Fourier-spektroskopi

Den aktuelle version af siden er endnu ikke blevet gennemgået af erfarne bidragydere og kan afvige væsentligt fra den version , der blev gennemgået den 3. november 2015; checks kræver 7 redigeringer .

Fourier-transform spektroskopi ( eng. Fourier-transform spektroskopi ) er et sæt metoder til måling af spektre af forskellig karakter (optisk, NMR , EPR osv.), hvor spektret beregnes ikke ud fra signalintensiteten, som f.eks. , i prismespektroskoper, men fra responsen i tid (NMR, EPR, massespektroskopi) eller rumligt domæne (for optiske spektroskoper).

Spatial Fourier-spektroskopimetoder er bekvemme og bruges ofte i optisk spektroskopi , infrarød spektroskopi ( FTIR , FT-NIRS).

Bruges også i NMR-spektroskopi [1] [2] , massespektrometri og EPR -spektrometri .

Udtrykket Fourier-spektroskopi understreger, at for at opnå et spektrum fra et spektroskops tidsmæssige eller rumlige respons, kræves der en Fourier-transformation . Rekonstruktion af spektret ved hjælp af Fourier-transformationen kræver meget computerkraft og udføres ved hjælp af en computer.

I optiske Fourier-spektrometre bruges interferometre, hvor interferogrammet af to stråler af den undersøgte stråling med en variabel optisk vejforskel af disse stråler måles. For at opnå et spektrum ved måling af interferens ændres strålernes vejforskel jævnt, normalt ved hjælp af et bevægeligt spejl. Når forskellen i strålernes vej ændres som følge af interferens, ændres intensiteten af signalet fra fotodetektoren. I eksperimentet optages fotodetektorsignalet afhængigt af det bevægelige spejls koordinat. Arrayen af disse data er Fourier-transformationen af spektret afhængigt af strålevejsforskellen (frekvensfordelingsfunktionen af strålingsenergien) ifølge Khinchin-Kolmogorov-sætningen .

Måling af strålingsspektret

En af hovedopgaverne i spektroskopi er studiet af spektret af stråling fra en lyskilde - bestemmelse af intensiteten af stråling afhængigt af bølgelængden. Den traditionelle metode til måling af emissionsspektret er vinkelspredningen af lysstråler afhængig af bølgelængden ved hjælp af prismespektrografer eller diffraktionsgitre .

Monokromatorer bruges også , - enheder, der fremhæver et snævert spektralområde, og i monokromatorer kan bølgelængden af det område, som udsendes af monokromatoren, indstilles. En fotodetektor er installeret ved udgangen af monokromatoren. Ved at scanne hele strålingsområdet med en monokromator opnås således et spektrum.

I Fourier-spektroskopi anvendes hverken prismer, diffraktionsgitre eller monokromatorer. Spektret rekonstrueres ud fra arrayet af registrerede data for intensiteten af fotodetektorsignalet afhængigt af vejforskellen for de interfererende stråler (bevægende spejlkoordinater), og spektret rekonstrueres i form af bølgelængder ved hjælp af Fourier-transformationen i det rumlige domæne . [3]

Måling af absorptionsspektret

Fourierspektroskopi bruges også til at måle absorptionsspektre (absorptionsspektroskopi) af forskellige stoffer. Infrarøde absorptionsspektre af organiske stoffer gør det muligt at bedømme tilstedeværelsen af visse funktionelle grupper i et stofmolekyle og er meget brugt i organisk kemi (se Infrarød spektroskopi , engelsk FTIR Spectroscopy ).

