Fourier-spektroskopia

Kokeneet kirjoittajat eivät ole vielä tarkistaneet sivun nykyistä versiota, ja se voi poiketa merkittävästi 3. marraskuuta 2015 tarkistetusta versiosta . tarkastukset vaativat 7 muokkausta .

Fourier-muunnosspektroskopia ( eng. Fourier-transform spectroscopy ) on joukko menetelmiä erilaisten spektrien mittaamiseen (optinen, NMR , EPR jne.), jossa spektriä ei lasketa signaalin intensiteetistä, kuten esim. , prismaspektroskoopeissa, mutta vasteesta ajassa (NMR, EPR, massaspektroskopia) tai spatiaalisessa domeenissa (optiset spektroskoopit).

Spatiaaliset Fourier-spektroskopiamenetelmät ovat käteviä ja niitä käytetään usein optisessa spektroskopiassa , infrapunaspektroskopiassa ( FTIR , FT-NIRS).

Käytetään myös NMR-spektroskopiassa [1] [2] , massaspektrometriassa ja EPR -spektrometriassa .

Termi Fourier-spektroskopia korostaa, että spektrin saamiseksi spektroskoopin aika- tai spatiaalisesta vasteesta tarvitaan Fourier -muunnos . Spektrin rekonstruointi Fourier-muunnoksen avulla vaatii paljon laskentatehoa ja se suoritetaan tietokoneella.

Optisissa Fourier-spektrometreissä käytetään interferometrejä, joissa mitataan kahden tutkitun säteilyn säteen interferogrammi näiden säteiden vaihtelevalla optisella polulla. Spektrin saamiseksi interferenssiä mitattaessa säteiden polkueroa muutetaan tasaisesti, yleensä liikkuvan peilin avulla. Kun säteiden kulkureitti muuttuu häiriön seurauksena, valoilmaisimen signaalin intensiteetti muuttuu. Kokeessa valoilmaisimen signaali tallennetaan liikkuvan peilin koordinaatista riippuen. Näiden tietojen joukko on spektrin Fourier-muunnos, joka riippuu säteen polun erosta (säteilyenergian taajuusjakaumafunktio) Khinchin-Kolmogorov-lauseen mukaisesti .

Säteilyspektrin mittaus

Yksi spektroskopian päätehtävistä on valonlähteestä tulevan säteilyn spektrin tutkiminen - säteilyn intensiteetin määrittäminen aallonpituudesta riippuen. Perinteinen menetelmä emissiospektrin mittaamiseen on valonsäteiden kulmadispersio aallonpituudesta riippuen käyttämällä prismaspektrografeja tai diffraktiohilaa .

Monokromaattoreita käytetään myös , - laitteita, jotka korostavat kapeaa spektrialuetta, ja monokromaattoreissa voidaan säätää monokromaattorin lähettämän alueen aallonpituutta. Monokromaattorin lähtöön on asennettu fotodetektori. Siten skannaamalla koko säteilyalue monokromaattorilla saadaan spektri.

Fourier-spektroskopiassa ei käytetä prismoja, diffraktiohilaa eikä monokromaattoreita. Spektri rekonstruoidaan tallennetuista tiedoista fotodetektorin signaalin intensiteetistä riippuen häiritsevien säteiden polkuerosta (liikkuvat peilikoordinaatit) ja spektri rekonstruoidaan aallonpituuksilla Fourier-muunnoksen avulla spatial-alueella. . [3]

Absorptiospektrin mittaus

Fourier-spektroskopiaa käytetään myös eri aineiden absorptiospektrien (absorptiospektroskopian) mittaamiseen. Orgaanisten aineiden infrapuna-absorptiospektrit antavat mahdollisuuden arvioida tiettyjen funktionaalisten ryhmien läsnäoloa ainemolekyylissä, ja sitä käytetään laajalti orgaanisessa kemiassa (katso Infrapunaspektroskopia , englantilainen FTIR Spectroscopy ).

Absorptiospektroskopia mittaa näytteen valkoisen valon absorptiota. Valkoinen valo on sekoitus säteilyä kaikilla aallonpituuksilla. Näytteen läpi kulkemisen jälkeen se absorboi tietyn aallonpituuden säteilyä tavalla tai toisella. Mittaamalla näytteen läpi läpäisevän valkoisen valon spektri saadaan absorptiospektri. Hehkulamput lähettävät suunnilleen valkoista valoa. Absorptiospektrin mittaamiseksi tarkasti spektrografi on esikalibroitu ilman näytettä. Tämä johtuu siitä, että ensinnäkin valkoisen valon lähteellä on erilainen intensiteetti eri aallonpituuksilla (suunnilleen kuten mustan kappaleen säteilyllä ) , toiseksi valoilmaisimella on erilainen herkkyys eri aallonpituuksille ( spektriherkkyys ), kolmanneksi optisen järjestelmän elementeillä. (linssit, säteenjakoelementit) eivät ole aivan "värittömät" ja aiheuttavat myös spektrivääristymiä. Näytteen absorptiospektrin mittaamisen jälkeen, kun tiedetään itse spektrografin spektrivääristymien ominaisuudet, on mahdollista korjata saatu spektri todellisen absorptiospektrin saamiseksi.

