Принципы устройства и действия ИК-спектрометров

Благодаря успехам в развитии спектрального приборостроения, в настоящее время имеются приборы различных конструкций, которые охватывают весь диапазон инфракрасного излучения.

По принципу получения спектра приборы для ИК-области можно разделить на две основные группы: диспергирующие и недиспергирующие.

Диспергирующие спектрометры В качестве диспергирующего устройства используются призмы из материала с соответствующей ИК-диапазону дисперсией и дифракционные решетки. Обычно для средней ИК-области (400−5000 см^-1) применяют призмы из монокристаллов KBr, NaCl и LiF. В настоящее время призмы находят незначительное применение и практически вытеснены дифракционными решетками, дающими большой выигрыш в энергии излучения и высокое разрешение. Но, несмотря на высокое качество этих приборов, они все больше заменяются на фурье-спектрометры, относящиеся к группе недиспергирующих приборов.

Однои двух-лучевые схемы Сканирующие диспергирующие ИК-спектрометры по схеме освещения бывают однолучевыми и двухлучевыми. При однолучевой схеме спектр поглощения исследуемого регистрируется на совпадающей с длиной волны кривой интенсивности и вместе с фоновым поглощением. Обычно используется двухлучевая схема, которая позволяет выравнивать фон, т. е. линию полного пропускания, и компенсировать поглощение атмосферных паров Н₂О и СО₂, а также ослабление пучков окнами кюветы и, если необходимо, поглощение растворителей.

Рис. 1.4 Блок-схема двухлучевого сканирующего ИК-спектрометра

1 — источник ИКизлучения; 2 — система зеркал; 3 — рабочий пучок и образец; 4 — пучок сравнения и компенсатор фона; 5 — прерыватель-модулятор; 6 — входная щель монохроматора; 7 — диспергирующий элемент (дифракционная решетка или призма с зеркалом Литтрова); 9 — приемник; 10 — усилитель; 11 — мотор отработки; 12- фотометрический клин; 13 — самописец; 14 — мотор развертки.

Блок-схема двухлучевого сканирующего ИК-спектрометра представлена на Рис. 1.4. Регистрация спектра осуществляется следующим образом: ИК-излучение от источника 1 делится на два пучка. Рабочий пучок проходит через образец, а пучок сравнения — через какой-то компенсатор (кювета с растворителем, окно и т. п.). С помощью прерывателя 5 пучки поочередно направляются на входную щель 6 монохроматора и через нее на диспергирующий элемент 7. При медленном его повороте, осуществляемом мотором развертки 14, через выходную щель 8 монохроматора на приемник 9 последовательно проходят вырезаемые щелью узкие по интервалу длин волн, в идеале монохроматические, лучи. Если излучение данной длины волны в рабочем пучке и пучке сравнения имеет разную интенсивность, например, ослаблено в рабочем пучке поглощением образца, то на приемнике возникает переменный электрический сигнал. После усиления и преобразования этот сигнал поступает на мотор отработки 11, который приводит в движение фотометрический клин 12 (диафрагму) до уравнивания потоков излучения (метод оптического нуля). Движение фотометрического клина связано с движением пера самописца 13 по ординате, а поворот диспергирующего элемента — протяжкой бумажной ленты или движением держателя пера по абсциссе. Таким образом, в зависимости от градуировки в процессе сканирования может регистрироваться спектральная кривая зависимости пропускания (поглощения) в процентах или оптической плотности образца от волнового числа (или длины волны).

Монохроматоры Принципиальной частью сканирующих спектрометров является монохроматор. В качестве диспергирующего устройства в нем могут служить призмы из прозрачных в ИКобласти материалов с подходящей дисперсией или дифракционные решетки — эшелетты. Поскольку дисперсия материалов является наибольшей у длинноволнового предела их прозрачности и быстро падает с уменьшением длины волны, в средней ИК-области используют обычно сменные призмы, изготовленные из монокристаллов LiF, NaCl, KBr, а для области 200 — 400 см^-1 — из CsI.

