Инфракрасный спектрометр
Инфракрасный спектрометр — прибор для регистрации инфракрасных спектров поглощения, пропускания или отражения веществ.
Дисперсионные ИК-спектрометры
Типичный дисперсионный ИК-спектрометр функционирует следующим образом. Излучение от полихроматического источника проходит через кювету с образцом, а затем попадает на монохроматор, в качестве которого выступает призма либо дифракционная решётка. Далее инфракрасное излучение, разложенное в спектр, проходит через узкую щель, позволяющую выбрать необходимый спектральный диапазон и направить его на детектор, где происходит определение его интенсивности. Проход по всему спектральному диапазону достигается за счёт поворота призмы или дифракционной решётки: при этом в щель поочерёдно попадает излучение с разными длинами волн, что позволяет записать спектр[1].
Обычно дисперсионный прибор имеет двухлучевую оптическую схему. В нём регистрируется интенсивность не только пучка, проходящего через образец, но и пучка сравнения, который проходит через пустую кювету или кювету, заполненную чистым растворителем. Далее оба пучка поочерёдно попадают на монохроматор и детектор, где их интенсивности сравниваются. Конструкционно это достигается при помощи круглого зеркала, в котором часть секторов зеркальная, а часть пустая. Такое строение зеркала позволяет либо пропускать на детектор луч от образца, либо отражать на детектор луч сравнения, а за счёт вращения зеркала эти фазы быстро чередуются. Частное от деления интенсивности пучка от образца на интенсивность пучка сравнения даёт искомую величину пропускания T (англ. transmittance, %)[1].
Фурье-ИК-спектрометры
Общее устройство
Основным элементом инфракрасного спектрометра с преобразованием Фурье является интерферометр Майкельсона, который работает следующим образом. Луч когерентного света падает на светоделитель, в результате чего получаются два луча примерно одинаковой интенсивности. Далее каждый из этих лучей отражается от своего зеркала и возвращается на светоделитель, где лучи объединяются, создают интерференцию и попадают на детектор. Одно из зеркал в интерферометре является подвижным: его положение постоянно изменяется, за счёт чего возникает меняющаяся разность хода. В зависимости от величины разности хода лучи соединяются в фазе или противофазе, что приводит к положительной или отрицательной интерференции[2].
При прохождении через интерферометр монохроматического излучения сигнал имеет вид синусоиды, частота которой пропорциональна волновому числу. Однако в ИК-спектрометрах используется полихроматическое инфракрасное излучение, поэтому синусоиды разных частот накладываются, образуя сложную картину, называемую интерферограммой. Интерферограмму можно превратить в инфракрасный спектр при помощи преобразования Фурье[2].
Образец в этих приборах располагается между интерферометром и детектором, в отличие от дисперсионных спектрометров, где образец помещают между источником и монохроматором. Кроме того, Фурье-ИК-спектрометры обычно работают в однолучевом режиме: поочерёдно записываются два спектра (с образцом и без него), а их разность и даёт спектр поглощения образца[2].
Оптика
Оптические элементы инфракрасного спектрометра (кюветы, линзы, а для дисперсионного прибора — и призма) должны быть прозрачны для ИК-излучения. Поскольку стекло и кварц этому требованию не удовлетворяют, используются другие оптические материалы[3].
| Материал | Область прозрачности (50 %) | Примечания | |
|---|---|---|---|
| мкм | см-1 | ||
| Кварцевое стекло | 0,25—3,3 | 40 000—3000 | |
| LiF | 0,12—7,0 | 83 000—1400 | Слегка растворим в воде |
| CaF2 | 0,13—11,0 | 77 000—900 | Относительно нерастворим в воде, устойчив к большинству кислот и щелочей |
| NaCl KCl | 0,25—16 0,30—20 | 40 000—625 33 333—500 | Растворим в спирте и воде, дёшев, применяются для ИК-окон |
| AgCl AgBr | 0,4—30 0,45—30 | 25 000—333 22 222—333 | Нерастворимы в воде, растворимы в кислотах, чувствительны к УФ-излучению |
| KBr | 0,23—25 | 43 500—400 | Хорошо растворим в воде, этаноле и глицерине, немного — в эфире, гигроскопичен |
| CsBr | 0,24—40 | 41 666—250 | Растворим в воде и кислотах, очень гигроскопичен |
| ZnSe | 0,5—20 | 20 000—500 | Относительно нерастворим в воде, устойчив к кислотам и основаниям, подходит для НПВО |
| Ge | 2—18 | 5000—555 | Нерастворим в воде, растворим в горячей серной кислоте и аммиаке, пригоден для НПВО |
| KRS-5 | 0,6—38 | 16 666—263 | Слегка растворим в воде, растворим в щелочах, не гигроскопичен, токсичен, подходит для НПВО |
Детектор
Для регистрации инфракрасного излучения в спектрометрах используются методы, позволяющие быстро и с высокой точностью определять температуру. Раньше в приборах для этой цели использовали термоэлементы или ячейку Голея. Действие последней основано на расширении газа: камера, наполненная ксеноном и закрытая с одной стороны гибкой мембраной, нагревается падающим инфракрасным излучением. Газ при нагревании расширяется и деформирует мембрану, положение которой фиксируется с помощью светового указателя[4].
См. также
Примечания
- Spragg, 2010, p. 1199.
- Spragg, 2010, p. 1199—1201.
- Бёккер, 2009, с. 154.
- Бёккер, 2009, с. 155.
Литература
- Бёккер Ю. Спектроскопия = Spektroskopie / Пер. с нем. Л. Н. Казанцевой, под ред. А. А. Пупышева, М. В. Поляковой. — М.: Техносфера, 2009. — 528 с. — ISBN 978-5-94836-220-5.
- Spragg R. A. IR Spectrometers (англ.) // Encyclopedia of Spectroscopy and Spectrometry, 2nd Ed. — Academic Press, 2010. — P. 1199—1209.