Spektroskopia w podczerwieni z transformatą Fouriera - Fourier-transform infrared spectroscopy
Transformaty Fouriera spektroskopia w podczerwieni ( FTIR ) to technika stosowana do uzyskania podczerwieni widma w absorpcji lub emisji ciała stałego, cieczy lub gazu. Spektrometr FTIR jednocześnie zbiera dane spektralne o wysokiej rozdzielczości w szerokim zakresie spektralnym. Daje to znaczną przewagę nad spektrometrem dyspersyjnym , który jednocześnie mierzy intensywność w wąskim zakresie długości fal .
Termin spektroskopia w podczerwieni z transformacją Fouriera pochodzi od faktu, że transformacja Fouriera (proces matematyczny) jest wymagana do przekształcenia surowych danych w rzeczywiste widmo.
Wprowadzenie koncepcyjne
Celem technik spektroskopii absorpcyjnej (FTIR, spektroskopia światła ultrafioletowego („UV-Vis”) itp.) jest zmierzenie, ile światła absorbuje próbka przy każdej długości fali. Najprostszym sposobem, aby to zrobić, techniką „spektroskopii dyspersyjnej”, jest skierowanie na próbkę monochromatycznej wiązki światła, zmierzenie ilości zaabsorbowanego światła i powtórzenie dla każdej innej długości fali. (W ten sposób działają na przykład niektóre spektrometry UV-vis .)
Spektroskopia z transformatą Fouriera jest mniej intuicyjnym sposobem uzyskania tych samych informacji. Zamiast świecić monochromatyczną wiązką światła (wiązką składającą się tylko z jednej długości fali) na próbkę, ta technika świeci jednocześnie wiązką zawierającą wiele częstotliwości światła i mierzy, jaka część tej wiązki jest pochłaniana przez próbkę. Następnie wiązka jest modyfikowana, aby zawierała inną kombinację częstotliwości, dając drugi punkt danych. Proces ten jest szybko powtarzany wiele razy w krótkim okresie czasu. Następnie komputer pobiera wszystkie te dane i działa wstecz, aby wywnioskować, jaka jest absorpcja dla każdej długości fali.
Opisana powyżej wiązka jest generowana zaczynając od szerokopasmowego źródła światła — takiego, które zawiera pełne spektrum mierzonych długości fal. Światło wpada do interferometru Michelsona — pewnej konfiguracji luster, z których jedno jest poruszane przez silnik. Gdy lustro się porusza, każda długość fali światła w wiązce jest okresowo blokowana, transmitowana, blokowana, transmitowana przez interferometr z powodu interferencji fal . Różne długości fal są modulowane z różnymi szybkościami, tak że w każdym momencie lub pozycji lustra wiązka wychodząca z interferometru ma inne widmo.
Jak wspomniano, przetwarzanie danych komputerowych jest wymagane, aby przekształcić surowe dane (pochłanianie światła dla każdej pozycji lustra) w pożądany wynik (pochłanianie światła dla każdej długości fali). Wymagane przetwarzanie okazuje się być powszechnym algorytmem zwanym transformatą Fouriera . Transformacja Fouriera przekształca jedną domenę (w tym przypadku przemieszczenie zwierciadła w cm) na domenę odwrotną (liczby falowe w cm- 1 ). Surowe dane nazywane są „interferogramem”.