Недиспергирующие приборы В основе действия Фурье-спектрометров лежит явление интерференции электромагнитного излучения. Для изготовления этих приборов используют интерферометры нескольких типов. Наибольшее распространение получил интерферометр Майкельсона. В этом приборе поток инфракрасного излучения от источника преобразуется в параллельный пучок и затем разделяется на два луча с помощью светоделителя. Один луч попадает на подвижное зеркало, второй — на неподвижное. Отраженные от зеркал лучи возвращаются тем же оптическим путем на светоделитель. Эти лучи интерферируют благодаря приобретенной разности хода, а, следовательно, и разности фаз, создаваемой подвижным зеркалом. В результате интерференции получается сложная интерференционная картина, являющаяся наложением интерферограмм, которые отвечают определенной разности хода и длине волны излучения. Объединенный световой поток проходит через образец и попадает на приемник излучения. Усиленный сигнал поступает на вход компьютера, который осуществляет Фурье-преобразование интерферограммы и получение спектра поглощения исследуемого образца.

Фурье-преобразование является сложной вычислительной процедурой, однако интенсивное развитие вычислительной техники привело к созданию небольших по размерам быстродействующих компьютеров, встроенных в спектрометр, которые позволяют за короткое время получить спектр и провести его обработку.

Рис. 1.5. Принципиальная оптическая схема интерферометра Майкельсона (без коллимации пучков)

В Фурье-спектроскопии используются в основном три типа интерферометров: Фабри-Перо, Майкельсона и ламеллярный интерферометр.

На рис. 1.5. в качестве примера представлена принципиальная оптическая схема Фурье-спектрометра, построенного по принципу Майкельсона. Поток ИК-излучения от источника 1, модулированный прерывателем 2, делится светоделителем 4 на два пучка. Один из них направляется на зеркало 3, которое связано микрометрической передачей с двигателем и может поступательно перемещаться с определенной длиной пробега и возвращаться в исходное положение. Отраженный от этого зеркала пучок интерферирует, имея заданную зеркалом 3 разность хода, с пучком, отраженным от закрепленного зеркала 5. Дальше излучение фокусируется линзами 6 на приемнике 8, проходя через исследуемый образец, помещенный в кюветное отделение 7. При движении зеркала 3 и интерференции пучков с изменяющейся разностью хода происходит сканирование в определенном спектральном диапазоне.

Регистрируемая интерферограмма представляет зависимость сигнала от разности хода пучков и является функцией энергии источника, видоизмененной поглощением образца. Фурье-преобразование полученной интерферограммы, проводимое по заданной программе мини-ЭВМ, входящей в комплект современных Фурье-спектрометров, дает результирующий спектр поглощения исследуемого образца. Спектральный интервал, который доступен для изучения, определяется используемым светоделителем. Чтобы охватить всю ИК-область, необходимо несколько сменных светоделителей, которые выполнены в виде металлических сеток, пленок или диэлектрических покрытий на подложках.

Фурье-спектроскопия имеет ряд существенных достоинств. Два главных преимущества интерферометров перед обычными спектрометрами заключаются в следующем. Во-первых, это выигрыш в энергии за счет того, что при сканировании в каждый момент времени на приемник попадает излучение всего исследуемого спектрального диапазона длин волн, а не узкий его участок, определяемый в монохроматоре обычного прибора диспергирующей системой и щелями. Иными словами, в интерферометре в течение всего времени сканирования получается информация одновременно обо всем исследуемом спектральном диапазоне, а в обычном спектрометре в разные моменты времени получается информация только об узких спектральных полосах исследуемого диапазона. Данное преимущество интерферометров особенно важно в длинноволновой области, где интенсивность излучения источника мала и отношение сигнала к шуму является лимитирующим фактором.

Во-вторых, большой выигрыш дает возможность повышения разрешающей силы интерферометра без уменьшения потока лучистой энергии. Разрешающая способность Фурьеспектрометра пропорциональна максимальной разности хода пучков и, чтобы повысить, например, вдвое разрешение спектра, нужно просто удвоить длину перемещения зеркала, а соответственно, и время регистрации.

В интерферометрах проще, чем в дифракционных спектрометрах, осуществляется фильтрация излучения нужного спектрального диапазона, т. е. значительно упрощается проблема устранения паразитного, или рассеянного света.

