ОБРАЗЕЦ ДЛЯ ИНФРАКРАСНОЙ СПЕКТРОСКОПИИ И СПОСОБ ЕГО ПРИГОТОВЛЕНИЯ
SAMPLE FOR INFRARED SPECTROSCOPY AND METHOD OF PREPARING SAID SAMPLE

Изобретение относится к области прикладной инфракрасной (ИК) спектроскопии и может быть использовано при оптических исследованиях порошкообразных материалов, преимущественно сильно поглощающих, в частности, таких как нанографит и другие углеродные наноматериалы.
Известен способ анализа порошков (1), в котором образцы для спектрофотометрических измерений (спектров пропускания света) приготавливаются путем прессования таблеток из порций смеси фармацевтических ингредиентов, взятых из разных мест емкости, в которой готовится эта смесь. Преимуществом данного способа является простота приготовления образцов для анализа при обеспечении качественного контроля состава получаемых медицинских препаратов, не требующего чрезмерных затрат и привлечения высококвалифицированного персонала. Однако этот способ не подходит для анализа сильно поглощающих веществ, например, углеродных наноматериалов. Спрессованная из такого материала таблетка не пригодна в качестве образца для измерений спектров пропускания, так как она практически непрозрачна из-за сильного поглощения света.
Известен также способ приготовления образцов твердых веществ, которые не растворимы в обычных растворителях для ИК спектроскопии (2), заключающийся в приготовлении суспензии порошка исследуемого вещества в вазелиновом масле путем растирания в агатовой ступке до размеров частиц меньше длины волны ИК излучения. Приготовленную полупрозрачную пасту помещают на солевое окно и раздавливают вторым окном. Спектры пропускания образцов, получаемых таким способом, содержат мешающие полосы поглощения вазелинового масла, обусловленные валентными и деформационными колебаниями СН-связей. Кроме того, получаемый спектр может искажаться из-за некачественного растирания вещества, а также эффекта Христиансена, обусловленного большими изменениями показателя преломления образца в окрестности полосы поглощения.
Наиболее близкими к предлагаемому изобретению образцами для спектрального анализа являются образцы, которые получают методом прессования таблеток с KBr (3). Этот метод заключается в тщательном перемешивании тонкоизмельченного образца с порошком KBr (или другим галогенидом щелочного металла) с последующим прессованием смеси в пресс-форме, в результате чего получается прозрачная или полупрозрачная таблетка.
Образцы для анализа, получаемые этим методом обладают рядом преимуществ по сравнению с суспензией исследуемого вещества в вазелиновом масле: 1) отсутствуют мешающие полосы поглощения света вазелиновым маслом (KBr прозрачен в широком спектральном диапазоне), 2) возможность контроля концентрации образца, 3) удобство хранения образцов. Однако имеются и существенные недостатки. В частности, спектры образцов твердых веществ, обладающих полиморфизмом, могут различаться в зависимости от степени размола и величины давления при прессовании. В спектрах из-за адсорбции атмосферной влаги в ходе приготовления образцов, как правило, появляются мешающие полосы поглощения воды вследствие того, что KBr гигроскопичен. Для сильно поглощающего материала получаемые этим методом образцы имеют еще один недостаток, связанный с тем, что концентрация сильно поглощающего вещества, необходимая для измерений, весьма мала. Это увеличивает трудоемкость получения качественных образцов с нужной концентрацией исследуемого материала с равномерно распределенным в матрице KBr малым количеством исследуемого материала. Кроме того, из-за распределения частиц исследуемого вещества по объему таблетки в некоторых местах свет от источника ИК излучения может либо перекрываться несколькими частицами, располагающимися на пути света в образце друг за другом, либо в других местах образца на пути света может не быть частиц вообще. Это приводит к искажениям спектра по сравнению с более предпочтительным случаем, когда на пути от источника ИК излучения через исследуемый образец в любом его месте свет проходил бы через примерно постоянное количество анализируемого вещества. Это может быть обеспечено, например, если сформировать в образце слой анализируемого вещества малой толщины, обеспечивающей необходимый уровень пропускания света для получения качественного спектра.
