Fourierspektroskopi

Den aktuella versionen av sidan har ännu inte granskats av erfarna bidragsgivare och kan skilja sig väsentligt från versionen som granskades den 3 november 2015; kontroller kräver 7 redigeringar .

Fourier-transform spectroscopy ( eng. Fourier-transform spectroscopy ) är en uppsättning metoder för att mäta spektra av olika karaktär (optisk, NMR , EPR , etc.), där spektrumet beräknas inte utifrån signalintensiteten, som t.ex. , i prismaspektroskop, men från responsen i tid (NMR, EPR, masspektroskopi) eller rumslig domän (för optiska spektroskop).

Spatial Fourier-spektroskopimetoder är bekväma och används ofta inom optisk spektroskopi , infraröd spektroskopi ( FTIR , FT-NIRS).

Används även inom NMR-spektroskopi [1] [2] , masspektrometri och EPR- spektrometri .

Termen Fourierspektroskopi betonar att för att erhålla ett spektrum från det temporala eller rumsliga svaret av ett spektroskop krävs en Fouriertransform . Rekonstruktion av spektrumet med hjälp av Fouriertransformen kräver mycket datorkraft och utförs med hjälp av en dator.

I optiska Fourier-spektrometrar används interferometrar, i vilka interferogrammet för två strålar av den studerade strålningen med en variabel optisk vägskillnad för dessa strålar mäts. För att få ett spektrum vid störningsmätning ändras strålarnas vägskillnad smidigt, vanligtvis med hjälp av en rörlig spegel. När skillnaden i strålarnas väg förändras som ett resultat av interferens ändras intensiteten hos fotodetektorns signal. I experimentet registreras fotodetektorsignalen beroende på koordinaten för den rörliga spegeln. Arrayen av dessa data är Fourier-transformen av spektrumet beroende på strålvägsskillnaden (frekvensfördelningsfunktionen för strålningsenergin) enligt Khinchin-Kolmogorov-satsen .

Mätning av strålningsspektrum

En av huvuduppgifterna inom spektroskopi är studiet av spektrumet av strålning från en ljuskälla - bestämningen av strålningsintensiteten beroende på våglängden. Den traditionella metoden för att mäta emissionsspektrum är vinkelspridningen av ljusstrålar beroende på våglängden med prismaspektrografer eller diffraktionsgitter .

Monokromatorer används också , - enheter som framhäver ett smalt spektralområde, och i monokromatorer kan våglängden för det område som emitteras av monokromatorn justeras. En fotodetektor är installerad vid utgången av monokromatorn. Genom att skanna hela strålningsområdet med en monokromator erhålls således ett spektrum.

I Fourierspektroskopi används varken prismor, diffraktionsgitter eller monokromatorer. Spektrumet rekonstrueras från arrayen av registrerade data för intensiteten hos fotodetektorsignalen beroende på vägskillnaden för de störande strålarna (rörliga spegelkoordinater) och spektrumet rekonstrueras i termer av våglängder med hjälp av Fouriertransformen i den rumsliga domänen . [3]

Mätning av absorptionsspektrum

Fourierspektroskopi används också för att mäta absorptionsspektra (absorptionsspektroskopi) för olika ämnen. Infraröda absorptionsspektra av organiska ämnen gör det möjligt att bedöma förekomsten av vissa funktionella grupper i en ämnesmolekyl och används flitigt inom organisk kemi (se Infrarödspektroskopi , engelska FTIR Spectroscopy ).

