварительное высушивание пробы материала, при этом пробу экстрагируют в стеклянной колонке на слое сульфата натрия двухкратнодихлорметаном, разделяют на фракции методом тонкослойной хроматографии в смеси гексана, четыреххлористого углерода, этилацетата и определение органических веществ проводят, сравнивая параметр, характеризующий положение хроматографической зоны вещества, R_f полученных фракций с R_f веществ, идентифицированных методом хроматомасспектрометрии.

Из патента РФ № 2439552 на изобретение известен способ хроматографического анализа многокомпонентного вещества, при котором пробу вещества, характеризующегося фракционным составом, растворяют в вытеснителе, в котором растворимы все фракции пробы; раствор из смеси вытеснителя и растворенной в нем пробы помещают в/на неподвижную фазу, затем через смесь вытеснителя с пробой пропускают элюент, в качестве которого используют вещество, в котором нерастворима как минимум одна исследуемая фракция, затем проявившееся из смеси вытеснителя с пробой и в/на неподвижной фазе каждое вещество идентифицируют.

Из патента РФ № 2437153 известен способ обработки инфракрасного изображения, содержащий этапы, на которых:

- обрабатывают инфракрасное изображение, чтобы предоставлять фоновую часть инфракрасного изображения и детальную часть инфракрасного изображения;

- масштабируют фоновую часть и/или детальную часть, чтобы обеспечивать уровень детальной части относительно уровня фоновой части;
объединяют фоновую часть и детальную часть после масштабирования, чтобы предоставлять обработанное инфракрасное изображение; и

- сохраняют обработанное инфракрасное изображение. Обработка инфракрасного изображения дополнительно содержит этапы, на которых:

- фильтруют инфракрасное изображение, чтобы предоставлять фоновую часть; и

- вычитают фоновую часть из инфракрасного изображения, чтобы предоставлять детальную часть;

- при фильтрации применяют двунаправленный фильтр к инфракрасному изображению, и тем, что двунаправленный фильтр использует параметр фильтра, соответствующий пользовательскому введенному значению.

Этап, на котором объединяют фоновую и детальную часть, управляется двумя переменными. Одна переменная представляет соотношение между динамическим диапазоном детальной части и динамическим диапазоном фоновой части.

Способ по патенту РФ № 2437153 выбран в качестве наиболее близкого аналога (прототипа).

Все известные способы анализа веществ не позволяют установить, содержит или нет исследуемое сложное (многокомпонентное) вещество в своем составе супрамолекулярное соединение.

Техническая проблема, решаемая предлагаемым изобретением – создание способа, позволяющего выявить содержание в составе сложного многокомпонентного вещества супрамолекулярных соединений (структур, комплексов) без химического воздействия на вещество, которое может изменить свойства супрамолекулярных соединений (структур).

Технический результат – расширение арсенала средств, позволяющих устанавливать содержание в сложном (многокомпонентном) веществе супрамолекулярное соединение (комплекс) без химического воздействия на вещество; повышение достоверности и надежности идентификации.

Технический результат достигается за счет того, что в способеобработки инфракрасного спектра многокомпонентного углеродсодержащего вещества для обработки берут исходный ИК-спектр исследуемого многокомпонентного углеродсодержащего вещества в заданном интервале волновых чисел от 7500 до 600 см^-1, на первом этапе исходный ИК-спектр в заданном интервале разделяют на спектральный компонент, характеризующий неизбирательное поглощение в заданном интервале, и обобщенный спектральный компонент, характеризующий узкополосное и широкополосное поглощение в заданном интервале, на последующем втором этапе исходный ИК-спектр в заданном интервале разделяют на спектральный компонент, характеризующий одновременно широкополосное поглощение и неизбирательное поглощение, и спектральный компонент, характеризующий в основном узкополосное поглощение, при этом разделение исходного ИК-спектра на спектральный компонент, характеризующий одновременно широкополосное поглощение и неизбирательное поглощение, и спектральный компонент, характеризующий в основном узкополосное поглощение, на втором этапе осуществляют последовательно в несколько стадий,на каждой стадии исходный ИК-спектр разделяют на промежуточные спектральные компоненты с получением промежуточного спектрального компонента, характеризующего одновременно широкополосное поглощение и неизбирательное поглощение, и промежуточного спектральногокомпонента, характеризующего в основном узкополосное поглощение, разделение исходного ИК-спектра осуществляют при последовательном усилении на каждой стадии фона, контролируемом визуально по интенсивности полос поглощения в фоне, при этом усилению фона соответствует повышение интенсивности полос поглощения в фоне, последовательное разделение исходного ИК-спектра на спектральный компонент, характеризующий одновременно широкополосное поглощение и неизбирательное поглощение, и спектральный компонент, характеризующий в основном узкополосное поглощение, на втором этапе осуществляютдо получения двух идентичных последовательных промежуточных спектральных компонентов, характеризующих в основном узкополосное поглощение, содновременным получением двух соответствующих идентичных промежуточных спектральных компонентов, характеризующих одновременно широкополосное поглощение и неизбирательное поглощение, на третьем этапе спектральный компонент, характеризующий одновременно широкополосное и неизбирательное поглощение, разделяют на спектральный компонент, характеризующий неизбирательное поглощение и спектральный компонент, характеризующий широкополосное поглощение, вывод о содержании в многокомпонентном углеродсодержащем веществе супрамолекулярных соединений делают на основании содержания в исходном ИК-спектре широкополосного спектрального компонента, отделяемого от спектрального компонента, характеризующего в основном узкополосное поглощение, на всех этапах и стадиях обеспечивают сохранение и фиксацию с возможностью визуализации всех полученных спектральных компонентов, как конечных, так и промежуточных.

