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.
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 (, %).
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.
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.
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.
Источник излучения
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.
+ Оптические свойства некоторых материалов, применяемых в ИК-спектроскопииМатериалОбласть 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 NaClKCl 0,25—160,30—20 40 000—62533 333—500 Растворим в спирте и воде, дёшев, применяются для ИК-окон AgClAgBr 0,4—300,45—30 25 000—33322 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
Монохроматор
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.
См. также Инфракрасная спектроскопия
Примечания
Литература
Категория:Инфракрасная спектроскопия Категория:Физическая химия