Tło rozwojowe
Pierwszym tanim spektrofotometrem zdolnym do rejestrowania widma w podczerwieni był Perkin-Elmer Infracord wyprodukowany w 1957 roku. Instrument ten obejmował zakres długości fal od 2,5 μm do 15 μm ( zakres liczby fal od 4000 cm- 1 do 660 cm- 1 ). Wybrano dolną granicę długości fali, aby objąć najwyższą znaną częstotliwość drgań ze względu na fundamentalne drgania molekularne . Górną granicę wyznaczał fakt, że elementem rozpraszającym był pryzmat wykonany z pojedynczego kryształu soli kamiennej ( chlorku sodu ), który staje się nieprzezroczysty przy długościach fal dłuższych niż około 15 μm; ten obszar widmowy stał się znany jako region soli kamiennej. Późniejsze instrumenty wykorzystywały pryzmaty z bromku potasu do rozszerzenia zakresu do 25 μm (400 cm- 1 ) i jodku cezu do 50 μm (200 cm- 1 ). Obszar poza 50 μm (200 cm- 1 ) stał się znany jako obszar dalekiej podczerwieni; przy bardzo długich falach łączy się z obszarem mikrofalowym . Pomiary w dalekiej podczerwieni wymagały opracowania precyzyjnych siatek dyfrakcyjnych, które zastąpiłyby pryzmaty jako elementy rozpraszające, ponieważ kryształy soli są w tym obszarze nieprzezroczyste. Ze względu na niską energię promieniowania potrzebne były bardziej czułe detektory niż bolometr . Jednym z takich był detektor Golay . Dodatkowym problemem jest konieczność wykluczenia atmosferycznej pary wodnej, ponieważ para wodna ma w tym rejonie intensywne czyste widmo rotacyjne . Spektrofotometry dalekiej podczerwieni były nieporęczne, powolne i drogie. Zalety interferometru Michelsona były dobrze znane, ale zanim zbudowano instrument komercyjny, trzeba było przezwyciężyć znaczne trudności techniczne. Potrzebny był również komputer elektroniczny do wykonania wymaganej transformacji Fouriera, co stało się wykonalne dopiero wraz z pojawieniem się minikomputerów , takich jak PDP-8 , który stał się dostępny w 1965 roku. Digilab był pionierem pierwszego na świecie komercyjnego spektrometru FTIR (Model FTS). -14) w 1969 r. (Digilab FTIR są teraz częścią linii produktów molekularnych Agilent technologies po przejęciu przez nią firmy zajmującej się spektroskopią od Varian ).
Interferometr Michelsona
W interferometrze Michelsona przystosowanym do FTIR światło z polichromatycznego źródła podczerwieni, w przybliżeniu promiennika ciała doskonale czarnego , jest kolimowane i kierowane do dzielnika wiązki . Idealnie 50% światła jest załamywane w kierunku lustra nieruchomego, a 50% jest przekazywane w kierunku lustra ruchomego. Światło jest odbijane od dwóch luster z powrotem do dzielnika wiązki, a pewna część oryginalnego światła przechodzi do przedziału próbki. Tam światło skupia się na próbce. Po opuszczeniu przedziału próbki światło jest ponownie skupiane na detektorze. Różnica w długości drogi optycznej między dwoma ramionami do interferometru jest znana jako opóźnienie lub różnica drogi optycznej (OPD). Interferogram uzyskuje się zmieniając opóźnienie i rejestrując sygnał z detektora dla różnych wartości opóźnienia. Postać interferogramu w przypadku braku próbki zależy od takich czynników, jak zmienność natężenia źródła i wydajność rozdzielacza wraz z długością fali. Daje to maksimum przy zerowym opóźnieniu, gdy występuje konstruktywna interferencja na wszystkich długościach fali, po której następuje seria „ruchów”. Położenie zerowego opóźnienia określa się dokładnie, znajdując na interferogramie punkt maksymalnej intensywności. Gdy próbka jest obecna, interferogram tła jest modulowany przez obecność pasm absorpcyjnych w próbce.