Техническим результатом, который обеспечивает изобретение и направлен на получение образца для спектрального анализа, является формирование в образце слоя анализируемого вещества малой толщины, обеспечивающей необходимый уровень пропускания света для получения качественного спектра.
Указанный технический результат достигается тем, что образец для инфракрасной спектроскопии, состоящий из исследуемого материала и галогенида щелочного металла, отличается тем, что галогенид щелочного металла представляет собой пластину с плоскопараллельными гранями, одна из которых шлифована абразивом с размерами зерна не менее 1 и не более 100 мкм, а исследуемый материал, нанесенный на шлифованную грань пластины в виде тонкоизмельченного порошка, заполняющего углубления, имеет толщину, необходимую для получения качественного спектра сильно поглощающего вещества.
В отношении изобретения, относящегося к способу приготовления образца для спектрального анализа, используются те же аналоги и прототип, сведения о которых приведены выше. По известному из (1) способу приготовления образцов практически невозможно из сильно поглощающего материала получить целостный образец достаточно малой толщины, которая обеспечивала бы нужный для измерений уровень пропускания света. Недостатком способа, известного из второго аналога (2), является влияние на получаемые спектры пропускания качества растирания исследуемого вещества и наличие мешающих полос поглощения вазелинового масла. По способу, известному из прототипа (3), возможно приготовление образца, обеспечивающего нужный для измерений уровень пропускания света, однако трудоемкость его получения велика из-за затрат, связанных с подбором необходимой концентрации исследуемого материала с высоким коэффициентом поглощения света, а также из-за неравномерности распределения его малых количеств в матрице KBr.
Изобретение, относящееся к способу приготовления образца для спектрального анализа, решает задачу создания способа приготовления образцов, обеспечивающего возможность получения качественных спектров пропускания сильно поглощающих материалов, без больших трудозатрат, требующихся на подготовку образцов при использовании известных методов.
Техническим результатом изобретения, относящегося к способу приготовления образца для спектрального анализа, является формирование слоя анализируемого вещества, обеспечивающего необходимый уровень пропускания света для получения качественного спектра.
Указанный технический результат достигается тем, что способ приготовления образца для ИК спектроскопии включает получение пластины с плоскопараллельными гранями из галогенида щелочного металла, шлифование одной из граней пластины абразивом с размерами зерна не менее 1 и не более 100 мкм и равномерное нанесение на пластину тонко измельченного исследуемого вещества его растиранием по шлифованной поверхности.
Предлагаемое изобретение иллюстрируется на фиг.1-2.
На фиг.1 схематично показаны два образца для спектрального анализа, отличающиеся размером шероховатостей на шлифованной грани пластины.
На фиг.2 приводятся ИК спектры пропускания образца из многослойных углеродных нанотрубок, нанесенных на пластину KBr, шлифованную алмазной шкуркой со средними размерами зерна 8 мкм (верхний спектр) и 80 мкм (нижний спектр).
Пластина 1 с плоскопараллельными гранями может быть получена, например, путем ее откалывания от монокристалла KBr или другого галогенида щелочного металла. Одну из граней полученной пластины шлифуют, например, алмазной или корундовой абразивной шкуркой. При шлифовке более мелким абразивом на поверхность пластины наносятся углубления малой глубины (верхний образец на фиг.1), а при шлифовке абразивом с более крупным зерном образуются крупные углубления (нижний образец). Исследуемое вещество в виде порошка, состоящего из аггломератов углеродных нанотрубок, растирают по шлифованной поверхности пластины 1, в результате чего оно заполняет углубления, нанесенные зернами абразива, и образует по всей шлифованной грани пластины слой материала 2 со средней толщиной, пропорциональной размеру зерна абразива. Если исследуемое вещество представляет собой тонкодисперсный материал с размерами частиц менее микрометра (например, наноматериал), то его можно наносить на шлифованную грань пластины без предварительной подготовки. В иных случаях вещество для спектрального анализа тонко измельчают, например, тщательным растиранием в агатовой ступке или размолом в шаровой мельнице. Полученный после нанесения исследуемого вещества на шлифованную грань пластины образец далее помещается в спектрометр для измерения спектра пропускания.
