Fourier spektroszkópia
Az oldal jelenlegi verzióját még nem ellenőrizték tapasztalt hozzászólók, és jelentősen eltérhet a 2015. november 3-án felülvizsgált verziótól ; az ellenőrzések 7 szerkesztést igényelnek .A Fourier-transzformációs spektroszkópia ( eng. Fourier-transzformációs spektroszkópia ) különböző természetű spektrumok (optikai, NMR , EPR stb.) mérésére szolgáló módszerek összessége, amelyben a spektrumot nem a jel intenzitásából számítják, mint pl. , prizmaspektroszkópokban, de az időben (NMR, EPR, tömegspektroszkópia) vagy térbeli tartományban (optikai spektroszkópoknál) adott válaszból.
A térbeli Fourier-spektroszkópiai módszerek kényelmesek, és gyakran használják az optikai spektroszkópiában , az infravörös spektroszkópiában ( FTIR , FT-NIRS).
NMR-spektroszkópiában [1] [2] , tömegspektrometriában és EPR -spektrometriában is használják .
A Fourier-spektroszkópia kifejezés hangsúlyozza, hogy a spektroszkóp időbeli vagy térbeli válaszából spektrumot nyerni Fourier-transzformációra van szükség . A spektrum Fourier-transzformációval történő rekonstrukciója nagy számítási teljesítményt igényel, és számítógéppel történik.
Az optikai Fourier-spektrométerekben interferométereket használnak, amelyekben a vizsgált sugárzás két nyalábjának interferogramját mérik ezeknek a nyaláboknak az optikai útkülönbségével. Az interferencia mérésénél spektrum megszerzéséhez a sugarak útkülönbségét zökkenőmentesen változtatjuk, általában egy mozgatható tükör segítségével. Amikor az interferencia hatására megváltozik a sugarak útjában a különbség, megváltozik a fotodetektor jelének intenzitása. A kísérletben a fotodetektor jelét a mozgatható tükör koordinátáitól függően rögzítjük. Ezen adatok tömbje a spektrum Fourier-transzformációja a sugárút-különbség függvényében (a sugárzási energia frekvenciaeloszlási függvénye) a Khinchin-Kolmogorov-tétel szerint .
A sugárzási spektrum mérése
A spektroszkópia egyik fő feladata a fényforrásból származó sugárzás spektrumának vizsgálata - a sugárzás intenzitásának meghatározása a hullámhossz függvényében. Az emissziós spektrum mérésének hagyományos módszere a fénysugarak hullámhossztól függő szögdiszperziója prizmaspektrográfok vagy diffrakciós rácsok segítségével .
Monokromátorok is használatosak , - szűk spektrális tartományt kiemelő eszközök, monokromátorokban pedig a monokromátor által kibocsátott tartomány hullámhossza hangolható. A monokromátor kimenetére egy fotodetektor van felszerelve. Így a teljes sugárzási tartományt monokromátorral letapogatva spektrumot kapunk.
A Fourier-spektroszkópiában sem prizmát, sem diffrakciós rácsot, sem monokromátort nem használnak. A spektrumot a fotodetektor jel intenzitásának rögzített adataiból a zavaró sugarak útkülönbségétől függően rekonstruálják (mozgótükör-koordináták), és a spektrumot a térbeli Fourier-transzformáció segítségével hullámhosszonként rekonstruálják. . [3]
Az abszorpciós spektrum mérése
A Fourier-spektroszkópiát különböző anyagok abszorpciós spektrumainak (abszorpciós spektroszkópiájának) mérésére is használják. A szerves anyagok infravörös abszorpciós spektrumai lehetővé teszik bizonyos funkciós csoportok jelenlétének megítélését egy anyagmolekulában, és széles körben használják a szerves kémiában (lásd Infravörös spektroszkópia , angol FTIR Spectroscopy ).
Az abszorpciós spektroszkópia a fehér fény abszorpcióját méri a mintában. A fehér fény minden hullámhosszú sugárzás keveréke. A mintán való áthaladás után bizonyos hullámhosszú sugárzást bizonyos fokig elnyel. A mintán áthaladó fehér fény spektrumának mérésével abszorpciós spektrumot kapunk. Az izzólámpák megközelítőleg fehér fényt bocsátanak ki. Az abszorpciós spektrum pontos mérése érdekében a spektrográfot előkalibrálják minta nélkül. Ez annak a ténynek köszönhető, hogy egyrészt a fehér fényforrás eltérő intenzitású különböző hullámhosszakon (körülbelül a feketetest-sugárzáshoz ) , másrészt a fotodetektor eltérő érzékenységgel rendelkezik a különböző hullámhosszokra ( spektrális érzékenység ), harmadszor, az optikai rendszer elemei. (lencsék, sugárosztó elemek) nem egészen „színtelenek”, és spektrális torzulást is okoznak. A minta abszorpciós spektrumának mérése után, magának a spektrográfnak a spektrális torzulásainak jellemzőinek ismeretében lehetőség van a kapott spektrum korrekciójára, hogy megkapjuk a valódi abszorpciós spektrumot.
