Б.Н. Тарасевич - Основы ИК спектроскопии с преобразованием Фурье. Подготовка проб в ИК спектроскопии (1161694), страница 2

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 2)

В СССР первый ИК спектрометр с преобразованием Фурье ИТ-69 был создан в 1965 г.Фурье-спектрометр высокого разрешения для видимой области появился в 1976 году. Развитие технологииизготовления оптических элементов, совершенствование вычислительной техники и эволюция регистрирующих системопределяют дальнейшее развитие спектрометров данного типа.Принципиальная схема интерферометра Майкельсона показана на рис.1.

Ниже краткоописана его работа.Свет,идущийотисточникаизлучения1(I0),разделяетсяполупрозрачнымплоскопараллельным зеркалом – светоделителем 2 на два когерентных пучка. Материалы, изкоторых изготавливают светоделитель (и компенсирующую пластинку 5), подбирают взависимости от исследуемой области спектра. Один пучок направляется к неподвижному плоскомузеркалу 3 и отражается от него на светоделитель, другой идет к плоскому зеркалу 4 и такжевозвращается, на светоделителе они соединяются. Эти два когерентных пучка интерферируютмежду собой, в результате чего они могут либо усиливать, либо ослаблять друг друга в зависимостиот разности хода между ними. В фокальной плоскости объектива возникают интерференционныеполосы, которые можно наблюдать визуально или регистрировать каким-либо способом (детектор7).

Зеркало 4 совершает возвратно-поступательное перемещение вдоль луча. Смещение этогозеркала происходит относительно нулевого положения, в котором оптическая разность хода вплечах интерферометра равна нулю. Наибольшие смещения зеркала составляют lm. При смещенииподвижного зеркала 4 на четверть длины волны светлые полосы в интерферограмме заменяются натемные и наоборот.Детектор 7 регистрирует интерферограмму  зависимость интенсивности выходящего изинтерферометра светового потока от оптической разности хода, которая может быть различной –Б.Н.Тарасевич, «Основы ИК спектроскопии с преобразованием Фурье».стр. 5 из 22от сантиметров до метров. В интерферограмме содержится полная информация о спектральномсоставе излучения, идущего от источника.Интерферограмма является результатом рабочего цикла интерферометра  сканирования(“скана”) по оси l от 0 до lm  одностороннее сканирование, или от  lm до + lm  двухстороннеесканирование.

По мере движения зеркала 4 на приемник попадает световой пучок, интенсивностьРис. 1. Схема интерферометра Майкельсона.1.2.3.4.Источник ИК-излучения,Светоделитель,Неподвижное зеркало,Подвижное зеркало,5. Компенсатор,6. Проба исследуемого вещества,7. Детектор ИК-излучения.которого в случае монохроматического источника меняется по косинусоидальному закону.

Если –I(x) интенсивность света, попадающего на приемник, х – смещение зеркала 4 в сантиметрах, В() –интенсивность источника как функция волнового числа  в см-1, то интенсивность сигнала длямонохроматического источника  изменяется по закону:I(x) = B()cos(2x).В случае “классического” сканирующего спектрометра спектр будет состоять из единственнойполосы с максимумом  (Рис.2).стр. 6 из 22Б.Н.Тарасевич, «Основы ИК спектроскопии с преобразованием Фурье».Рис.2. Сравнение сигналов, получаемых с помощью сканирующего спектрометра иинтерферометра.В классическом спектрометре (рис.2, слева внизу), в процессе сканирования измеряется интенсивность наотдельных волновых числах (ось абсцисс) последовательно во времени. Сканирование – это непрерывноепоэлементное просматривание пространства, объекта или, как в данном случае, интервала волновых чисел.

Суммавкладов от всех волновых чисел (длин волн) образует спектр. В интерферометре (справа) сумма колебаний (со своимиамплитудами), соответствующая всем волновым числам, представленная внизу справа, образует интерферограмму.Если в источник излучения добавить вторую частоту , то результирующая зависимость вкоординатах “положение зеркала – интенсивность” будет представляться в виде суммы двухкосинусоидальных волн:I(x) = B()cos(2x) + B()cos(2x).Если добавлять третью, четвертую и т.

д. до бесконечного числа частот (т. е. рассматриватьполихроматические источники, какими являются лампа накаливания или тепловой источник глобар, то в приемнике возникает сигнал от суммы косинусоидальных волн – интерферограмма (1):I ( x)  B( ) cos(2x )d(1)Реальная интерферограмма типичного спектра, показана на рис.3. В интерферограмме взакодированном виде содержится вся спектральная информация о попадающем в интерферометризлучении.Максимальная амплитуда интерферограммы соответствует одинаковому удалению обоих зеркал отсветоделительной пластинки.

В этой точке колебания с частотами для всех длин волн находятся в фазе и взаимноусиливают друг друга, образуя наиболее интенсивную полосу интерференции. Это место на интерферограмменазывается положением нулевого порядка интерференции, или же положением стационарной фазы колебании ( рис.3).Б.Н.Тарасевич, «Основы ИК спектроскопии с преобразованием Фурье».стр. 7 из 22Рис.3.