Absorptionsspektroskopi mäter absorptionen av vitt ljus av ett prov. Vitt ljus är en blandning av strålning med alla våglängder. Efter att ha passerat genom provet absorberas strålning med vissa våglängder av det i en eller annan grad. Genom att mäta spektrumet av vitt ljus som sänds genom provet erhålls ett absorptionsspektrum. Glödlampor avger ungefär vitt ljus. För att noggrant mäta absorptionsspektrumet är spektrografen förkalibrerad utan prov. Detta beror på det faktum att, för det första, den vita ljuskällan har olika intensitet vid olika våglängder (ungefär som svartkroppsstrålning ) , för det andra har fotodetektorn olika känslighet för olika våglängder ( spektral känslighet ), för det tredje, elementen i det optiska systemet (linser, stråldelande element) är inte riktigt "färglösa" och introducerar också spektrala distorsioner. Efter att ha mätt provets absorptionsspektrum, med kännedom om egenskaperna hos de spektrala distorsionerna av själva spektrografen, är det möjligt att korrigera det erhållna spektrumet för att erhålla det verkliga absorptionsspektrumet.

Fourierspektroskopi med en Michelson-interferometer

Fourier-spektrometern är en Michelson-interferometer modifierad med ytterligare enheter, särskilt en rörlig spegel och andra servicefunktioner , uppfunnen av Michelson och använd av honom i klassiska experiment för att upptäcka Michelson-Morleys "eteriska vind" (1880-talet).

Ljus från källan (vid mätning av emissionsspektrum) eller vitt ljus från källan som har passerat genom provet (vid mätning av absorptionsspektrum) delas upp i två ortogonala strålar med hjälp av en halvtransparent stråldelande spegel av plattan. En av strålarna reflekteras från en fast spegel, den andra från en rörlig spegel. Genom att flytta den rörliga spegeln kan du ändra skillnaden i vägen för strålarnas strålar. Samma stråldelande spegel kopplar sedan samman dessa två strålar och riktar dem till en fotodetektor, där strålarna stör. Graden av dämpning eller förstärkning av intensiteten för olika våglängder beror på skillnaden i vägen för strålarna i strålarna.

För att exakt mäta rörelsen hos en rörlig spegel är moderna Fourier-spektrografer utrustade med en optisk referenskanal. Ljusstrålen i denna kanal erhålls från en mycket kromatisk och våglängdsstabil ljuskälla, vanligtvis en helium-neonlaser . I billigare modeller - från en halvledarlaser . Referensstråleinterferogrammet erhålls med hjälp av en extra fotodetektor. Hjälpspeglar placeras antingen utanför helljuset eller innanför helljuset, som visas i figuren. Hjälpspeglarna är små och täcker därför en obetydlig del av helljuset.

Hjälpstråleinterferogrammet är en sinusformad våg med en period lika med halva referensstrålens våglängd. Eftersom laserkoherenslängden når tiotals centimeter, bevaras referensstråleinterferogrammet vid mycket stora strålvägsskillnader.

Moderna Fourier-spektrometrar är utrustade med datorer som automatiskt styr interferogramregistrering, kalibrering, Fouriertransformationsbehandling av interferogrammet och andra bekvämligheter.

Funktionsteorin för den optiska Fourier-spektrografen

Ljusintensiteten vid detektorn beroende på vägskillnaden i interferometern och våglängden definieras som [4] : $sid$ ${\tilde {\nu }}=1/\lambda$

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

var är det bestämda spektrumet. $I({\tilde {\nu )))$

Total ljusintensitet vid detektorn för alla : $sid$

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 }}).

Således, med hjälp av Fourier-transformen, bestäms spektrumet av mätningen : $I(p)$

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

Pulserade Fourier-spektrometrar

Pulserade Fourier-spektrometrar använder effektexcitation av mikroskopiska oscillatorer i provet (vätekärnor i NMR eller oparade elektroner i EPR).

Det är populärt att beskriva principen för deras arbete på ett sådant exempel. Om du slår på många pianotangenter samtidigt och spelar in ett fonogram, kan du efter att ha bearbetat fonogrammet genom den inversa Fouriertransformen bestämma vilka tangenter som trycktes ner och med vilken kraft, det vill säga få ljudsignalens spektrum.

Sådana spektrometrar används inom magnetisk spektroskopi (EPR, NMR [2] ), högeffekts radiofrekventa pulser som verkar på ett prov placerat i ett starkt magnetfält används som en stöteffekt.

I masspektrometri är påverkan placeringen av laddade partiklar i de korsade elektriska och magnetiska fälten hos en cyklotron .