Komercyjne spektrometry wykorzystują interferometry Michelsona z różnymi mechanizmami skanowania do generowania różnicy ścieżki. Wspólną cechą wszystkich tych układów jest potrzeba zapewnienia, że dwie wiązki połączą się dokładnie tak, jak skanuje system. Najprostsze systemy mają zwierciadło płaskie, które porusza się liniowo, zmieniając tor jednej wiązki. W takim układzie ruchome lustro nie może się przechylać ani chybotać, ponieważ wpłynęłoby to na nakładanie się wiązek podczas ich ponownego łączenia. Niektóre systemy zawierają mechanizm kompensacyjny, który automatycznie dostosowuje orientację jednego lustra w celu utrzymania wyrównania. Rozwiązania, które pozwalają uniknąć tego problemu, obejmują stosowanie odbłyśników narożnych sześciennych zamiast luster płaskich, ponieważ mają one właściwość zwracania każdej padającej wiązki w kierunku równoległym, niezależnie od orientacji.
Systemy, w których różnica ścieżki jest generowana przez ruch obrotowy, okazały się bardzo udane. Jeden wspólny system zawiera parę równoległych luster w jednej wiązce, które można obracać w celu zmiany ścieżki bez przemieszczania wiązki powracającej. Inną jest konstrukcja z podwójnym wahadłem, w której ścieżka w jednym ramieniu interferometru zwiększa się, gdy ścieżka w drugim maleje.
Zupełnie inne podejście polega na przesunięciu klina z materiału przepuszczającego promieniowanie podczerwone, takiego jak KBr, w jedną z belek. Zwiększenie grubości KBr w wiązce zwiększa drogę optyczną, ponieważ współczynnik załamania światła jest wyższy niż powietrza. Jednym z ograniczeń tego podejścia jest to, że zmienność współczynnika załamania w zakresie długości fali ogranicza dokładność kalibracji długości fali.
Pomiar i przetwarzanie interferogramu
Interferogram musi być mierzony od zerowej różnicy ścieżki do maksymalnej długości, która zależy od wymaganej rozdzielczości. W praktyce skan może znajdować się po obu stronach zera, co skutkuje dwustronnym interferogramem. Mechaniczne ograniczenia konstrukcyjne mogą oznaczać, że dla najwyższej rozdzielczości skanowanie przebiega do maksymalnego OPD tylko po jednej stronie zera.
Interferogram jest konwertowany na widmo przez transformację Fouriera. Wymaga to zapisania go w postaci cyfrowej jako serii wartości w równych odstępach różnicy drogi między dwiema wiązkami. Aby zmierzyć różnicę ścieżek, wiązka laserowa jest przesyłana przez interferometr, generując sygnał sinusoidalny, w którym odstęp między kolejnymi maksimami jest równy długości fali lasera (zwykle stosuje się laser HeNe 633 nm ). Może to spowodować, że przetwornik analogowo-cyfrowy zmierzy sygnał podczerwieni za każdym razem, gdy sygnał laserowy przejdzie przez zero. Alternatywnie, sygnały laserowe i IR mogą być mierzone synchronicznie w mniejszych odstępach czasu, przy czym sygnał IR w punktach odpowiadających przejściu przez zero sygnału laserowego jest określany przez interpolację. Takie podejście pozwala na użycie przetworników analogowo-cyfrowych, które są dokładniejsze i dokładniejsze niż przetworniki, które mogą być wyzwalane, co skutkuje niższym poziomem szumów.
Wynikiem transformacji Fouriera jest widmo sygnału w szeregu dyskretnych długości fal. Zakres długości fal, które można wykorzystać w obliczeniach, jest ograniczony przez oddzielenie punktów danych na interferogramie. Najkrótsza rozpoznawalna długość fali to dwukrotność odległości między tymi punktami danych. Na przykład z jednym punktem na długość fali lasera referencyjnego HeNe przy0,633 μm (15 800 cm −1 ) najkrótsza długość fali to1,266 μm (7900 cm- 1 ). Ze względu na aliasing, jakakolwiek energia przy krótszych długościach fal byłaby interpretowana jako pochodząca z dłuższych fal i dlatego musi być minimalizowana optycznie lub elektronicznie. Rozdzielczość spektralna, czyli odstęp pomiędzy rozróżnialnymi długościami fal, jest określany przez maksymalny OPD. Długości fal używane do obliczania transformaty Fouriera są takie, że dokładna liczba długości fal pasuje do długości interferogramu od zera do maksymalnego OPD, ponieważ sprawia to, że ich wkłady są ortogonalne. Daje to widmo z punktami oddzielonymi równymi przedziałami częstotliwości.
