Инфракрасная спектроскопия

Инфракра́сная спектроскопи́я (ИК-спектроскопия), область оптической спектроскопии, включающая получение, исследование и применение спектров испускания, спектров поглощения и спектров отражения в ИК-диапазоне длин волн. Инфракрасная спектроскопия занимается в основном изучением молекулярных спектров (в ИК-области расположено большинство колебательных и вращательных спектров молекул), а также спектров кристаллов.

Чаще других исследуют ИК-спектры поглощения. ИК-излучение сплошного спектра пропускают через исследуемый образец, в котором происходит поглощение излучения на частотах, совпадающих с колебательными или вращательными частотами молекул (или частотами колебаний атомов кристаллической структуры) образца. Интенсивность излучения на этих частотах падает – образуются полосы поглощения. Связь между интенсивностью $I_0$ падающего и интенсивностью $I$ прошедшего через вещество излучений и величинами, характеризующими вещество, определяется законом Бугера – Ламберта – Бера. Обычно ИК-спектр поглощения представляют графически как зависимость от частоты $ν$ (или длины волны $λ$) некоторых величин, характеризующих исследуемое вещество: коэффициента пропускания $T(ν )=I(ν )/I_0(ν )$; коэффициента поглощения $A(ν )= 1-T(ν )$; оптической плотности $D(ν )= ln[1/T(ν )]=χ (ν )cl$, где $χ(ν)$ – показатель поглощения, $c$ – концентрация поглощающих излучение частиц, $l$ – толщина поглощающего слоя вещества. Поскольку оптическая плотность вещества пропорциональна показателю поглощения и концентрации поглощающих излучение частиц, её зависимость от $ν$ (или $λ$ ) обычно применяется для количественного спектрального анализа. Исследование ИК-спектров твёрдых, жидких и газообразных образцов обычно осуществляют с помощью различных ИК-спектрометров.

Число полос поглощения в ИК-спектре, их положение, ширина и контур, величина поглощения определяются структурой и химическим составом вещества, поглощающего излучение, зависят от его агрегатного состояния, температуры, давления и других параметров. ИК-спектры газообразных веществ при низких давлениях имеют характерную колебательно-вращательную структуру с большим числом узких вращательных линий. В спектрах жидкостей колебательно-вращательные полосы сливаются в широкие, практически бесструктурные полосы. Ширины полос в ИК-спектрах кристаллов несколько меньше, чем у жидкостей, что обусловлено упорядоченным расположением частиц в кристаллической решётке. ИК-спектры поглощения сложных молекул состоят из большого числа полос (часто перекрывающихся) различной интенсивности, что существенно затрудняет их анализ. Однако полосы поглощения функциональных групп химических соединений имеют близкие частоты независимо от того, в состав каких молекул они входят.

Исследование колебательно-вращательных спектров (расположенных в основном в области 2,5–50 мкм) и чисто вращательных спектров (в области 50–1000 мкм) молекул позволяет определять их структуру, моменты инерции, дипольные моменты, силы межатомного взаимодействия в молекуле, вращательные постоянные и т. п. Однозначность связи между составом и строением молекулы и её ИК-спектром – основа качественного и количественного молекулярного спектрального анализа. Изменения параметров ИК-спектров (смещение полос поглощения, изменение их ширины, контура, величины поглощения), происходящие при переходе вещества из одного агрегатного состояния в другое, при его растворении, изменении температуры, давления, несут информацию о величине и характере межмолекулярных взаимодействий.

Инфракрасную спектроскопию применяют в материаловедении для изучения и контроля структуры полупроводников, полимеров, биополимеров, а также в исследованиях биологических объектов, в том числе непосредственно живых клеток. Быстродействующие спектрометры позволяют получать спектры поглощения за доли секунды и используются при изучении быстропротекающих химических реакций. Применение специальных зеркальных микроприставок даёт возможность получать спектры поглощения очень малых количеств вещества, что важно для применения инфракрасной спектроскопии в медицине, биологии, минералогии.

Инфракрасная спектроскопия играет важную роль в квантовой электронике. Знание точных спектральных характеристик вещества необходимо для создания новых типов ИК-лазеров, в которых это вещество будет использоваться в качестве рабочего. Применение же в инфракрасной спектроскопии в качестве источников излучения ИК-лазеров с перестраиваемой частотой даёт возможность получать спектры с очень высоким разрешением (см. Лазерная спектроскопия). Мощные импульсные ИК-лазеры с нано-, пико- и фемтосекундными импульсами позволяют не только изучать быстропротекающие процессы, но и направленно изменять свойства вещества (см. Фемто- и пикосекундная спектроскопия).