Почему в ИК-спектроскопии используются таблетки из бромида калия? Ключевые преимущества для анализа твердых образцов

В инфракрасной (ИК) спектроскопии бромид калия (KBr) используется потому, что он служит идеальным твердотельным растворителем для анализируемого образца. Его основная функция — создание твердой, прозрачной матрицы, которая равномерно удерживает образец на пути ИК-луча спектрометра. KBr выбирают специально потому, что он не поглощает свет в среднеинфракрасной области, гарантируя, что полученный спектр принадлежит исключительно образцу, а не самому KBr.

Основная проблема при анализе твердых образцов с помощью ИК-спектроскопии заключается в удержании их на пути луча без вмешательства самого держателя в измерения. Таблетки из KBr решают эту проблему, создавая прозрачное «окно» в инфракрасном диапазоне, позволяя спектрометру видеть только химические связи изучаемого вещества.

Назначение матрицы образца

Инфракрасная спектроскопия измеряет колебания химических связей при поглощении ими ИК-излучения. Чтобы получить чистый и считываемый спектр твердого образца, образец необходимо правильно подготовить.

Необходимость матрицы

Для ИК-спектроскопии пропускания инфракрасный луч должен проходить сквозь образец. Если использовать кусок твердого органического соединения, он, как правило, слишком толстый и поглотит весь свет, что приведет к бесполезному, "плоскому" спектру.

Образец должен быть сильно разбавлен и равномерно диспергирован, чтобы через него проходило измеримое количество света. Матрица, такая как KBr, обеспечивает среду для этого разбавления.

Как изготавливается таблетка

Твердый образец измельчают в очень мелкий порошок с гораздо большим количеством чистого, сухого порошка KBr. Затем эту смесь помещают в пресс-форму и сжимают под огромным давлением (несколько тонн).

Под этим давлением KBr демонстрирует пластическое течение, заставляя свои кристаллические частицы сливаться в твердый, стекловидный, прозрачный диск или «таблетку», внутри которой оказываются частицы образца.

Ключевые свойства KBr

KBr — не единственный материал, который можно использовать, но сочетание его свойств делает его почти идеальным выбором для общего анализа твердых проб.

1. Инфракрасная прозрачность

Это самое важное свойство. KBr — это ионная соль, не имеющая молекулярных колебаний, поглощающих свет в стандартном среднеинфракрасном диапазоне (4000 см⁻¹ – 400 см⁻¹). Это означает, что он создает «чистый» фон, поэтому каждый пик, который вы видите в конечном спектре, можно отнести к вашему образцу.

2. Пластичность под давлением

Способность KBr деформироваться и сливаться под давлением в прозрачный диск — это уникальное физическое свойство, которое делает возможным метод таблетирования. Другие соли могут раскалываться или оставаться непрозрачными.

3. Химическая инертность

KBr — стабильная соль, которая не вступает в реакцию с подавляющим большинством органических и неорганических соединений. Это гарантирует, что вы измеряете исходный образец, а не новое соединение, образовавшееся в результате реакции внутри таблетки.

Понимание компромиссов и распространенных ловушек

Хотя KBr является отличным инструментом, он не лишен проблем. Правильная техника имеет решающее значение для того, чтобы избежать получения низкокачественного или вводящего в заблуждение спектра.

Проблема загрязнения водой

KBr является гигроскопичным, то есть он легко поглощает влагу из атмосферы. Вода имеет очень сильные, широкие ИК-поглощения в районе 3400 см⁻¹ (растяжение O-H) и 1640 см⁻¹ (изгиб H-O-H).

Если ваш KBr не идеально сухой, эти большие пики воды могут замаскировать важные пики вашего образца, особенно те, которые относятся к группам -OH или -NH. Именно поэтому KBr необходимо хранить в эксикаторе и часто прокаливать в печи перед использованием.

Неоднородное измельчение образца

Если образец не измельчен до частиц, меньших длины волны ИК-света, может произойти значительное рассеяние света. Это явление, известное как эффект Кристиансена, приводит к искаженному, наклонному базовому уровню, что затрудняет точную интерпретацию спектра.