-1
Наши эксперименты с пластинами KBr, шлифованными абразивами с размерами зерна от единицы до сотни микрон, показали, что при растирании на таких пластинах порошка из углеродного материала (нанографит, нанотрубки) можно получить слой анализируемого материала с оптимальной толщиной, которая обеспечивает необходимый для получения качественного спектра уровень пропускания света. Нижняя граница размеров зерна абразива порядка одного микрона обусловлена тем, что на поверхности, шлифованной абразивами с меньшими размерами зерна, толщина слоя вещества мала для анализа из-за слишком малой шероховатости получаемой поверхности. Шлифовка пластины KBr грубым абразивом с размерами зерна более сотни микрон приводит к большим сколам и другим повреждениям поверхности, что не позволяет получить на ней равномерного слоя вещества для анализа. Для более поглощающих материалов оптимальная толщина обеспечивается на пластинах, шлифованных мелким абразивом с размерами зерна вблизи указанной нижней границы. Для менее поглощающих материалов оптимальная толщина больше и обеспечивается использованием для приготовления образцов пластин, шлифованных более крупным абразивом. Опыт также показал, что в получаемых спектрах отсутствуют мешающие линии поглощения, в частности полосы поглощения адсорбированной воды в областях 1640 и 3450 см, которые, как правило, присутствуют в спектрах, получаемых методом прессования таблеток из смеси порошка KBr и исследуемого вещества.
Пример 1
Для получения спектра пропускания образца углеродных нанотрубок была подготовлена пластина размерами 10×15×1,5 мм путем откалывания от массивного монокристалла KBr. Затем пластину шлифовали алмазной шкуркой с размером зерна 8 мкм. Исследуемый материал в виде порошка был нанесен на пластину путем растирания по шлифованной поверхности. Получился тонкий полупрозрачный слой, позволивший получить ИК спектр пропускания, представленный на фиг.2, кривая 1.
Пример 2
Для получения спектра пропускания образца углеродных нанотрубок была подготовлена пластина размерами 10×15×1,5 мм путем откалывания от массивного монокристалла KBr. Затем пластину шлифовали алмазной шкуркой с размером зерна 80 мкм. Исследуемый материал в виде порошка был нанесен на пластину путем растирания по шлифованной поверхности. Получился более толстый по сравнению с первым примером слой, позволивший получить ИК спектр пропускания, представленный на фиг.2, кривая 2.
-1
-1
-1
На фиг.2 видно, что в полученных спектрах пропускания отчетливо видны характерные полосы поглощения углеродных материалов 1580 см,1250 см, 880 см, обусловленные колебаниями атомов углерода. Также видно, что для образца, который был отшлифован более крупным абразивом, полосы поглощения более интенсивны из-за большей средней толщины слоя анализируемого материала. В спектрах отсутствуют полосы поглощения воды, что также хорошо заметно на фиг.2.
Как показал наш опыт работы с сильно поглощающими материалами, например, углеродными нанотрубками, с использованием традиционного метода прессования таблеток из смеси исследуемого материала с порошком KBr, для получения качественного спектра пропускания приходится затрачивать много усилий для подбора подходящей концентрации вещества в смеси для прессования. Также в получаемых спектрах присутствуют линии поглощения адсорбированной атмосферной влаги. В отличие от этого трудоемкого метода предлагаемый способ подготовки образцов устраняет указанные недостатки. Набор шлифованных пластин KBr, обработанных абразивами с зерном различного размера позволяет быстро и просто получать образцы для измерения ИК спектров пропускания света сильно поглощающими материалами.
Таким образом, настоящее изобретение обеспечивает простой и эффективный способ приготовления образцов для измерения ИК спектров пропускания света сильно поглощающими материалами.
Источники информации
1. Патент США №6362891 кл. G01N 1/36, G01N 21/35, опубл. 2002 г.
2. Смит А. Прикладная ИК-спектроскопия: Пер. с англ. - М.: Мир. 1982. С.89-93.
3. Смит А. Прикладная ИК-спектроскопия: Пер. с англ. - М.: Мир. 1982. С.93-95.