Dla maksymalnej drogi różnicy d sąsiednie długości fal X 1 i λ 2 będą miały n i (n + 1) cykl, odpowiednio, w interferogramu. Odpowiednie częstotliwości to ν 1 i ν 2 :
d = nλ 1 oraz d = (n+1)λ 2 λ 1 = d/n i λ 2 = d / (n + 1) ν 1 = 1/λ 1 i ν 2 = 1/λ 2 ν 1 = n/d oraz ν 2 = (n+1)/d ν 2 − ν 1 = 1/d
Separacja jest odwrotnością maksymalnego OPD. Na przykład maksymalny OPD wynoszący 2 cm powoduje oddzielenie0,5 cm- 1 . Jest to rozdzielczość widmowa w tym sensie, że wartość w jednym punkcie jest niezależna od wartości w sąsiednich punktach. Większość przyrządów może pracować w różnych rozdzielczościach, wybierając różne OPD. Przyrządy do rutynowych analiz zazwyczaj mają najlepszą rozdzielczość około0,5 cm- 1 , podczas gdy spektrometry zbudowano o rozdzielczościach sięgających0,001 cm- 1 , co odpowiada maksymalnemu OPD wynoszącemu 10 m. Należy zidentyfikować punkt na interferogramie odpowiadający różnicy ścieżki zerowej, zwykle zakładając, że jest to miejsce, w którym występuje maksymalny sygnał. Ten tak zwany centerburst nie zawsze jest symetryczny w rzeczywistych spektrometrach, więc może być konieczne obliczenie korekcji fazy. Sygnał interferogramu zanika wraz ze wzrostem różnicy ścieżek, a szybkość zanikania jest odwrotnie proporcjonalna do szerokości cech w widmie. Jeśli OPD nie jest wystarczająco duże, aby sygnał interferogramu zanikał do pomijalnego poziomu, pojawią się niepożądane oscylacje lub listki boczne związane z cechami w wynikowym widmie. Aby zredukować te listki boczne, interferogram jest zwykle mnożony przez funkcję, która zbliża się do zera przy maksymalnym OPD. Ta tak zwana apodyzacja zmniejsza amplitudę wszelkich listków bocznych, a także poziom szumu, kosztem pewnego zmniejszenia rozdzielczości.
W celu szybkiego obliczenia liczba punktów na interferogramie musi być równa potędze dwójki. Aby to osiągnąć, do mierzonego interferogramu można dodać ciąg zer. Więcej zer można dodać w procesie zwanym wypełnianiem zerami, aby poprawić wygląd końcowego widma, chociaż nie ma poprawy rozdzielczości. Alternatywnie, podobny wynik daje interpolacja po przekształceniu Fouriera.
Zalety
Istnieją trzy główne zalety spektrometru FT w porównaniu ze spektrometrem skanującym (dyspersyjnym).
- Multipleks lub przewaga Fellgetta . Wynika to z faktu, że informacje ze wszystkich długości fal są zbierane jednocześnie. Skutkuje to wyższym stosunkiem sygnału do szumu dla danego czasu skanowania dla obserwacji ograniczonych przez stały wkład szumu detektora (zazwyczaj w obszarze widma termicznej podczerwieni, gdzie fotodetektor jest ograniczony przez szum rekombinacji generacji ). Dla widma z elementami rozdzielczości m wzrost ten jest równy pierwiastkowi kwadratowemu z m . Alternatywnie pozwala na krótszy czas skanowania dla danej rozdzielczości. W praktyce często uśrednia się wiele skanów, zwiększając stosunek sygnału do szumu o pierwiastek kwadratowy z liczby skanów.