Исходный ИК-спектрисследуемого многокомпонентного углеродсодержащего вещества целесообразно представлять в координатах:

- ордината – поглощение,

- абсцисса – волновые числа в виде см^-1 в интервале волновых чисел от 7500 до 600 см^-1.

Целесообразно осуществлять проверку достоверности путем сложения широкополосного спектрального компонента и спектрального компонента, характеризующего неизбирательное поглощение с получением контрольного неизменного спектрального компонента включающего широкополосное и неизбирательное поглощение, полученного на втором этапе.

Целесообразно осуществлять проверку достоверности путем сложения спектрального компонента, характеризующего узкополосное поглощение со спектральным компонентом, включающим широкополосное и неизбирательное поглощение, с получением контрольного исходного ИК-спектра.

На третьем этапе спектральный компонент, характеризующий одновременно широкополосное и неизбирательное поглощение, целесообразно разделять на спектральный компонент, характеризующий неизбирательное поглощение и спектральный компонент, характеризующий широкополосное поглощение при ослаблении фона, контролируемом визуально, с получением промежуточных стадий до появления в фоне неизбирательного поглощения в виде прямой линии.

Вопрос о содержании в сложном многокомпонентном веществе супрамолекулярных структур является весьма важным, поскольку расширяет возможности (области) использования многокомпонентного вещества. Супрамолекулярные вещества широко используются в медицине для получения лекарственных форм пролонгированного действия, в аромотерапии, для получения любых продуктов, обеспечивающих постепенное высвобождение активного вещества.

В 1978 г. Ж.М. Лен предложил первое определение супрамолекулярной химии: «подобно тому, как существует область молекулярной химии, основанной на ковалентных связях, существует и область, химии молекулярных ансамблей и межмолекулярных связей» (Жан-Мари Лен Супрамолекулярная химия: Концепции и перспективы/ Ж.-М. Мен; Пер. с англ. Новосибирск: Наука. Сиб. Предприятие РАН, 1998, стр. 7).

«Супрамолекулярные соединения - это группа молекулярных компонентов, индивидуальные свойства которых интегрированы в свойства целого ансамбля (ковалентного или нековалентного)» (стр. 263,Рамбиди Н.Г., Берёзкин А.В. «Физические и химические основы нанотехнологий», М, изд. «ФИЗМАТЛИТ», 2008).

Аналогичные сведения содержатся в источнике: Стид Джонатан В., Джерри Л. Этвуд «Супрамолекулярная химия», пер. с англ.: в 2т.-М, ИКЦ «Академкнига», 2007, Т1- 2007,стр. 27.

Понятие супрамолекулярных комплексов (соединений) также дано в нижеприведенных источниках.

Супрамолекулярные соединения (комплексы), это особые химические системы, компоненты которых связаны между собой посредством межмолекулярных (нековалентных) взаимодействий (из патента РФ № 2641111), посредством механических зацеплений молекул между собой, за счет водородного связывания, электростатического взаимодействия и др. Такие силы межмолекулярного взаимодействия в супрамолекулярных соединениях являются более слабыми, чем силы, основанные на ковалентных связях.

Известно также что супрамолекулярный комплекс (SMC), известный также как клатрат (из патента РФ № 2569087) - соединение включения или комплекс «хозяин-гость», представляющий собой многокомпонентную систему атомов, ионов и/или молекул, которые скреплены, по меньшей мере, частично, посредством нековалентных взаимодействий, например, водородных связей, ван-дер-ваальсовых сил, π-π взаимодействий и/или электростатических эффектов. Эти разные силы притяжения значительно слабее ковалентного связывания и, следовательно, супрамолекулярные комплексы обычно гораздо менее стабильны, чем соединения, которые целиком связаны ковалентными связями. Например, SMC поддаются разрушению при повышенных температурах или при воздействии условий, разрушающих механизмы слабого связывания, которые скрепляют данные комплексы. Эти условия могут включать условия кислотного или щелочного гидролиза, гидролиз или сольватацию, например, полярным растворителем, который может разрывать водородную связь комплексов. Супрамолекулярная химия является направлением нанотехнологий (источник «Физические и химические основы нанотехнологий», Н.Г. Рамбиди, А.В. Березкин, Москва, изд. «Физматлит», 2008 г., стр. 263).