Указанные преимущества обеспечивают такие достоинства Фурье-спектроскопии, как: очень высокая чувствительность и точность измерений интенсивности, особенно при многократном сканировании и накоплении сигнала; очень высокое разрешение (до 10^-2 см^-1) и высокая точность определения волновых чисел; быстродействие, т. е. возможность быстрого исследования широкой спектральной области (время сканирования для интервала в несколько сотен см^-1 составляет < 1 с).

Источники ИК-излучения В качестве источников непрерывного ИК-излучения используются обычно силитовый стержень— «глобар» (штифт из карбида кремния) или штифт Нернста (из оксидов редкоземельных элементов). Кривая интенсивности излучения этих источников, нагреваемых током до высоких температур, имеет вид кривой излучения абсолютно черного тела. Так, например, у глобара при температуре ~ 1300 °C максимум интенсивности излучения приходится на область ~ 5000 см-1 (~ 2 мкм), а в области ~ 600 см-1 (16,7 мкм) интенсивность падает примерно в 600 раз.

Хорошие источники излучения в длинноволновой ИК-области вообще отсутствуют. Основная доля теплового излучения нагретых твердых тел или излучения газового разряда приходится на видимую и ближнюю ИК-область спектра, а в длинноволновой части мощность излучения этих источников составляет ничтожную долю общей мощности. Например, дуговая лампа при полной мощности излучения 1 кВт дает здесь мощность всего 10−1 Вт. До низкочастотного предела 200 см^-1 используются обычно указанные выше тепловые источники ИК-излучения, но они являются очень слабыми даже в интервале 400−200 см^-1, где кривая интенсивности I (л) имеет далекий от максимума склон. Ниже 200 см^-1 в качестве источника служит обычно ртутная лампа высокого давления. В верхней части ее рабочего диапазона используется в основном тепловое излучение нагретых стенок, а ниже — поток излучения ртутной дуги и плазменная эмиссия.

Приемники ИК-излучения В качестве приемников излучения в спектрометрах для средней ИК-области используются чувствительные термопары («термостолбики») или болометры, построенные по принципу термометров сопротивления.

К тепловым приемникам относится также пневматический или оптико-акустический приемник (ячейка Голея), в котором под действием излучения происходит тепловое расширение газа. Газ помещается в зачерненной камере с гибкой стенкой, имеющей зеркальное внешнее покрытие. Движение отраженного зеркалом светового луча регистрируется фотоэлементом. Этот приемник изготовляется обычно для длинноволновой ИК-области, где используется также другая группа приемников: квантовые или фотонные.

Основы техники эксперимента: спектрыпропускания, нарушенного полного внутреннего отражения (НПВО) и диффузного отражения.

Спектры поглощения Общие принципы Если подвергнуть какое-либо вещество воздействию непрерывной световой энергии инфракрасного диапазона и разложить прошедший световой поток в монохроматоре по длинам волн (воспользоваться Фурье-спектрометром), затем графически отобразить зависимость интенсивности прошедшего света от длины волны, получится ИК-спектр. На фоне непрерывного спектра с интенсивностью Io проявляются полосы поглощения с характерными для определенного вещества волновыми числами. Исследования показали, что ИК-спектры индивидуальны как для каждого химического соединения, так и для некоторых атомных группировок. В зависимости от состава, строения и природы связей вещества его спектр отличается от спектров других веществ по числу полос, их положению на шкале волновых чисел и интенсивности. Следовательно, ИК-спектры можно использовать с целью идентификации и качественного анализа химических соединений на наличие отдельных атомных группировок. Это первая и простейшая задача колебательной спектроскопии.

Вторая задача связана с применением колебательной спектроскопии для целей количественного анализа. Для ее решения следует лишь знать эмпирические зависимости интенсивности полос в спектре от концентрации вещества в образце.

Исследование колебательных спектров для идентификации веществ и количественного анализа представляет далеко не все возможности этого метода, который сейчас широко используется для решения задач структурной неорганической химии. А именно: а) для изучения природы химических связей, б) для исследования симметрии молекул и ионов, в) для выявления межмолекулярного взаимодействия.