- Przepustowość lub przewaga Jacquinot. Wynika to z faktu, że w instrumencie dyspersyjnym monochromator posiada szczeliny wejściowe i wyjściowe, które ograniczają ilość przechodzącego przez niego światła. Przepustowość interferometru jest określona tylko przez średnicę skolimowanej wiązki pochodzącej ze źródła. Chociaż szczeliny nie są potrzebne, spektrometry FTIR wymagają apertury, aby ograniczyć zbieżność skolimowanej wiązki w interferometrze. Dzieje się tak, ponieważ promienie zbieżne są modulowane przy różnych częstotliwościach, gdy zmienia się różnica ścieżek. Taka szczelina nazywana jest stopem Jacquinot. Dla danej rozdzielczości i długości fali ta okrągła przysłona przepuszcza więcej światła niż szczelina, co skutkuje wyższym stosunkiem sygnału do szumu.
- Dokładność długości fali lub przewaga Connesa. Skala długości fali jest kalibrowana przez wiązkę laserową o znanej długości fali, która przechodzi przez interferometr. Jest to znacznie stabilniejsze i dokładniejsze niż w przyrządach dyspersyjnych, gdzie skala zależy od mechanicznego ruchu siatek dyfrakcyjnych. W praktyce dokładność jest ograniczona rozbieżnością wiązki w interferometrze, która zależy od rozdzielczości.
Kolejną niewielką zaletą jest mniejsza wrażliwość na światło rozproszone, czyli promieniowanie o jednej długości fali pojawiające się na innej długości fali w widmie. W przyrządach dyspersyjnych jest to wynik niedoskonałości siatek dyfrakcyjnych i przypadkowych odbić. W przyrządach FT nie ma bezpośredniego odpowiednika, ponieważ pozorna długość fali jest określana przez częstotliwość modulacji w interferometrze.
Rezolucja
Interferogram należy do wymiaru długości. Transformata Fouriera (FT) odwraca wymiar, więc FT interferogramu należy do odwrotności wymiaru długości ([L−1]), czyli wymiaru liczby falowej . Rozdzielczość widmowa w cm -1 jest równa odwrotności opóźnienie maksymalne u cm. Tak więc rozdzielczość 4 cm- 1 zostanie uzyskana, jeśli maksymalne opóźnienie wynosi 0,25 cm; jest to typowe dla tańszych instrumentów FTIR. Znacznie wyższą rozdzielczość można uzyskać, zwiększając maksymalne opóźnienie. Nie jest to łatwe, ponieważ ruchome lustro musi poruszać się po niemal idealnej linii prostej. Zastosowanie naroży sześcianu lustra zamiast płaskich zwierciadeł jest przydatna jako promienia wychodzącego z lustrem naroży sześcianu równoległy do odbieranego promieniowania, bez względu na orientację lustro wokół osi prostopadłej do osi wiązki światła . W 1966 Connes zmierzył temperaturę atmosfery Wenus , rejestrując widmo drgań i rotacji wenusjańskiego CO 2 z rozdzielczością 0,1 cm- 1 . Sam Michelson próbował rozdzielić pasmo emisji wodoru H α w widmie atomu wodoru na jego dwa składniki za pomocą swojego interferometru. p25 Spektrometr o rozdzielczości 0,001 cm- 1 jest już dostępny na rynku. Zaleta przepustowości jest ważna dla FTIR o wysokiej rozdzielczości, ponieważ monochromator w instrumencie dyspersyjnym o tej samej rozdzielczości miałby bardzo wąskie szczeliny wejściowe i wyjściowe .