Заявляемый способ основан на формировании трех спектральных компонентов в диапазоне поглощения 7500 – 600 см^-1 путем декомпозиции исходного ИК-спектра в три этапа:

- неизбирательного поглощения, представляющего собойпрямую линию;

- содержащего узкие полосы поглощения, обусловленные ковалентными связями между двумя атомами в молекулах и, возможно, широкие полосы поглощения, неотделяемые от узких полос, обусловленные внутримолекулярными водородными связями;

- широкополосного поглощения, отделенного от узких полос поглощения, обусловленногоневалентными связями между молекулами, возникшими в результате межмолекулярных взаимодействий.

Исходный ИК-спектрисследуемого многокомпонентного углеродсодержащего веществапредставлен в координатах: ордината – поглощение; абсцисса – волновые числа в виде см^-1 в интервале волновых чисел от 7500 до 600 см^-1.

Общеизвестный смысл термина декомпозиция – разделение целого на части.Под декомпозицией в ИК-спектроскопиипонимают разложение, разделение ИК-спектра на отдельные спектральные компоненты.

Соответственно, под декомпозицией в настоящем изобретении понимают разложение/разделение исходного ИК-спектра на два аддитивных спектральных компонента в заданном интервале волновых чисел: избирательное поглощение (информационная часть необходимая для анализа) и фон, характеризующий неизбирательное поглощение. Для декомпозиции исходного ИК-спектра возможно использование способа обработки ИК-спектра, использованного в прототипе предлагаемого изобретения.

Неизбирательное поглощение, представляющее собой прямую линию, может содержать две составляющие. Первая из них существует всегда. Она включает поглощение, обусловленное случайными помехами, фотометрической погрешностью спектрометра и погрешностями предварительной обработки экспериментального спектра. Эта составляющая неизбирательного поглощения является несущественной для понимания строения вещества.

Однако неизбирательное поглощение в ИК-спектрах некоторых сложных многокомпонентных веществ может содержать также вторую составляющую. Это поглощение, обусловленное присутствием в веществе больших молекул, а также высококонденсированных структур, имеющих электронное поглощение в ближней инфракрасной области, которое может частично фиксироваться в высокочастотной части ИК-спектра.

Узкие полосы поглощения (узкополосное поглощение) в ИК-спектре свидетельствуют о наличии в структуре сложного вещества молекул, имеющих ковалентные связи между двумя атомами и при этом, указанные молекулы не участвуют в межмолекулярных взаимодействиях (не имеют межмолекулярных связей).Спектральный компонент, основу которого составляют узкие полосы поглощения, характеризует молекулярные структуры. Узкие полосы поглощения ИК спектров общеизвестны и широко используются для изучения строения сложных веществ.

Широкие полосы (широкополосное поглощение) в ИК-спектре свидетельствует о наличии в сложном веществе супрамолекулярных соединений (их также называют супрамолекулярными комплексами, супрамолекулярными структурами, ассоциатами), возникающих в результате межмолекулярных взаимодействий двух или более молекул благодаря возникновению невалентных связей между ними.В результате перекрывания двух или более широких полос поглощения формируется широкополосное поглощение.

В случае очень больших молекул возможно присутствие в ИК-спектре также широких полос, возникающих в результате внутримолекулярных водородных (невалентных) связей.При декомпозиции исходного спектра широкие полосы, обусловленные внутримолекулярными водородными связями (невалентными) не отделяются от узких полос поглощения, поскольку они характеризуют молекулярную структуру.

Широкие и узкие полосы в исходном ИК-спектре идентифицируются визуально.

Визуальный способ анализа спектров достаточно часто используется в ИК-спектроскопии при изучении строения вещества. Информация о использовании визуального наблюдения в аналитической химии содержится в источнике: М.А.Шариф, Д.Л. Иллмен, Б.Р.Ковальский «Хемометрика», пер.с англ., Л. «Химия», 1989 г., стр.122:

«Человеческое зрение, опосредованное через мозг, является мощным анализаторов образов…

…Визуальное наблюдение по сравнению с другими методами замедляется, когда степень разделения пика уменьшается. Тем не менее, этот метод – быстрое и эффективное средство при оценивании действий шума на сложные профили. Опытный аналитик часто может отличить сигнал от импульсов шума гораздо легче, чем цифровой компьютер».

При этом разграничение широких и узких полос для каждого конкретного многокомпонентного вещества будет индивидуальным. Принцип отнесения полос поглощения к узким и широким является общеизвестным, не требующим дополнительных пояснений.

В ИК- спектроскопии диапазон поглощения в интервале 7500 – 600 см^-1 наиболее полно охватывает диапазон поглощения для практически всех органических углеродсодержащих многокомпонентных веществ.

Из уровня техники известно следующее.