Fourier-spektroskopia Michelson-interferometrillä

Fourier-spektrometri on Michelson-interferometri , jota on muunnettu lisälaitteilla, erityisesti liikkuvalla peilillä ja muilla palvelutoiminnoilla . Michelson on keksinyt ja jota hän käytti klassisissa kokeissa Michelson-Morleyn "eetterituulen" (1880-luku) havaitsemiseen.

Lähteestä tuleva valo (mittattaessa emissiospektriä) tai lähteestä tuleva valkoinen valo, joka on kulkenut näytteen läpi (mitattaessa absorptiospektriä) jaetaan kahdeksi kohtisuoraksi säteeksi levyn puoliläpinäkyvän säteen jakavan peilin avulla. Toinen säteistä heijastuu kiinteästä peilistä, toinen liikkuvasta peilistä. Siirrettävän peilin siirtäminen mahdollistaa palkkien säteiden reitin eron muuttamisen. Sama säteen jakava peili yhdistää sitten nämä kaksi sädettä ja ohjaa ne valoilmaisimeen, jossa säteet häiritsevät. Eri aallonpituuksien intensiteetin vaimennus- tai lisäysaste riippuu säteiden reitin erosta.

Liikkuvan peilin liikkeen mittaamiseksi tarkasti nykyaikaiset Fourier-spektrografit on varustettu optisella vertailukanavalla. Tämän kanavan valonsäde saadaan erittäin kromaattisesta ja aallonpituusstabiilista valonlähteestä, tyypillisesti helium-neonlaserista . Halvemmissa malleissa - puolijohdelaserista . Referenssisäteen interferogrammi saadaan käyttämällä apuvalodetektoria. Apupeilit sijoitetaan joko kaukovalon ulkopuolelle tai kaukovalon sisäpuolelle kuvan osoittamalla tavalla. Apupeilit ovat pieniä ja peittävät siksi merkityksettömän osan kaukovalosta.

Apusäteen interferogrammi on siniaalto, jonka jakso on puolet vertailusäteen aallonpituudesta. Koska laserkoherenssipituus saavuttaa kymmeniä senttejä, vertailusäteen interferogrammi säilyy erittäin suurilla säteen reittieroilla .

Nykyaikaiset Fourier-spektrometrit on varustettu tietokoneilla, jotka ohjaavat automaattisesti interferogrammin tallennusta, kalibrointia, interferogrammin Fourier-muunnoskäsittelyä ja muita mukavuuksia.

Optisen Fourier-spektrografin toimintateoria

Ilmaisimen valon intensiteetti interferometrin reittierosta ja aallonpituudesta riippuen määritellään seuraavasti [4] : $s$ ${\tilde {\nu }}=1/\lambda$

I(p,{\tilde {\nu )))=I({\tilde {\nu )))[1+\cos(2\pi {\tilde {\nu }}p)]

missä on määritetty spektri. $I({\tilde {\nu )))$

Kokonaisvalon intensiteetti ilmaisimessa kaikille : $s$

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 }}).

Siten käyttämällä Fourier-muunnosta spektri määritetään mittauksella : $I(p)$

I({\tilde {\nu )))=4\int _{0}^{\infty }[I(p)-{\tfrac {1}{2}}I(p=0)]\cos( 2\pi {\tilde {\nu }}p)dp.

Pulssi-Fourier-spektrometrit

Pulssi-Fourier-spektrometrit käyttävät mikroskooppisten oskillaattorien iskuviritystä näytteessä (vetyytimet NMR:ssä tai parittomia elektroneja EPR:ssä).

On suosittua kuvata heidän työnsä periaatetta tällaisella esimerkillä. Jos painat useita pianon näppäimiä samanaikaisesti ja äänität äänitteen, voit käsitellä äänitteen käänteisellä Fourier-muunnolla, jolloin voit määrittää, mitä näppäimiä painettiin ja millä voimalla, eli saada äänisignaalin spektri.

Tällaisia spektrometrejä käytetään magneettispektroskopiassa (EPR, NMR [2] ), suurtehoisia radiotaajuisia pulsseja, jotka vaikuttavat vahvaan magneettikenttään sijoitettuun näytteeseen, käytetään iskuvaikutuksena.