Motywacja
FTIR to metoda pomiaru widm absorpcji i emisji podczerwieni. Aby dowiedzieć się, dlaczego ludzie mierzą widma absorpcji i emisji podczerwieni, czyli dlaczego i jak substancje pochłaniają i emitują światło podczerwone, zobacz artykuł: Spektroskopia w podczerwieni .
składniki
Źródła podczerwieni
Spektrometry FTIR są najczęściej używane do pomiarów w środkowej i bliskiej podczerwieni. Dla obszaru średniej podczerwieni, 2-25 μm (5000-400 cm- 1 ), najczęstszym źródłem jest element z węglika krzemu podgrzany do około 1200 K ( Globary ). Wyjście jest podobne do ciała doskonale czarnego. Krótsze długości fal bliskiej podczerwieni, 1-2,5 μm (10 000-4000 cm- 1 ), wymagają źródła o wyższej temperaturze, zwykle lampy wolframowo-halogenowej. Ich długość fali wyjściowej jest ograniczona do około 5 μm (2000 cm- 1 ) przez absorpcję otoczki kwarcowej. W przypadku dalekiej podczerwieni, zwłaszcza przy długościach fal powyżej 50 μm (200 cm- 1 ), rtęciowa lampa wyładowcza daje wyższą moc wyjściową niż źródło termiczne.
Detektory
Spektrometry bliskiej podczerwieni zwykle wykorzystują detektory piroelektryczne, które reagują na zmiany temperatury, gdy zmienia się natężenie padającego na nie promieniowania podczerwonego. Czułymi elementami w tych detektorach są deuterowany siarczan triglicyny (DTGS) lub tantalan litu (LiTaO 3 ). Detektory te działają w temperaturze otoczenia i zapewniają odpowiednią czułość w większości rutynowych zastosowań. Aby uzyskać najlepszą czułość, czas skanowania wynosi zazwyczaj kilka sekund. W sytuacjach wymagających większej czułości lub szybszej reakcji stosuje się chłodzone detektory fotoelektryczne. W średniej podczerwieni najczęściej stosowane są chłodzone ciekłym azotem detektory rtęciowo-kadmowo-kadmowe (MCT). Za pomocą tych detektorów interferogram można zmierzyć w ciągu zaledwie 10 milisekund. Niechłodzone fotodiody z arsenku indowo-galowego lub DTGS są zwykle wybierane w systemach bliskiej podczerwieni. Bardzo czułe bolometry krzemowe lub germanowe chłodzone cieczą są używane w dalekiej podczerwieni, gdzie zarówno źródła, jak i dzielniki wiązki są nieefektywne.
Rozdzielacz wiązki
Idealny rozdzielacz wiązki przepuszcza i odbija 50% padającego promieniowania. Jednakże, ponieważ każdy materiał ma ograniczony zakres przepuszczalności optycznej, kilka dzielników wiązki może być używanych zamiennie, aby pokryć szeroki zakres widmowy. W obszarze średniej podczerwieni dzielnik wiązki jest zwykle wykonany z KBr z powłoką na bazie germanu, która sprawia, że jest on półodblaskowy. KBr silnie pochłania fale o długości powyżej 25 μm (400 cm- 1 ), więc CsI jest czasem używany do rozszerzenia zakresu do około 50 μm (200 cm- 1 ). ZnSe jest alternatywą, w której para wilgoci może stanowić problem, ale jest ograniczona do około 20 μm (500 cm- 1 ). CaF 2 jest zwykle materiałem do bliskiej podczerwieni, będąc trudniejsze i mniej wrażliwych na działanie wilgoci niż KBr, ale nie może być stosowany powyżej około 8 | jm (1200 cm -1 ). W prostym interferometrze Michelsona jedna wiązka przechodzi przez dzielnik wiązki dwa razy, a druga tylko raz. Aby to skorygować, wbudowana jest dodatkowa płyta kompensacyjna o równej grubości. Rozdzielacze wiązki dalekiej podczerwieni są w większości oparte na foliach polimerowych i obejmują ograniczony zakres długości fal.