Из источника«Физическая химия. Теоретическое и практическое руководство», учебное пособие под ред. Акад. Б.П. Никольского, Л., изд. Химия, 1987 г., стр. 125 известно, что внутримолекулярная водородная связь проявляется в спектральных характеристиках системы. На странице 124 (2 абзац снизу) источника 1 приведены следующие сведения: Образование водородных связей проявляется в спектральных характеристиках системы, сопровождаясь сдвигом в сторону длинных волн и уширением полос поглощения группы Х-Н в ИК-спектрах и спектрах комбинационного рассеяния, появлением новых частот, обусловленных колебаниями входящих в ассоциат молекул относительно друг друга.

Из источника «Органическая химия: учебник для ВУЗов», 2 т, В.Ф. Травень, М, ИКЦ «Академкнига», 2004 на стр. 536 приведены сведения о том, что карбоксильная группа имеет две характеристики полосы поглощения, при этом уширение полосы поглощения гидроксигруппы объясняется образованием димеров кислот, Связанных мильными межмолекулярными водородными связями.

Из источника «Спектроскопия органических веществ», Браун Д., Флойд А., Сейнзбери М., М, Мир, 1992 г., стр. 63 известно о том, что появление в ИК-спектре более широких по сравнению с другими полос, свидетельствует о межмолекулярной ассоциации.

Аналогичная информация приведена в других источниках. Все сведения, приведенные в уровне техники свидетельствуют о том, что, более слабые межмолекулярные связи характеризуются более широкой полосой в ИК-спектре, по сравнению с молекулярными связями, характеризующимися в ИК-спектре узкими полосами, свидетельствующими о прочности таких связей.

С учетом сведений, приведенных в уровне техники, авторы пришли к выводу о том, что о содержании супрамолекулярных соединений (комплексов) в сложном многокомпонентном веществе может свидетельствовать присутствие в исходном ИК-спектре такого вещества спектрального компонента, характеризующегоширокие полосы, которые отделяютсяпри декомпозиции исходного спектра от узких полос поглощения.

Однако, существовала проблема достоверного отделения (декомпозиции) в ИК-спектре спектрального компонента, характеризующего именносупрамолекулярное соединение, поскольку широкополосное поглощение, как уже сказано выше, может характеризовать и внутримолекулярные водородные связи, например, в случае больших молекул.

В заявляемом способе обрабатывают исходный ИК-спектр исследуемого многокомпонентного углеродсодержащего сложного веществав диапазоне поглощения 7500 – 600 см^-1.

Метод получения самого исходного ИК-спектра не имеет значения для заявляемого способа.

Заявляемый способ содержит три обязательных этапа, осуществляемых посредством декомпозиции, представляющей собойфункциональный способ обработки спектров:

- первый этап: исходный ИК-спектрразделяютна спектральный компонент, характеризующий неизбирательное поглощение, и обобщенный спектральный компонент, характеризующий узкополосное и широкополосное поглощение,фиксируют (сохраняют)с возможностью последующей визуализации сведения о каждом спектральном компоненте, полученном на данном этапе.

- второй этап: исходный ИК-спектр разделяют на спектральный компонент, характеризующий одновременно широкополосное поглощение и неизбирательное поглощение, и спектральный компонент, характеризующий в основном узкополосное поглощение, фиксируют (сохраняют) с возможностью последующей визуализации сведения о каждом спектральном компоненте, полученном на данном этапе.

- третий этап: спектральный компонент, характеризующий одновременно широкополосное поглощение и неизбирательное поглощение, разделяют наспектральный компонент, характеризующий неизбирательное поглощение, и спектральный компонент, характеризующий широкополосное поглощение, фиксируют (сохраняют) с возможностью последующей визуализации сведения о спектральном компоненте, полученном на данном этапе.

Следует отметить, что в процессе реализации заявляемого способа обеспечивают сохранение и фиксацию с возможностью визуализации всех полученных спектральных компонентов, как конечных, так и промежуточных.

Способы разделения исходного спектра на отдельные спектральные компоненты, в том числе отделение спектральных компонентов, содержащих неизбирательное поглощение (фон), известны из уровня техники, например, из патента РФ № 2437153.

Первый этап осуществляют путем разделения исходного ИК-спектра на два спектральных компонента: характеризующий неизбирательное поглощение, и обобщенный спектральный компонент, характеризующий узкополосное и широкополосное поглощение, представляющий избирательное поглощение. В результате получают два спектральных аддитивных компонента – характеризующий неизбирательное поглощение и обобщенный спектральный компонент. Полученные на первом этапе два спектральных компонента характеризующих избирательное и неизбирательное поглощение используются в последующем для контроля результатов декомпозиции спектра на втором и третьем этапах.

На втором этапе исходный ИК-спектр разделяют на спектральный компонент, характеризующий одновременно широкополосное поглощение и неизбирательное поглощение, и спектральный компонент, характеризующий в основном узкополосное поглощение. В итоге получают два спектральных компонента: первый спектральный компонент, характеризующий в основном узкополосное поглощение, является конечным (целевым) результатом данного этапа, а спектральный компонент, характеризующий одновременно широкополосное поглощение и неизбирательное поглощение, предназначен для его дальнейшей обработки на третьем этапе.

