Инфракрасные спектрометры с преобразованием Фурье

В ИК-ПФ спектрометрах (рис. 3-7) используется принцип работы интерферометра Майкельсона, который обладает тем преимуществом, что для измерения спектра одномоментно используется широкая об­ласть излучения ИК-источника. Этим они выгодно отличаются от ска­нирующих ИК-спектрометров, в которых, как было сказано, в каждый момент времени используется только одна длина волны, выделяемая с помощью монохроматоров. Лучшее использование излучения улучша­ет отношение сигнал/луч в приборе, что особенно важно при анализе сильно поглощающих образцов, для которых измерения могут быть существенно ограничены фотонным дробовым шумом. Кроме этого, спектральное разрешение, ограничивающееся длиной пути от подвиж­ного зеркала, у ИК-ПФ-спектрометров обычно лучше, чем у сканиру­ющих.

Рис.2. Устройство сканирующего инфракрасного (ИК) спектрометра. Монохроматор разделяет излучение от ИК-источника на раз­личные длины волн и выбирает одну длину волны в данный момент. Светоделитель расщепляет пучок на два луча, один из которых направляется на образец, а второй остается конт­рольным. Коэффициент поглощения (зависящий от химичес­ких и структурных свойств молекул образца) вычисляется на основе отношения интенсивно: концентрации образца.

В ИК-ПФ-спектрометрах (рис.3) пучок излучения от ИК-источника фокусируется на светоделитель, который сконструирован таким образом, что половина пучка передается на подвижное зеркало, а дру­гая половина — на неподвижное зеркало. Оба зеркала отражают пучок обратно на светоделитель, который отражает половину обоих пучков на детектор, где они интерферируют согласно разности их фаз. Изме­нение интенсивности света в зависимости от разности оптических пу­тей, называемое интерферограммой, является Фурье-преобразованием для спектра падающего света (интенсивности света как функции от волнового числа). Спектры поглощения получаются путем измерения интерферограмм для пустой ячейки и ячейки с образцом и последую­щего их обратного Фурье преобразования (рис. 4-6).

На рис.4 показаны три примера интерференции двух лучей моно-хроматического света, которые приводят к различным интенсивностям на интерферограммах. Интенсивность полос на интерферограмме, при интерференции в ИК-ПФ спектрометре двух поли­хроматических лучей с равной интенсивностью описывается уравне­нием

,

где d есть разность фаз между двумя лучами, const - константа, I_луч — интенсивность лучей и n — волновое число. Применяя к интерферограмме обратное Фурье-преобразование, можно вычислить интенсив­ность лучей:

Рис. 3. Типовая конструкция ИК-ПФ-спектрометра. Тепловой источ­ник (например, лампа) испускает пучок инфракрасного излу­чения. Интеферометр Майкельсона, состоящий из светоделителя, подвижного и неподвижного зеркал, расщепляет пучок на два луча и генерирует их интерференцию. Образец, поме­щенный на пути одного из лучей, изменяет интерференцию. Интерферограммы с образцом и без него регистрируются, и поглощение образца вычисляется с использованием обратного преобразования Фурье (см. рис.6).

Рис.4. Интерференция двух монохроматических лучей света с равны­ми интенсивностями. Вверху: оба луча имеют одну и ту же фазу; их интерференция дает максимальные интенсивности на интерферограмме, т.е. обе интенсивности суммируются. Посередине: при разности фаз l/4 интенсивность интерферограмы равна интенсивности интерферирующих лучей. Внизу, при раз­ности фаз l/2 оба луча гасят друг друга.

Рис. 5.Пример интерферограммы двух полихроматических пучков света

Подобным же образом из интерферограммы вычисляют интенсив­ность луча с образцом на его пути. Поглощение образца определяется как логарифм отношения интенсивностей без образца и с образцом.

Наиболее подходящим материалом для изготовления ячеек (кювет), держателей образцов и окошек является кварц (рис.7). Поли­рованные кварцевые пластины толщиной 0.5- 1 мм достаточно прозрачны в области 400—4000 см^-1 (длины волн 25-2.5 мкм).

Только хрупкость этого материала и его высокий показатель преломления могут создавать проблемы при использовании в некото­рых экспериментальных установках. Обычно используемые источники инфракрасного излучения работают при 1000°С. Светоделители полу­чают путем напыления тонкой пленки германия на слайды их бро­мида калия (КВг) или иодида цезия (Csl); они прозрачны, соответ­ственно, вплоть до 400 см^-1 (длина волны 25 мкм) и 200 см^-1 (длина волны 50 мкм). Материалом для пироэлектрических детекторов наи­более часто служат теллурид ртуть-кадмия (ТРК) или дейтерированный сульфат триглицина (ДСТГ). Для их охлаждения используют жидкий азот.