Absorptionsspektroskopi måler absorptionen af hvidt lys af en prøve. Hvidt lys er en blanding af stråling med alle bølgelængder. Efter at have passeret gennem prøven absorberes stråling med visse bølgelængder af den i en eller anden grad. Ved at måle spektret af hvidt lys, der transmitteres gennem prøven, opnås et absorptionsspektrum. Glødelamper udsender cirka hvidt lys. For nøjagtigt at måle absorptionsspektret er spektrografen prækalibreret uden en prøve. Dette skyldes det faktum, at for det første har den hvide lyskilde forskellig intensitet ved forskellige bølgelængder (omtrent som sortlegemestråling ) , for det andet har fotodetektoren forskellig følsomhed for forskellige bølgelængder ( spektral følsomhed ), for det tredje elementerne i det optiske system (linser, stråleopdelingselementer) er ikke helt "farveløse" og introducerer også spektrale forvrængninger. Efter måling af prøvens absorptionsspektrum, idet man kender karakteristikaene for de spektrale forvrængninger af selve spektrografen, er det muligt at korrigere det opnåede spektrum for at opnå det sande absorptionsspektrum.

Fourier-spektroskopi med et Michelson-interferometer

Fourier-spektrometeret er et Michelson-interferometer modificeret med yderligere enheder, især et bevægeligt spejl og andre servicefunktioner , opfundet af Michelson og brugt af ham i klassiske eksperimenter til at opdage Michelson-Morleys "æteriske vind" (1880'erne).

Lys fra kilden (ved måling af emissionsspektret) eller hvidt lys fra kilden, der er passeret gennem prøven (ved måling af absorptionsspektret) opdeles i to ortogonale stråler ved hjælp af et semitransparent stråleopdelingsspejl af pladen. En af strålerne reflekteres fra et fast spejl, den anden fra et bevægeligt spejl. Flytning af det bevægelige spejl giver dig mulighed for at ændre forskellen i banen for strålernes stråler. Det samme stråleopdelingsspejl forbinder så disse to stråler og dirigerer dem til en fotodetektor, hvor strålerne interfererer. Graden af dæmpning eller forøgelse af intensiteten for forskellige bølgelængder afhænger af forskellen i strålernes vej i strålerne.

For nøjagtigt at måle bevægelsen af et bevægeligt spejl er moderne Fourier-spektrografer udstyret med en optisk referencekanal. Lysstrålen i denne kanal opnås fra en meget kromatisk og bølgelængdestabil lyskilde, typisk en helium-neon-laser . I billigere modeller - fra en halvlederlaser . Referencestråleinterferogrammet opnås ved hjælp af en ekstra fotodetektor. Hjælpespejle placeres enten uden for fjernlyset eller inde i fjernlyset, som vist på figuren. Hjælpespejlene er små og dækker derfor en ubetydelig brøkdel af fjernlys.

Hjælpestråleinterferogrammet er en sinusformet bølge med en periode svarende til halvdelen af referencestrålens bølgelængde. Da laserkohærenslængden når ti centimeter, bevares referencestråleinterferogrammet ved meget store strålevejsforskelle.

Moderne Fourier-spektrometre er udstyret med computere, der automatisk styrer interferogramoptagelse, kalibrering, Fourier-transformationsbehandling af interferogrammet og andre bekvemmeligheder.

Funktionsteorien for den optiske Fourier-spektrograf

Lysintensiteten ved detektoren afhængig af vejforskellen i interferometeret og bølgelængden er defineret som [4] : $s$ ${\tilde {\nu }}=1/\lambda$

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

hvor er det bestemte spektrum. $I({\tilde {\nu )))$

Samlet lysintensitet ved detektoren for alle : $s$

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 }}).

Ved hjælp af Fourier-transformationen bestemmes spektret således af målingen : $I(p)$

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

Pulserede Fourier-spektrometre

Pulserede Fourier-spektrometre bruger stødexcitation af mikroskopiske oscillatorer i prøven (hydrogenkerner i NMR eller uparrede elektroner i EPR).

Det er populært at beskrive princippet om deres arbejde på et sådant eksempel. Hvis du rammer mange klavertangenter på samme tid og optager et fonogram, kan du efter at have behandlet fonogrammet ved den omvendte Fourier-transformation bestemme, hvilke tangenter der blev trykket på og med hvilken kraft, det vil sige få spektret af lydsignalet.