При этомразделение исходного ИК-спектра на спектральный компонент, характеризующий одновременно широкополосное поглощение и неизбирательное поглощение, и спектральный компонент, характеризующий в основном узкополосное поглощение, на втором этапе осуществляют последовательно, в несколько стадий. На каждой стадии исходный ИК-спектр разделяют на промежуточные спектральные компоненты, с получением промежуточного спектрального компонента, характеризующего одновременно широкополосное поглощение и неизбирательное поглощение, и промежуточный спектральный компонент, характеризующий в основном узкополосное поглощение. На каждой стадии второго этапа осуществляется разделение именно исходного ИК-спектра при последовательном усилении на каждой стадии фона, контролируемом визуально по интенсивности полос поглощения в фоне, при этом усилению фона соответствует повышение интенсивности полос поглощения в фоне. В процессе такого последовательного разделения исходного ИК-спектра внешний вид спектрального компонента, содержащего фон будет меняться от прямой линии до спектра, насыщенного широкополосным поглощением.

Последовательное разделение исходного ИК-спектра на спектральный компонент, характеризующий одновременно широкополосное поглощение и неизбирательное поглощение, и спектральный компонент, характеризующий в основном узкополосное поглощение, на втором этапе осуществляют до тех пор, пока не получат два идентичных последовательных промежуточных спектральных компонента, характеризующих в основном узкополосное поглощение. Одновременно будут получены два соответствующих идентичных промежуточных спектральных компонента, характеризующих одновременно широкополосное поглощение и неизбирательное поглощение.

Наличие двух идентичных последовательных промежуточных спектральных компонентов, характеризующих в основном узкополосное поглощение, и двух соответствующих идентичных спектральных компонентов, характеризующих одновременно широкополосное поглощение и неизбирательное поглощение, будет свидетельствовать о том, что исходный ИК-спектр достоверно разделен на указанные выше спектральные компоненты. При этом спектральный компонент, характеризующий неизбирательное поглощение и широкополосное поглощение, содержит широкополосное поглощение, отделяемое от узкополосного поглощения.

Идентичность спектральных компонентов означает идентичность их частот и интенсивности поглощения, что фиксируется визуально. Неизменность последовательных промежуточных спектральных компонентов, характеризующих в основном узкополосное поглощение, свидетельствует о достижении полного отсутствия в указанном спектральном компоненте широких полос, отделяемых от узких полос и характеризующих невалентные связи.

Полученный на втором этапе неизменяемый спектральный компонент, характеризующий в основном узкополосное поглощение, будет содержать спектральные компоненты, характеризующие узкополосное поглощение и, возможно, широкополосное поглощение, неотделяемое от узких полос. Такой неизменяемый спектр будет характеризовать ковалентные связи и внутримолекулярные водородные связи (при их наличии)в молекулярной части многокомпонентного вещества.

Одновременно с получением и фиксацией (с возможностью визуализации) конечного неизменяемого спектрального компонента, характеризующего валентные связи, будет получен и зафиксирован с возможностью визуализации, неизменяемый спектральный компонент (фон) содержащий неизбирательное поглощение и широкополосное поглощение, отделяемое от узкополосного поглощения.

Методом декомпозиции на третьем этапе разделяют неизменяемый конечный спектральный компонент (фон), полученный на втором этапе, характеризующий неизбирательное поглощение и широкополосное поглощение, на два аддитивных спектральных компонента: спектральный компонент, характеризующий неизбирательное поглощение (прямая линия) и спектральный компонент, характеризующий широкополосное поглощение. Спектральный компонент, характеризующий широкие полосы поглощения, которые обусловлены невалентными связями, возникшими в результате межмолекулярных взаимодействий между молекулами, отделяемые от узкополосного поглощения является средством выявления и фиксации супрамолекулярных соединений в исходном многокомпонентном углеродсодержащем веществе.

Такой спектральный компонент, характеризующий широкие полосы поглощения, отделяемые от узкополосного поглощения, является средством фиксации и идентификации супрамолекулярных соединений в исходном многокомпонентном углеродсодержащем веществе. Полученный на третьем этапе спектральный компонент, характеризующий широкополосное поглощение, отделяемое от узкополосного поглощения, будет однозначно свидетельствовать о содержании в многокомпонентном углеродсодержащем веществе супрамолекулярных соединений, поскольку такое отделяемое от узкополосного поглощения широкополосное поглощение будет характеризовать именно невалентные связи между молекулами в веществе.

Таким образом, отделяемое от узкополосного поглощения широкополосного поглощения свидетельствует о содержании в исследуемом веществе супрамолекулярных соединений.

Если в исходном многокомпонентном веществе отсутствуют супрамолекулярные соединения, в его исходном ИК-спектре будут присутствовать только спектральные компоненты, характеризующие неизбирательное поглощение и узкополосное поглощение с неотделяемым от него широкополосным поглощением.

Ни один из этапов в заявляемом способе не позволяет сделать никаких обобщающих выводов без учета иных этапов. Т.е. заявляемый способ позволяет достичь заявленный технический результат только при сочетании всех трех обязательных этапов.