Tłumiony całkowity współczynnik odbicia
Tłumiony współczynnik odbicia całkowitego (ATR) jest jednym z akcesoriów spektrofotometru FTIR do pomiaru właściwości powierzchni próbek stałych lub cienkowarstwowych, a nie ich właściwości w masie. Ogólnie rzecz biorąc, ATR ma głębokość penetracji około 1 lub 2 mikrometry, w zależności od warunków próbki.
Transformata Fouriera
W praktyce interferogram składa się z zestawu natężeń zmierzonych dla dyskretnych wartości opóźnienia. Różnica pomiędzy kolejnymi wartościami opóźnienia jest stała. Dlatego potrzebna jest dyskretna transformata Fouriera . Wykorzystywany jest algorytm szybkiej transformacji Fouriera (FFT).
Zakres spektralny
Daleka podczerwień
Opracowano pierwsze spektrometry FTIR dla zakresu dalekiej podczerwieni. Powód tego ma związek z tolerancją mechaniczną niezbędną dla dobrych parametrów optycznych, która jest związana z długością fali używanego światła. Dla stosunkowo długich fal dalekiej podczerwieni, tolerancje ~10 μm są wystarczające, podczas gdy dla regionu soli kamiennej tolerancje muszą być lepsze niż 1 μm. Typowym instrumentem był interferometr sześcienny opracowany w NPL i sprzedawany przez Grubb Parsons . Wykorzystał silnik krokowy do napędzania ruchomego lustra, rejestrując reakcję detektora po zakończeniu każdego kroku.
Średnia podczerwień
Wraz z pojawieniem się tanich mikrokomputerów stało się możliwe posiadanie komputera przeznaczonego do sterowania spektrometrem, zbierania danych, wykonywania transformacji Fouriera i prezentacji widma. To dało impuls do opracowania spektrometrów FTIR dla regionu soli kamiennej. Trzeba było rozwiązać problemy związane z wytwarzaniem bardzo precyzyjnych komponentów optycznych i mechanicznych. Obecnie na rynku dostępna jest szeroka gama instrumentów. Chociaż konstrukcja instrumentu stała się bardziej wyrafinowana, podstawowe zasady pozostają takie same. Obecnie ruchome lustro interferometru porusza się ze stałą prędkością, a próbkowanie interferogramu jest wyzwalane przez znalezienie przejść przez zero na obrzeżach interferometru wtórnego oświetlonego laserem helowo-neonowym . W nowoczesnych systemach FTIR stała prędkość zwierciadła nie jest ściśle wymagana, o ile prążki lasera i oryginalny interferogram są rejestrowane jednocześnie z większą częstotliwością próbkowania, a następnie ponownie interpolowane na stałej siatce, jak pionierem James W. Brault . Zapewnia to bardzo wysoką dokładność liczby falowej w otrzymanym widmie podczerwieni i pozwala uniknąć błędów kalibracji liczby falowej .
Bliska podczerwień
Obszar bliskiej podczerwieni obejmuje zakres długości fal między obszarem soli kamiennej a początkiem obszaru widzialnego przy około 750 nm. W tym rejonie można zaobserwować alikwoty drgań podstawowych. Stosowany jest głównie w zastosowaniach przemysłowych, takich jak kontrola procesów i obrazowanie chemiczne .
Aplikacje
FTIR może być używany we wszystkich aplikacjach, w których w przeszłości stosowano spektrometr dyspersyjny (patrz linki zewnętrzne). Ponadto zwiększona czułość i szybkość otworzyły nowe obszary zastosowań. Widma można mierzyć w sytuacjach, w których do detektora dociera bardzo mało energii, a szybkość skanowania może przekraczać 50 widm na sekundę. Spektroskopia w podczerwieni z transformacją Fouriera jest stosowana w geologii , chemii, materiałach i biologii.