Massaspektrometriassa isku tarkoittaa varautuneiden hiukkasten sijoittamista syklotronin ristikkäisiin sähkö- ja magneettikenttiin .

Fourier-spektroskopian edut

Peter Fellgett kuvasi yhden Fourier-spektroskopian tärkeimmistä eduista vuoden 1949 väitöskirjassaan [5] . Felgettin etuna on, että kun perinteisessä spektrimittauksessa (esim. pyyhkäisymonokromaattorissa ) mittauskohina määräytyy ensisijaisesti detektorikohinasta , Fourier-spektrometrissä kohinaa on mahdollista vähentää kerääntymisen kautta ja siten parantaa signaalin kulkua. -kohinasuhde , joka on verrannollinen neliöjuureen m on lukemien lukumäärä interferogrammissa [6] .

Kuitenkin, jos ilmaisimen kohinaa hallitsee laukauskohina (jolla on tasainen spektritiheys koko spektrin alueella), laajakaistaisen Fourier-spektroskopian vahvistusta kompensoi tarkasti kohinan kasvu laajalla spektrikaistalla. Tämä johtuu siitä, että Fourier-spektroskopia soveltuu paljon vähemmän optisen säteilyn näkyvän ja ultraviolettialueen mittauksiin [7] .

Huolimatta korkeasta teknisestä monimutkaisuudestaan, perinteisiin spektrometreihin verrattuna, tarkkuusmekaniikan ansiosta Fourier-spektrometreillä on useita muita etuja, kuten:

Mahdollisuus rekisteröidä samanaikaisesti koko spektri.
Suora aallonpituuksien mittaus.
Ne eivät vaadi kapeiden rakojen käyttöä tarkkuuden lisäämiseksi, kuten prisma- ja diffraktiospektrografeissa, mikä lisää valoisuutta ja mahdollistaa muiden asioiden ollessa yhtäläiset heikkojen valonlähteiden spektrien mittaamisen.

IR Fourier -spektrometrit, jotka on suunniteltu saamaan nopeasti eri aineiden värähtelyspektrejä säteilyn infrapuna-alueella, ovat yleistyneet erityisen laajasti. NMR-spektroskopian ohella IR-spektrit mahdollistavat tutkittavan aineen kemiallisen rakenteen määrittämisen.

Muistiinpanot

↑ Antoine Abraham. 1968. Principles of Nuclear Magnetic Resonance. , Cambridge University Press: Cambridge, UK.
↑ 1 2 NMR dummiesille eli kymmenen perusfaktaa ydinmagneettisesta resonanssista Arkistokopio päivätty 19. huhtikuuta 2015 Wayback Machinessa // Troitsky Variant No. 9(128), 7. toukokuuta 2013 - 2. Fourier-spektroskopia
↑ Tarasevitš B.N. Fourier-muunnoksen IR-spektroskopian perusteet. Näytteen valmistelu IR-spektroskopiassa.
↑ Peter Atkins, Julio De Paula. 2006. Physical Chemistry , 8. painos. Oxford University Press: Oxford, Iso-Britannia.
↑ PB Fellgett. Infrapunaherkkyyden teoria ja sen soveltaminen tähtien säteilyn tutkimuksiin lähi-infrapunassa : aikakauslehti . – 1949.
↑ PB Fellgett. Säteilyilmaisimien äärimmäisestä herkkyydestä ja käytännöllisestä suorituskyvystä (englanniksi) // J. Opt. soc. Olen. : päiväkirja. - OSA, 1949. - Voi. 39 . - s. 970-976 . - .
↑ Griffiths, Peter R.; James A. De Haseth. 7.4.4 Laukauskohina // Fourier-muunnos infrapunaspektrometria . – 2. - Hoboken, New Jersey: John Wiley & Sons , 2007. - Voi. 171. - s. 170-171. — (Kemiallinen analyysi: Monografioiden sarja analyyttisestä kemiasta ja sen sovelluksista). - ISBN 978-0-471-19404-0 . Arkistoitu 4. maaliskuuta 2016 Wayback Machinessa . — Laukauskohinan vaikutus on tärkein syy, miksi Fourier-spektrometria ei koskaan ollut suosittu. ultravioletti ja näkyvä spektrit".

Kirjallisuus

Egorov A.S. Infrapuna-Fourier-spektroskopia - Elektroninen opetusväline, Nizhny Novgorod State University. N. I. Lobatševski, 2012

Linkit

Fourier-spektroskopia - Nanoteknologian termien sanakirja
Fourier-spektroskopia // Physical Encyclopedic Dictionary. — http://dic.academic.ru/dic.nsf/enc_physics/2337/Fourier (käytetty 14.10.2009).