По результатам всех трех этапов декомпозиции ИК-спектра получены и зафиксированы в интервале 7500-600 см^-1три целевых аддитивных спектральных компонента:

- первый спектральный компонент, характеризующий неизбирательное поглощение;

- второй спектральный компонент, характеризующий неизменяемый спектр, содержащий узкополосное поглощение, обусловленное ковалентными связями между атомами в молекулах и неотделяемое от него широкополосное поглощение (в случае наличия такового), обусловленное внутримолекулярными водородными связями между атомами в молекулах, относящееся к молекулярным структурам;

- третий спектральный компонент, характеризующий широкополосное поглощение, обусловленное невалентными связями, между молекулами, возникшими в результате межмолекулярных взаимодействий, относящийся к супрамолекулярным структурам.

Достоверность заявляемого способа может быть проверена различным образом, например, сложением двух аддитивных ИК-спектральных компонента: характеризующего широкополосное поглощение и характеризующего неизбирательное поглощение с получением контрольного неизменного спектрального компонента, включающего широкополосное и неизбирательное поглощение, полученное на втором этапе. А также сложением спектрального компонента характеризующего узкополосное поглощение со спектральным компонентом, включающим широкополосное и неизбирательное поглощение, с получением контрольного исходного ИК-спектра.

Под аддитивными спектральными компонентами авторы понимают такие спектральные компоненты, при сложении которых получают целый исходный спектр или спектральный компонент.

При сопоставлении контрольных ИК-спектров с исходным ИК-спектром следует учитывать погрешности, возникающие при декомпозиции и сложении спектральных компонентов.

Заявляемый способ является простым, надежным и достоверным, позволяющим достоверно установить в многокомпонентном сложном веществе содержание супрамолекулярных соединений.

Заявляемый способ позволяет установить содержание в многокомпонентном углеродсодержащем веществе супрамолекулярных соединений без химического воздействия на вещество, что значительно повышает достоверность такого определения. Кроме того, заявляемый способ позволяет отделить спектральные компоненты, характеризующие широкополосное поглощение, обусловленное содержанием в веществе супрамолекулярных соединений, межмолекулярных связей от спектральных компонентов, характеризующих широкополосное поглощение, обусловленное внутримолекулярными водородными связями(невалентными), относящееся к молекулярным структурам.

Надежность и достоверность идентификации обусловлена тем, что всегда конечным результатом второго этапа будет обеспечение выделения идентичных спектральных компонентов, характеризующих в основном узкополосное поглощение. В заявляемом способе отсутствует возможность влияния на результат посторонних факторов, необусловленных строением, структурой вещества.

Способ получения экспериментальных ИК-спектров и их предварительной обработки от экспериментального до исходного ИК-спектра не имеет значения для предлагаемого изобретения.

На фиг. 1 представлен исходный ИК-спектр для каменного угля марки Ж.

На фиг. 2 представлен обобщенный спектральный компонент, характеризующий избирательное поглощение и включающий узкополосное и широкополосное поглощение.

На фиг. 3 представлен спектральный компонент, характеризующий неизбирательное поглощение (фон).

На фиг. 4 представлен первый промежуточный спектральный компонент, характеризующий узкополосное поглощение.

На фиг. 5 представлен второй промежуточный спектральный компонент, характеризующий узкополосное поглощение.

На фиг. 6 представлен третий промежуточный спектральный компонент, характеризующий узкополосное поглощение.

На фиг. 7 представлен первый промежуточный спектральный компонент, характеризующий неизбирательное и широкополосное поглощение.

На фиг. 8 представлен второй промежуточный спектральный компонент, характеризующий неизбирательное и широкополосное поглощение.

На фиг. 9 представлен третий промежуточный спектральный компонент, характеризующий неизбирательное и широкополосное поглощение.

На фиг. 10 представлен первый идентичный спектральный компонент, характеризующий узкополосное поглощение.

На фиг. 11 представлен второй идентичный спектральный компонент, характеризующий узкополосное поглощение.

На фиг. 12 представлен первый идентичный спектральный компонент, характеризующий неизбирательное и широкополосное поглощение.

На фиг. 13 представлен второй идентичный спектральный компонент, характеризующий неизбирательное и широкополосное поглощение.

На фиг. 14 представлен спектральный компонент, характеризующий широкополосное поглощение.

На фиг. 15 представлен спектральный компонент, характеризующий неизбирательное поглощение.

На всех фигурах по оси абсцисс – волновые числа, измеряемые в см^-1.

На всех фигурах по оси ординат – значения поглощения, представляющего собой безразмерную физическую величину, характеризующую способность тела поглощать падающее на него излучение.

Заявляемый способ подтверждается следующим примером.

В качестве исследуемого вещества берут образец каменного угля марки Ж.

В качестве оборудования, на котором получают экспериментальный ИК-спектр диффузного отражения, используют спектрометр SHIMADZU IRAffinity-1s.