Изменения, вызванные давлением

Для некоторых чувствительных кристаллических материалов высокое давление, используемое для формирования таблетки, может вызвать изменение полиморфной формы (кристаллической структуры) образца. Это может привести к получению спектра, который не соответствует исходному, не спрессованному материалу.

Потенциал ионного обмена

При анализе определенных солей, особенно галогенидов, таких как гидрохлориды (R-NH₃⁺Cl⁻), KBr может участвовать в ионном обмене. Бромид-ион может вытеснить хлорид-ион, создавая смесь солей внутри таблетки и давая запутанный спектр, не соответствующий чистому исходному материалу.

Когда KBr не является правильным выбором: современные альтернативы

Метод таблетирования KBr, хотя и является классическим, во многих современных лабораториях был в значительной степени вытеснен более простым методом.

Полное внутреннее отражение (ПВО)

ПВО (ATR) — это наиболее распространенный метод отбора проб, используемый сегодня. Он включает в себя размещение твердого или жидкого образца непосредственно на небольшом твердом кристалле (часто из алмаза или селенида цинка). ИК-луч пропускается через кристалл таким образом, что он взаимодействует с поверхностью образца.

ПВО практически не требует подготовки образца, является неразрушающим и не подвержен влиянию загрязнения водой так, как KBr. Он быстрее, проще и надежнее для рутинного анализа.

Муллирование в Nujol

До того как ПВО стало распространенным, основной альтернативой KBr было муллирование в Nujol. Образец измельчают с несколькими каплями минерального масла (Nujol) до получения густой пасты. Затем эту пасту распределяют между двумя солевыми пластинами (например, NaCl или KBr). Основной недостаток заключается в том, что само минеральное масло имеет пики поглощения C-H, которые всегда будут присутствовать в спектре.

Выбор правильного метода для вашей цели

Выбор правильного метода пробоподготовки имеет решающее значение для получения значимых данных с помощью вашего ИК-спектрометра.

• Если ваша основная цель — получить классический, высокоразрешающий спектр пропускания для стабильного твердого вещества: Тщательно приготовленная таблетка KBr остается золотым стандартом для данных архивного качества.
• Если ваша основная цель — скорость, простота использования и рутинный анализ: Спектроскопия ПВО (ATR) является бесспорным современным выбором как для твердых тел, так и для жидкостей.
• Если ваш образец чувствителен к давлению или может реагировать с KBr: Рассмотрите возможность использования муллирования в Nujol или, что более практично, метода ПВО.
• Если вам необходимо проанализировать тонкий полимерный лист или пленку: Часто лучше всего поместить пленку непосредственно на пути ИК-луча без какой-либо матрицы.

В конечном счете, понимание этих принципов отбора проб дает вам возможность выбрать метод, который лучше всего раскрывает истинную химическую природу вашего материала.

Сводная таблица:

Аспект	Преимущество	Что следует учитывать
Инфракрасная прозрачность	Отсутствие помех в средне-ИК диапазоне (4000–400 см⁻¹)	Гарантирует, что спектр отражает только образец
Пластичность	Сливается под давлением в прозрачный диск	Требует оборудования высокого давления
Химическая инертность	Не вступает в реакцию с большинством образцов	Позволяет избежать ионного обмена с некоторыми солями
Распространенные ловушки	—	Гигроскопичен (поглощает воду); требует сухой обработки

Нужны точные решения для ИК-спектроскопии для вашей лаборатории? KINTEK специализируется на высококачественном лабораторном оборудовании и расходных материалах, включая надежные прессы для таблеток KBr и аксессуары, адаптированные для точного анализа твердых образцов. Независимо от того, готовите ли вы классические таблетки KBr или изучаете современные методы ПВО, наша продукция обеспечивает чистые спектры без загрязнений. Свяжитесь с нами сегодня, чтобы улучшить процесс отбора проб ИК и получить надежные результаты!