Приборы для регистрации ИК-спектров

В основе получения ИК-спектра лежит облучение исследуемого образца ИК-светом с постепенно изменяющейся частотой с помощью прибора — ИК-спектрофотометра.

Схема ИК-спектрофотометра (рис. 3) сходна со схемой УФ-спектрофотометра, однако конструкция приборов более сложна. ИКизлучение является тепловым; его источником обычно служит керамический стержень (SiСкарборунд), раскаляемый проходящим электрическим током. С помощью системы зеркал световой поток разделяется на два одинаковых луча, один из которых пропускается через кювету с веществом, другой — через кювету сравнения. Прошедшие через кюветы излучение поступает в монохроматор, состоящий из вращающейся призмы, зеркала и щели, позволяющий выделять излучение со строго определенной частотой и плавно изменять эту частоту. Учитывая, что в ИКобласти большинство веществ непрозрачно, призмы изготовляются из монокристаллов солей [9].

спектроскопия лекарственный средство инфракрасный.

Рис. 3. Схема ИК-спектрофотометра

Интенсивности двух световых потоков (основного и луча сравнения), прошедших через монохроматор, автоматически вычитаются одна из другой. Электрический импульс, образующийся при попадании результирующего светового потока на детектор типа термопары, усиливается и регистрируется самопищущим потенциометром. Запись представляет собой ИК-спектр в виде зависимости поглощения или пропускания (в %) от частоты (в см^-1) или длины волны (в мкм).

Для регистрации ИК-спектров используют ИК-спектрофотометры, которые по принципу устройства можно разделить на диспергирующие и недиспергирующие. Спектры веществ, полученные на недиспергирующих спектрофотометрах, не отличаются от спектров, полученных на диспергирующих ИК-спектрофотометрах, и характеризуют только данное вещество.

К диспергирующим приборам относятся сканирующие спектрометры, построенные на базе монохроматора. Схема (рис. 4) ИК-спектрофотометра во многом сходна со схемой спектрофотометра видимой и ультрафиолетовой области. Здесь также с помощью системы зеркал (М1 и М2) световой поток разделяется на два одинаковых луча, один из них пропускается через кювету с исследуемым веществом, другой — через кювету сравнению. Прошедшее через кюветы излучение поступает в монохроматор, состоящий из вращающейся призмы, зеркала и щели и позволяющий выделять излучение со строго определенной частотой, а также плавно менять частоту. Оба луча встречаются в зеркальном секторе М3. При вращении зеркала в монохроматор попеременно попадают либо отраженный опорный луч, либо прошедший через прорезь луч от образца. Возникающий за счет разности энергий лучей, попадающих на детектор, электрический импульс усиливается и регистрируется самопишущим потенциометром. ИК-спектр представляет собой зависимость поглощения или пропускания (%) от частоты (см-¹) [3].

Рис. 4. Оптическая схема двулучевого ИК-спектрофотометра.

В современных приборах призма заменяется дифракционной решеткой, позволяющей значительно увеличить разрешающую способность спектрофотометров.

К недиспергирующим приборам относят ИК-Фурье спектрофотометры, в которых вместо монохроматора применяются интерферометры.

Принципиальная блок-схема Фурье-спектрофотометра приведена на рисунке 5. Интерферометр содержит два взаимно перпендикулярных зеркала — неподвижное (1) и подвижное (2) и полупрозрачную светоделительную пластину (3), расположенную в месте пересечения падающих пучков излучения и пучков, отраженных от обоих зеркал. Интерферометр производит единственный тип сигнала, в котором «закодированы» все ИК частоты. Сигнал можно измерить очень быстро, за время порядка 1 с.

1 — неподвижное зеркало интерферометра; 2 — подвижное зеркало; 3 — светоделительная пластина; 4 — источник излучения; 5 — исследуемый образец; 6 — детектор излучения.

Поток инфракрасного излучения от источника 4, попадая на пластину 3, разделяется на два пучка. Один из них направляется на неподвижное зеркало 1, второй — на подвижное зеркало 2, которое может перемещаться с постоянной скоростью в направлении, перпендикулярном его фронтальной плоскости. Оба пучка, отразившись от зеркал, выходят через светоделитель из интерферометра в одном и том же направлении [8].

Далее излучение фокусируется на образце 5 и поступает на детектор излучения 6. Два пучка отличаются друг от друга оптической разностью хода, величина которой меняется в зависимости от положения подвижного зеркала. В результате интерференции пучков интенсивность результирующего потока периодически меняется (модулируется). Частота модуляции зависит от частоты падающего излучения v и смещения подвижного зеркала х. В результирующей интерферограмме выделяется так называемая точка нулевой разности хода, или точка белого света. В этой точке для всех частот наблюдается максимум; от нее ведут отсчет смещения подвижного зеркала. Для градуировки перемещений последнего часто используют интерферограмму монохроматического излучения от лазера (обычно на основе Не — Ne), введенного в Фурье-спектрофотометр.

Регистрируемая детектором интерферограмма, возникающая при перемещении зеркала, содержит информацию об изменении каждой частоты в спектре источника, которое вызвано поглощением образца.

Компьютер по заданной программе обрабатывает интерферограмму и преобразует ее в обычный ИК-спектр (Фурье-преобразование).

К достоинствам Фурье-спектрофотометров следует отнести прежде всего быстродействие — любая точка интерферограммы содержит информацию о всей исследуемой спектральной области. На детектор в каждый момент поступают сигналы, соответствующие всем частотам. За одно сканирование (за время t₁) регистрируется спектр с таким же отношением сигнал/шум, как и для дисперсионного спектрофотометра (но за время t₂ на несколько порядков большее, чем t₁), т. е. интерферограмма записывается в запоминающее устройство вычислительной машины в течение времени сканирования (?1 с), в то время как для записи спектра сканирующими ИК-спектрофотометрами требуется несколько минут. Это преимущество Фурье-спектрофотометра называется выигрышем Фелжетта.

Другое важное преимущество Фурье-спектрофотометра — выигрыш Жакино, или геометрический фактор, определяется отсутствием в нем щелей (задерживающих в дисперсионных спектрофотометрах до 99,9% излучения), что дает значительный выигрыш в светосиле (~ в 100−200 раз) [11].

По сравнению со сканирующими ИКспектрофотометрами ИК-Фурье спектрофотометры обладают большей разделяющей способностью, определяющейся длиной хода зеркала и емкостью памяти вычислительной системы. Вследствие того, что интерферометр модулирует каждую частоту излучения различным образом, отсутствует влияние рассеянного излучения, это обеспечивает высокую точность измерений даже высокой оптической плотности.

Любое излучение, исходящее из образца, не модулируется и не детектируется, так что в спектре отсутствуют ложные сигналы.

Использование ЭВМ позволяет кроме вычисления спектра автоматизировать многие операции, многократно суммировать интерферограммы с целью улучшения отношения сигнал/шум, осуществлять управление и контроль за работой самого прибора [13].

Быстрое развитие и широкое применение ИК-Фурье спектроскопии обусловлены перечисленными выше преимуществами ИК-Фурье-спектрометров по сравнению с дисперсионными приборами.