Для декомпозиции (разложения, разделения исходного ИК-спектра и спектральных компонентов) используют полиноминальную обработку в автоматизированном варианте посредством программы для ЭВМ № 2018618267 «SPECOM».

Указанная программа предназначена для декомпозиции экспериментальных инфракрасных спектров ископаемых углей, углеподобных осадочных пород, угольной и нефтяной продукции на аддитивные спектральные компоненты, описываемые унитарными полиномами от волнового числа. Программа применяется для изучения молекулярной структуры в инфракрасной спектроскопии природных органических полимеров и продуктов их переработки, характеризуемых наличием широких полос поглощения в средней инфракрасной области и значительным вкладом электронного поглощения. Программа позволяет проводить интерактивное исследование путем предоставления удобного графического интерфейса для спецификации параметров алгоритма и визуализации результатов декомпозиции.

Заявляемый способ для каменного угля марки Ж осуществляли следующим образом.

Для обработки берут исходный ИК-спектр исследуемого многокомпонентного углеродсодержащего вещества – каменный уголь марки Ж в заданном интервале волновых чисел от 7500 до 600 см^-1 (фиг. 1).

На первом этапе исходный ИК-спектр в заданном интервале разделяют на спектральный компонент, характеризующий неизбирательное поглощение в заданном интервале (фиг. 3), и обобщенный спектральный компонент, характеризующий узкополосное и широкополосное поглощение в заданном интервале (фиг. 2).

На последующем втором этапе исходный ИК-спектр разделяют на спектральный компонент, характеризующий одновременно широкополосное поглощение и неизбирательное поглощение, и спектральный компонент, характеризующий в основном узкополосное поглощение, при этом разделение исходного ИК-спектра на спектральный компонент, характеризующий одновременно широкополосное поглощение и неизбирательное поглощение, и спектральный компонент, характеризующий в основном узкополосное поглощение, на втором этапе осуществляют последовательно в несколько стадий. На каждой стадии исходный ИК-спектр разделяют на промежуточные спектральные компоненты с получением промежуточного спектрального компонента, характеризующего одновременно широкополосное поглощение и неизбирательное поглощение (фиг. 7, фиг. 8, фиг. 9), и промежуточного спектрального компонента, характеризующего в основном узкополосное поглощение (фиг. 4, фиг. 5, фиг. 6).

Разделение исходного ИК-спектра осуществляют при последовательном усилении на каждой стадии фона, контролируемом визуально по интенсивности полос поглощения в фоне, при этом усилению фона соответствует повышение интенсивности полос поглощения в фоне.

Последовательное разделение исходного ИК-спектра на спектральный компонент, характеризующий одновременно широкополосное поглощение и неизбирательное поглощение, и спектральный компонент, характеризующий в основном узкополосное поглощение, на втором этапе осуществляют до получения двух идентичных последовательных промежуточных спектральных компонентов, характеризующих в основном узкополосное поглощение (фиг. 10, фиг. 11), с одновременным получением двух соответствующих идентичных промежуточных спектральных компонентов, характеризующих одновременно широкополосное поглощение и неизбирательное поглощение (фиг. 12, фиг. 13).

На третьем этапе спектральный компонент, характеризующий одновременно широкополосное и неизбирательное поглощение, разделяют на спектральный компонент, характеризующий неизбирательное поглощение (фиг. 15) и спектральный компонент, характеризующий широкополосное поглощение (фиг. 14).

Вывод о содержании в многокомпонентном углеродсодержащем веществе – угле марки Ж супрамолекулярных соединений делают на основании содержания в исходном ИК-спектре широкополосного спектрального компонента, отделяемого от спектрального компонента, характеризующего в основном узкополосное поглощение.

По результатам проведенных исследований следует вывод о том, что в исследуемом образце каменного угля марки Ж присутствуют супрамолекулярные соединения.

На всех этапах и стадиях обеспечивают сохранение и фиксацию с возможностью визуализации всех полученных спектральных компонентов, как конечных, так и промежуточных.

Проверку достоверности осуществляют путем сложения широкополосного спектрального компонента и спектрального компонента, характеризующего неизбирательное поглощение с получением контрольного неизменного спектрального компонента включающего широкополосное и неизбирательное поглощение, полученного на втором этапе. По результатам такой проверки следует вывод о достоверности проведенных исследований.

Осуществляют проверку достоверности путем сложения спектрального компонента, характеризующего узкополосное поглощение со спектральным компонентом, включающим широкополосное и неизбирательное поглощение, с получением контрольного исходного ИК-спектра. По результатам такой проверки следует вывод о достоверности проведенных исследований.

На третьем этапе спектральный компонент, характеризующий одновременно широкополосное и неизбирательное поглощение, разделяют на спектральный компонент, характеризующий неизбирательное поглощение и спектральный компонент, характеризующий широкополосное поглощение при ослаблении фона, контролируемом визуально, с получением промежуточных стадий до появления в фоне неизбирательного поглощения в виде прямой линии.