Fourier-spektroszkópia Michelson interferométerrel
A Fourier-spektrométer egy Michelson-interferométer , amelyet további eszközökkel, különösen mozgatható tükörrel és egyéb szervizfunkciókkal módosítottak , Michelson találta ki, és klasszikus kísérletekben használta Michelson-Morley „éteri szelének” (1880-as évek) kimutatására.
A forrásból származó fényt (az emissziós spektrum mérésekor) vagy a forrásból származó fehér fényt, amely áthaladt a mintán (az abszorpciós spektrum mérésekor) a lemez félig átlátszó sugárosztó tükre segítségével két merőleges sugárnyalábra osztják. Az egyik sugár egy rögzített, a második egy mozgatható tükörről verődik vissza. A mozgatható tükör mozgatása lehetővé teszi a gerendák sugarainak útja közötti különbség megváltoztatását. Ugyanaz a sugárosztó tükör kapcsolja össze ezt a két sugarat, és egy fotodetektorhoz irányítja, ahol a nyaláb interferál. A csillapítás vagy az intenzitás fokozásának mértéke a különböző hullámhosszoknál a sugarak útjában lévő különbségtől függ a nyalábokban.
A mozgatható tükör mozgásának pontos mérése érdekében a modern Fourier-spektrográfokat referencia optikai csatornával látják el. Ebben a csatornában a fénysugarat egy erősen kromatikus és hullámhossz-stabil fényforrásból, jellemzően hélium-neon lézerből nyerik . Olcsóbb modellekben - félvezető lézerből . A referencianyaláb interferogramját egy segédfotodetektor segítségével kapjuk meg. A segédtükrök vagy a távolsági fényszórón kívül, vagy a távolsági fényen belül vannak elhelyezve, amint az az ábrán látható. A kiegészítő tükrök kicsik, ezért a távolsági fény elenyésző részét fedik le.
A segédnyaláb interferogramja egy szinuszos hullám, amelynek periódusa megegyezik a referencia nyaláb hullámhosszának felével. Mivel a lézer koherencia-hossza eléri a több tíz centimétert, a referencianyaláb interferogramja nagyon nagy sugárút-különbségek esetén megmarad.
A modern Fourier spektrométerek olyan számítógépekkel vannak felszerelve, amelyek automatikusan vezérlik az interferogram rögzítését, kalibrálását, az interferogram Fourier transzformációjának feldolgozását és egyéb kényelmi funkciókat.
Az optikai Fourier-spektrográf működésének elmélete
A detektor fényintenzitása az interferométer útkülönbségétől és a hullámhossztól függően [ 4 ] :
,
![I(p,{\tilde {\nu )))=I({\tilde {\nu )))[1+\cos(2\pi {\tilde {\nu }}p)]](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/a2a58c3c83a8a10b18cac4a565bfec510655bae8)
hol van a meghatározott spektrum.
Teljes fényintenzitás az érzékelőnél mindenre :
![I(p)=(p,\int _{0}^{\infty }I(p,{\tilde {\nu }})d{\tilde {\nu }})=(p,\int _{ 0}^{\infty }I({\tilde {\nu )))[1+\cos(2\pi {\tilde {\nu }}p)]d{\tilde {\nu }}).](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/0e94e63fcac30fe1feda5a6dace80e2805ce9199)
Így a Fourier-transzformáció segítségével a spektrumot a mérés határozza meg :
![I({\tilde {\nu )))=4\int _{0}^{\infty }[I(p)-{\tfrac {1}{2}}I(p=0)]\cos( 2\pi {\tilde {\nu }}p)dp.](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/14373cec606cc49922fe31db01b4f0fb2339105e)
Impulzusos Fourier spektrométerek
Az impulzusos Fourier-spektrométerek mikroszkopikus oszcillátorok ütési gerjesztését használják a mintában (hidrogénmagok az NMR-ben vagy páratlan elektronok az EPR-ben).
Népszerű egy ilyen példán leírni munkájuk elvét. Ha egyszerre több zongorabillentyűt üt meg, és felvesz egy hangfelvételt, akkor a fonogram inverz Fourier-transzformációval történő feldolgozása után meghatározhatja, hogy mely billentyűket és milyen erővel nyomták le, vagyis megkapja a hangjel spektrumát.