Sådanne spektrometre bruges i magnetisk spektroskopi (EPR, NMR [2] ), højeffekt radiofrekvensimpulser, der virker på en prøve placeret i et stærkt magnetfelt, bruges som en stødeffekt.

I massespektrometri er indvirkning placeringen af ladede partikler i de krydsede elektriske og magnetiske felter af en cyklotron .

Fordele ved Fourier-spektroskopi

En af de vigtigste fordele ved Fourier-spektroskopi blev beskrevet af Peter Fellgett i hans afhandling fra 1949 [5] . Fordelen ved Felgett er, at mens ved traditionel spektrummåling (f.eks. i en scanning monokromator ) målestøjen primært bestemmes af detektorstøjen , er det i et Fourier-spektrometer muligt at reducere støjen gennem akkumulering og derved forbedre signal-til -støjforhold , som er proportional med kvadratroden af m er antallet af aflæsninger i interferogrammet [6] .

Men hvis detektorstøjen er domineret af skudstøj (som har en ensartet spektral tæthed over hele spektret), så opvejes forstærkningen i bredbånds Fourier-spektroskopi nøjagtigt af stigningen i støj over et bredt spektralbånd. Dette skyldes, at Fourier-spektroskopi er meget mindre anvendelig til målinger i de synlige og ultraviolette områder af optisk stråling [7] .

På trods af deres høje teknologiske kompleksitet, i sammenligning med traditionelle spektrometre, på grund af præcisionsmekanik, har Fourier-spektrometre en række andre fordele, herunder:

Mulighed for samtidig registrering af hele spektret.
Direkte måling af bølgelængder.
De kræver ikke brug af smalle spalter for at øge opløsningen, som i prisme- og diffraktionsspektrografer, der øger lysstyrken og gør det muligt, alt andet lige, at måle spektrene af svage lyskilder.

IR Fourier-spektrometre, designet til hurtigt at opnå vibrationsspektre af forskellige stoffer i det infrarøde område af stråling, er blevet særligt udbredt. Sammen med NMR-spektroskopi gør IR-spektre det muligt at fastslå den kemiske struktur af det undersøgte stof.

Noter

↑ Antoine Abraham. 1968. Principper for kernemagnetisk resonans. , Cambridge University Press: Cambridge, Storbritannien.
↑ 1 2 NMR for Dummies, eller ti grundlæggende fakta om kernemagnetisk resonans Arkivkopi dateret 19. april 2015 på Wayback Machine // Troitsky-variant nr. 9(128), 7. maj 2013 - 2. Fourierspektroskopi
↑ Tarasevich B.N. Grundlæggende om IR-spektroskopi med Fourier-transformation. Prøveforberedelse i IR-spektroskopi.
↑ Peter Atkins, Julio De Paula. 2006. Physical Chemistry , 8. udg. Oxford University Press: Oxford, Storbritannien.
↑ PB Felgett. Teori om infrarøde følsomheder og dens anvendelse på undersøgelser af stjernestråling i det nære infrarøde : tidsskrift . - 1949.
↑ PB Felgett. Om den ultimative følsomhed og praktiske ydeevne af strålingsdetektorer (engelsk) // J. Opt. soc. Er. : journal. - OSA, 1949. - Vol. 39 . - S. 970-976 . - .
↑ Griffiths, Peter R.; James A. De Haseth. 7.4.4 Shot noise // Fourier Transform Infrared Spectrometry . — 2. - Hoboken, New Jersey: John Wiley & Sons , 2007. - Vol. 171. - S. 170-171. — (Kemisk analyse: En række monografier om analytisk kemi og dens anvendelser). - ISBN 978-0-471-19404-0 . Arkiveret 4. marts 2016 på Wayback Machine . — “Effekten af skudstøj er hovedårsagen til, at Fourier-spektrometri aldrig var populær for. ultraviolette og synlige spektre".

Litteratur

Egorov A. S. Infrarød Fourier-spektroskopi — Elektronisk læremiddel, Nizhny Novgorod State University. N. I. Lobachevsky, 2012