Materiały nano i biologiczne
FTIR jest również wykorzystywany do badania różnych nanomateriałów i białek w środowiskach membran hydrofobowych. Badania pokazują zdolność FTIR do bezpośredniego określania polarności w danym miejscu wzdłuż szkieletu białka transbłonowego. Za pomocą FTIR można przeprowadzić analizę cech wiązań związanych z różnymi nanomateriałami organicznymi i nieorganicznymi oraz ich analizę ilościową.
Mikroskopia i obrazowanie
Mikroskop na podczerwień umożliwia obserwację próbek i pomiary widm z obszarów o średnicy zaledwie 5 mikronów. Obrazy można generować, łącząc mikroskop z detektorami liniowymi lub dwuwymiarowymi. Rozdzielczość przestrzenna może zbliżyć się do 5 mikronów z dziesiątkami tysięcy pikseli. Obrazy zawierają widmo dla każdego piksela i mogą być oglądane jako mapy pokazujące intensywność przy dowolnej długości fali lub kombinacji długości fal. Pozwala to zaobserwować rozmieszczenie różnych związków chemicznych w próbce. Typowe badania obejmują analizę skrawków tkanek jako alternatywę dla konwencjonalnej histopatologii i badanie jednorodności tabletek farmaceutycznych.
Nanoskala i spektroskopia poniżej granicy dyfrakcji
Rozdzielczość przestrzenną FTIR można dodatkowo poprawić poniżej skali mikrometrowej, integrując ją z platformą skaningowej mikroskopii optycznej bliskiego pola . Odpowiednia technika nazywana jest nano-FTIR i pozwala na wykonywanie szerokopasmowej spektroskopii na materiałach w ultramałych ilościach (pojedyncze wirusy i kompleksy białkowe) oraz z rozdzielczością przestrzenną od 10 do 20 nm.
FTIR jako detektor w chromatografii
Szybkość FTIR pozwala na otrzymanie widm ze związków, ponieważ są one rozdzielane za pomocą chromatografu gazowego. Jednak ta technika jest mało stosowana w porównaniu z GC-MS (chromatografia gazowa-spektrometria mas), która jest bardziej czuła. Metoda GC-IR jest szczególnie przydatna do identyfikacji izomerów, które ze swej natury mają identyczne masy. Frakcje z chromatografii cieczowej są trudniejsze ze względu na obecny rozpuszczalnik. Jednym godnym uwagi wyjątkiem jest pomiar rozgałęzień łańcucha w funkcji wielkości cząsteczki w polietylenie za pomocą chromatografii żelowo-permeacyjnej , co jest możliwe przy użyciu rozpuszczalników chlorowanych, które nie mają absorpcji w danym obszarze.
TG-IR (analiza termograwimetryczna – spektrometria w podczerwieni)
Pomiar gazu wydzielonego podczas podgrzewania materiału pozwala na jakościową identyfikację gatunków w celu uzupełnienia czysto ilościowych informacji dostarczanych przez pomiar utraty masy.
Oznaczanie zawartości wody w tworzywach sztucznych i kompozytach
Analiza FTIR służy do określania zawartości wody w dość cienkich częściach z tworzyw sztucznych i kompozytów, częściej w warunkach laboratoryjnych. Takie metody FTIR są od dawna stosowane w tworzywach sztucznych i zostały rozszerzone na materiały kompozytowe w 2018 roku, kiedy metodę wprowadzili Krauklis, Gagani i Echtermeyer. Metoda FTIR wykorzystuje maksima pasma absorbancji przy około 5200 cm−1, co koreluje z rzeczywistą zawartością wody w materiale.
Zobacz też
Bibliografia
Linki zewnętrzne
- Infracord spektrometr fotografia
- Interferometr sześcienny Grubba-Parsonsa-NPL Spektroskopia, część 2, Dudley Williams, strona 81
- materiały na podczerwień Właściwości wielu kryształów soli i użytecznych linków.
- Przykładowe laboratorium uniwersyteckie FTIR z University of Bristol