Изобретение относится к области спектроскопии и касается способа обработки инфракрасного спектра многокомпонентного углеродсодержащего вещества. Способ включает в себя получение исходного спектра и его обработку. На первом этапе исходный спектр разделяют на спектральный компонент, характеризующий неизбирательное поглощение, и спектральный компонент, характеризующий узкополосное и широкополосное поглощение. На втором этапе исходный спектр разделяют на спектральный компонент, характеризующий широкополосное поглощение и неизбирательное поглощение, и спектральный компонент, характеризующий узкополосное поглощение. На втором этапе разделение спектра осуществляют в несколько стадий при последовательном усилении на каждой стадии фона. На третьем этапе спектральный компонент, характеризующий широкополосное и неизбирательное поглощение, разделяют на спектральные компоненты, характеризующие неизбирательное и широкополосное поглощение. Вывод о содержании супрамолекулярных соединений в веществе делают на основании содержания в исходном спектре широкополосного спектрального компонента. Технический результат заключается в обеспечении возможности устанавливать содержание в сложном веществе супрамолекулярного соединения, повышении достоверности и надежности идентификации. 4 з.п. ф-лы, 15 ил.

1. Способ обработки инфракрасного спектра многокомпонентного углеродсодержащего вещества, характеризующийся тем, что для обработки берут исходный ИК-спектр исследуемого многокомпонентного углеродсодержащего вещества в заданном интервале волновых чисел от 7500 до 600 см^-1, на первом этапе исходный ИК-спектр в заданном интервале разделяют на спектральный компонент, характеризующий неизбирательное поглощение в заданном интервале, и обобщенный спектральный компонент, характеризующий узкополосное и широкополосное поглощение в заданном интервале, на последующем втором этапе исходный ИК-спектр в заданном интервале разделяют на спектральный компонент, характеризующий одновременно широкополосное поглощение и неизбирательное поглощение, и спектральный компонент, характеризующий в основном узкополосное поглощение, при этом разделение исходного ИК-спектра на спектральный компонент, характеризующий одновременно широкополосное поглощение и неизбирательное поглощение, и спектральный компонент, характеризующий в основном узкополосное поглощение, на втором этапе осуществляют последовательно в несколько стадий, на каждой стадии исходный ИК-спектр разделяют на промежуточные спектральные компоненты с получением промежуточного спектрального компонента, характеризующего одновременно широкополосное поглощение и неизбирательное поглощение, и промежуточного спектрального компонента, характеризующего в основном узкополосное поглощение, разделение исходного ИК-спектра осуществляют при последовательном усилении на каждой стадии фона, контролируемом визуально по интенсивности полос поглощения в фоне, при этом усилению фона соответствует повышение интенсивности полос поглощения в фоне, последовательное разделение исходного ИК-спектра на спектральный компонент, характеризующий одновременно широкополосное поглощение и неизбирательное поглощение, и спектральный компонент, характеризующий в основном узкополосное поглощение, на втором этапе осуществляют до получения двух идентичных последовательных промежуточных спектральных компонентов, характеризующих в основном узкополосное поглощение, с одновременным получением двух соответствующих идентичных промежуточных спектральных компонентов, характеризующих одновременно широкополосное поглощение и неизбирательное поглощение, на третьем этапе спектральный компонент, характеризующий одновременно широкополосное и неизбирательное поглощение, разделяют на спектральный компонент, характеризующий неизбирательное поглощение, и спектральный компонент, характеризующий широкополосное поглощение, вывод о содержании в многокомпонентном углеродсодержащем веществе супрамолекулярных соединений делают на основании содержания в исходном ИК-спектре широкополосного спектрального компонента, отделяемого от спектрального компонента, характеризующего в основном узкополосное поглощение, на всех этапах и стадиях обеспечивают сохранение и фиксацию с возможностью визуализации всех полученных спектральных компонентов, как конечных, так и промежуточных.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что исходный ИК-спектр исследуемого многокомпонентного углеродсодержащего вещества представляют в координатах:

- ордината – поглощение,

- абсцисса – волновые числа в виде см^-1 в интервале волновых чисел от 7500 до 600 см^-1.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что осуществляют проверку достоверности путем сложения широкополосного спектрального компонента и спектрального компонента, характеризующего неизбирательное поглощение с получением контрольного неизменного спектрального компонента, включающего широкополосное и неизбирательное поглощение, полученного на втором этапе.

4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что осуществляют проверку достоверности путем сложения спектрального компонента, характеризующего узкополосное поглощение, со спектральным компонентом, включающим широкополосное и неизбирательное поглощение, с получением контрольного исходного ИК-спектра.

5. Способ по п. 1, отличающийся тем, что на третьем этапе спектральный компонент, характеризующий одновременно широкополосное и неизбирательное поглощение, разделяют на спектральный компонент, характеризующий неизбирательное поглощение, и спектральный компонент, характеризующий широкополосное поглощение при ослаблении фона, контролируемом визуально, с получением промежуточных стадий до появления в фоне неизбирательного поглощения в виде прямой линии.