Az ilyen spektrométereket a mágneses spektroszkópiában (EPR, NMR [2] ), az erős mágneses térbe helyezett mintára ható nagy teljesítményű rádiófrekvenciás impulzusokat sokkhatásként alkalmazzák.
A tömegspektrometriában az ütközés a töltött részecskék elhelyezése a ciklotron keresztezett elektromos és mágneses mezőjében .
A Fourier-spektroszkópia előnyei
A Fourier-spektroszkópia egyik legfontosabb előnyét Peter Fellgett írta le 1949-es disszertációjában [5] . A Felgett előnye, hogy míg a hagyományos spektrummérésnél (pl. pásztázó monokromátorban ) a mérési zajt elsősorban a detektorzaj határozza meg , addig a Fourier-spektrométerben akkumulációval lehet csökkenteni a zajt, és ezáltal javítani a jelátvitelt. -zajarány , amely arányos m négyzetgyökével az interferogram leolvasásainak számával [6] .
Ha azonban a detektor zaját a felvételi zaj uralja (amelynek spektrális sűrűsége egyenletes a spektrumban), akkor a széles sávú Fourier-spektroszkópia erősítését pontosan ellensúlyozza a széles spektrális sávban tapasztalható zajnövekedés. Ennek oka az a tény, hogy a Fourier-spektroszkópia sokkal kevésbé alkalmazható az optikai sugárzás látható és ultraibolya tartományában végzett mérésekre [7] .
Nagy technológiai összetettségük ellenére a hagyományos spektrométerekhez képest a precíziós mechanika miatt a Fourier-spektrométerek számos egyéb előnnyel is rendelkeznek, többek között:
- Lehetőség a teljes spektrum egyidejű regisztrálására.
- Közvetlen hullámhosszmérés.
- Nem igényelnek keskeny rések használatát a felbontás növeléséhez, mint a prizma- és diffrakciós spektrográfoknál, ami növeli a fényerőt, és lehetővé teszi – egyéb feltételek mellett – gyenge fényforrások spektrumának mérését.
Különösen elterjedtek az infravörös Fourier-spektrométerek, amelyeket a sugárzás infravörös tartományában lévő különféle anyagok rezgésspektrumának gyors megszerzésére terveztek. Az NMR spektroszkópia mellett az IR spektrumok is lehetővé teszik a vizsgált anyag kémiai szerkezetének megállapítását.
Jegyzetek
- ↑ Antoine Abraham. 1968. A mágneses magrezonancia alapelvei. , Cambridge University Press: Cambridge, Egyesült Királyság.
- ↑ 1 2 NMR for Dummies, avagy tíz alapvető tény a mágneses magrezonanciáról Archív másolat , 2015. április 19., a Wayback Machine -nél // Troitsky Variant No. 9(128), 2013. május 7. - 2. Fourier-spektroszkópia
- ↑ Tarasevics B.N. Az infravörös spektroszkópia alapjai Fourier-transzformációval. Mintaelőkészítés IR spektroszkópiával.
- ↑ Peter Atkins, Julio De Paula. 2006. Fizikai kémia , 8. kiadás. Oxford University Press: Oxford, Egyesült Királyság.
- ↑ PB Fellgett. Az infravörös érzékenység elmélete és alkalmazása a közeli infravörös csillagsugárzás vizsgálatára : folyóirat . – 1949.
- ↑ PB Fellgett. A sugárzásérzékelők végső érzékenységéről és gyakorlati teljesítményéről (angol) // J. Opt. szoc. Am. : folyóirat. - OSA, 1949. - 1. évf. 39 . - P. 970-976 . - Iránykód .
- ↑ Griffiths, Peter R.; James A. De Haseth. 7.4.4 Lövészaj // Fourier transzformációs infravörös spektrometria . — 2. - Hoboken, New Jersey: John Wiley & Sons , 2007. - 20. évf. 171. - P. 170-171. — (Kémiai elemzés: Monográfiák sorozata az analitikai kémiáról és alkalmazásairól). - ISBN 978-0-471-19404-0 . Archiválva : 2016. március 4. a Wayback Machine -nél . – „A lövészaj hatása a fő oka annak, hogy a Fourier-spektrometria soha nem volt népszerű. ultraibolya és látható spektrumok".
Irodalom
- Egorov A. S. Infravörös Fourier spektroszkópia — Elektronikus oktatási segédlet, Nyizsnyij Novgorod Állami Egyetem. N. I. Lobacsevszkij, 2012
Linkek
- Fourier spektroszkópia - Nanotechnológiai szakkifejezések szótára
- Fourier-spektroszkópia // Fizikai enciklopédikus szótár. – http://dic.academic.ru/dic.nsf/enc_physics/2337/Fourier (Hozzáférés: 2009.10.14.).