Типичная интерферограмма.На практике идеального полихроматического источника излучения не существует, так какимеется собственный спектр излучения материала, из которого изготовлен источник. Это приводитк появлению в области крыльев интерферограммы источника дополнительных затухающихколебаний.Для получения спектра излучения источника нужно выражение (1) подвергнутьпреобразованию Фурье по косинусам.

Восстановленный спектр описывается уравнениемследующего вида (2):B( )  I ( x) cos(2x )dx( 2)Уравнения (1) и (2) определяют взаимосвязь между интерферограммой и спектром.Если в один из каналов интерферометра помещена поглощающая проба 6 (рис. 1), тоиспользуются сходные рассуждения. При этом из полихроматического излучения источникавычитается ряд волновых чисел, соответстваующих полосам поглощения пробы. Результирующаяинтерферограмма пробы образуется всеми волновыми числами, за исключением тех, чтопоглощены.Превращение интерферограммы в спектр, требует большого объема вычислительной работы.

Например, чтобыполучить спектр в стандартной области 400 – 4000 см-1 c разрешением 1 см-1 требуется произвести вычисления для 3600точек. При этом необходимо произвести 2Р2 математических операций, где Р – число точек, т.е. около 26х106 операций.Преобразование интерферограммы в спектр производится на ЭВМ с использованием специального алгоритма быстрогоФурье - преобразования Кули и Тьюки (1965 г.). Число операций при вычислениях по этому алгоритму равно 3Plog2P,что для рассмотренного примера составит 12760, т.е. время вычислений сокращается примерно в 200 раз. Для расчетаспектра в том же интервале с более высоким разрешением 0,5 см -1 время вычислений при использовании указанногоалгоритма сокращается уже в 700 раз.стр. 8 из 22Б.Н.Тарасевич, «Основы ИК спектроскопии с преобразованием Фурье».ПреобразованияФурьепредставляютсобойвзаимнообратныеинтегральныепреобразования. В этом смысле можно сказать, что спектр есть Фурье - образ интерферограммы покосинусам, а интерферограмма есть Фурье - образ спектра по косинусам.Регистрация спектров.Для получения спектра пробы необходимо зарегистрировать при одинаковых условияхэталонную интерферограмму (сравнение) Bref() и интерферограмму с пробой Bsample(), отношениеих Фурье-образов даст спектр пропускания (Т) пробы:TBsample (v)Bref (v)Регистрируемый в отсутствие пробы спектр называется эталонным или спектром сравнения(reference) (рис.4, 1-верхний).

Здесь необходимо обратить внимание на то, что Фурье – спектрометрявляется однолучевым прибором. По этой причине спектр сравнения представляет собой спектризлучения теплового источника, на который наложен спектр поглощения паров атмосферной воды(~3700, 1500-1700 см-1), углекислого газа (~2350 см-1) и других веществ, возможно находящихся ватмосфере. Те же полосы регистрируются и в спектре пробы - полистирола (рис.4, 2-средний),однако, при делении одного спектра на другой в результирующем спектре остаётся толькопоглощение пробы (рис.4, 3-нижний), представляющее в данном случаеРис.4.1 – эталонный(референтный)спектр,2 - спектр пробы,3 - спектрпропусканияпробы.обычный спектр поглощения полистирола. Можно также получить спектр поглощения пробы встр.

9 из 22Б.Н.Тарасевич, «Основы ИК спектроскопии с преобразованием Фурье».координатах оптическая плотность (absorbance) – волновое число, что важно при проведенииколичественных измерений. Для выполнения указанных преобразований разработано стандартноепрограммное обеспечение.Первые спектры (в далекой инфракрасной области) с использованием Фурье - преобразованияинтерферограммы получили Рубенс и Вуд еще в 1910 г. Вначале метод применялся при решении астрономическихзадач, так как именно здесь приходится иметь дело со слабыми источниками, исследование спектров которыхпредставляет несомненный интерес даже при низком разрешении.

Стронг и его сотрудники применилиФурье-спектроскопию для измерения спектра излучения Солнца в области от 300 до 1000 мкм с пределом разрешения0,2 см-1 и точно установили положение окон прозрачности земной атмосферы.В настоящее время производятся Фурье – спектрометры с быстрым сканированием, точноеположение оптических узлов (скорость перемещения, положение подвижного зеркала и оптическаяразность хода) контролируется в них с помощью гелий-неонового лазера (632,8 нм), а применениесовременных технологий позволило их сделать компактными и сравнительно дешевыми.Возможности этих приборов гораздо шире, чем возможности “классических” приборов.Некоторые особенности и преимущества спектроскопиис преобразованием Фурье.В классических спектрофотометрах регистрация спектра производится во времени припоследовательном движении выходящего из монохроматора спектра по выходной щели. Этотпроцесс называется сканированием по волновым числам.

Характеристики

Список файлов книги