Fördelar med Fourierspektroskopi

En av de viktigaste fördelarna med Fourierspektroskopi beskrevs av Peter Fellgett i sin avhandling från 1949 [5] . Fördelen med Felgett är att medan vid traditionell spektrummätning (t.ex. i en avsökningsmonokromator ) bestäms mätbruset i första hand av detektorbruset , i en Fourier-spektrometer är det möjligt att minska bruset genom ackumulering och därigenom förbättra signal-till -brusförhållande , som är proportionell mot kvadratroten av m är antalet avläsningar i interferogrammet [6] .

Emellertid, om detektorbruset domineras av skottbrus (som har en enhetlig spektral densitet över hela spektrumet), så kompenseras förstärkningen i bredband Fourier-spektroskopi exakt av ökningen av brus över ett brett spektralband. Detta beror på det faktum att Fourierspektroskopi är mycket mindre användbar för mätningar i de synliga och ultravioletta områdena av optisk strålning [7] .

Trots sin höga tekniska komplexitet, i jämförelse med traditionella spektrometrar, på grund av precisionsmekaniken, har Fourier-spektrometrar ett antal andra fördelar, inklusive:

Möjlighet till samtidig registrering av hela spektrumet.
Direkt mätning av våglängder.
De kräver inte användning av smala slitsar för att öka upplösningen, som i prisma- och diffraktionsspektrografer, vilket ökar ljusstyrkan och gör det möjligt, allt annat lika, att mäta spektra av svaga ljuskällor.

IR Fourier-spektrometrar, utformade för att snabbt få vibrationsspektra av olika ämnen i det infraröda området för strålning, har blivit särskilt utbredda. Tillsammans med NMR-spektroskopi gör IR-spektra det möjligt att fastställa den kemiska strukturen hos ämnet som studeras.

Anteckningar

↑ Antoine Abraham. 1968. Principer för kärnmagnetisk resonans. , Cambridge University Press: Cambridge, Storbritannien.
↑ 1 2 NMR för dummies, eller tio grundläggande fakta om kärnmagnetisk resonans Arkivkopia daterad 19 april 2015 på Wayback Machine // Troitsky-variant nr 9(128), 7 maj 2013 - 2. Fourierspektroskopi
↑ Tarasevich B.N. Grunderna för IR-spektroskopi med Fouriertransform. Provberedning i IR-spektroskopi.
↑ Peter Atkins, Julio De Paula. 2006. Physical Chemistry , 8:e upplagan. Oxford University Press: Oxford, Storbritannien.
↑ PB Felgett. Teorin om infraröda känsligheter och dess tillämpning på undersökningar av stjärnstrålning i det nära infraröda : tidskrift . — 1949.
↑ PB Felgett. Om den ultimata känsligheten och praktiska prestanda för strålningsdetektorer (engelska) // J. Opt. soc. Am. : journal. - OSA, 1949. - Vol. 39 . - P. 970-976 . - .
↑ Griffiths, Peter R.; James A. De Haseth. 7.4.4 Skottbrus // Fourier Transform Infrared Spectrometry . — 2:a. - Hoboken, New Jersey: John Wiley & Sons , 2007. - Vol. 171. - S. 170-171. — (Kemisk analys: En serie monografier om analytisk kemi och dess tillämpningar). - ISBN 978-0-471-19404-0 . Arkiverad 4 mars 2016 på Wayback Machine . — "Effekten av skottbrus är huvudorsaken till att Fourierspektrometri aldrig var populärt för. ultravioletta och synliga spektra".

Litteratur

Egorov A. S. Infraröd Fourierspektroskopi — Elektroniskt läromedel, Nizhny Novgorod State University. N. I. Lobachevsky, 2012

Länkar

Fourierspektroskopi - Ordbok över nanoteknologiska termer
Fourierspektroskopi // Physical Encyclopedic Dictionary. — http://dic.academic.ru/dic.nsf/enc_physics/2337/Fourier (tillgänglig 2009-10-14).