При получении ИК-спектров поглощения вещества могут находиться во всех трех агрегатных состояниях: газообразном, жидком и твердом. Методика приготовления образцов и конструкция кювет зависит от агрегатного состояния вещества. Окошки кювет обычно изготовляются из монокристаллов солей главным образом галогенидов щелочных и щелочноземельных металлов (чаще всего из бромида калия). Гигроскопичность последних и неустойчивость к температурным воздействиям вызывают часто значительные трудности при получении ИК-спектров.

Газы При записи спектра газообразных веществ используются кюветы с расстоянием между окошками 100 мм и больше. Для высокотемпературной съемки спектров газов кюветы длиной около 1 м имеют металлические стаканы, центральная часть которых нагревается с помощью спирали, через которую пропускается электрический ток. Чтобы воспрепятствовать диффузии и конденсации паров вещества на охлаждаемых окошках, в кювету вводится какой-либо инертный газ.

Так как количество вещества на пути светового пучка определяется температурой и давлением газа, то для получения большей точности количественного анализа следует тщательно контролировать эти параметры .

Жидкости и растворы Для съемки спектров жидкостей и растворов используются два типа кювет: разборные и постоянной толщины. Разборные кюветы состоят из двух окошек, вкладыша и стеклянного стакана. Их толщина может варьироваться изменением высоты стеклянного стакана. Герметичность обеспечивается надежным оптическим контактом торцевых поверхностей стеклянного стакана с поверхностью окошек. Кюветы постоянной толщины состоят из двух склеенных окошек, между которыми находится прокладка определенной толщины из тефлона или свинца. Расстояние между окошками жидкостных кювет составляет обычно от 0,01 до 1 мм.

При съемке ИК-спектров растворов растворители обычно подбираются исходя из того, чтобы их пропускание в исследуемой области спектра составляло не менее 25%. Весьма широкие области пропускания характерны для таких растворителей, как CCl4, CS2, CHCl3, CH3CN, C6H6 и некоторых других. Вода в ряде областей ИК-спектра не прозрачна. Области пропускания ее можно существенно расширить, если наряду с растворами в простой воде снимать спектры растворов в тяжелой воде (D2O). Так как растворители имеют собственный спектр поглощения, то может стать проблемой подбор растворителя, в котором растворилось бы достаточное количество образца и спектр которого в то же время не налагался бы на подлежащие измерению полосы поглощения образца. Используется широкий набор различных растворителей. Большинство организаций, услугами которых пользуются лаборатории, предоставляет каталоги наиболее распространенных растворителей с указанием областей спектра, где они пригодны для использования.

При съемке спектров водных растворов для изготовления окошек кювет следует применять специальные негигроскопичные материалы: CaF2, KRS, AgCl, Si, Ge.

Твердые вещества Твердые вещества можно снимать в виде тонких срезов монокристаллов (толщиной несколько сотых мм) или пленок, но гораздо чаще приходится иметь дело с поликристаллическими порошками. Для уменьшения светорассеяния частицами таких порошков готовят их суспензии в какой-нибудь достаточно вязкой и прозрачной для ИКлучей жидкости. Для этой цели обычно используют вазелиновое масло. Для приготовления суспензии в вазелиновом масле несколько десятков миллиграммов вещества тщательно растирают в агатовой или яшмовой ступке с двумя-тремя каплями масла. Суспензию наносят тонким слоем на пластинку из бромида калия и покрывают второй пластинкой. Если операцию приготовления образца проводить в сухой камере, то таким образом можно исследовать даже весьма гигроскопичные вещества.

Для съемки ИК-спектров поликристаллических порошков их можно прессовать также вместе с избытком бромида калия в таблетки толщиной несколько миллиметров. Для получения таблеток используются специальные вакуумные пресс-формы и давление несколько тонн на 1 см². Таблетки с бромидом калия можно использовать для приближенных количественных измерений составов смесей по интенсивностям полос. Следует только учитывать, что при приготовлении таблеток лабильные комплексы могут разлагаться за счет выделяющегося при прессовании тепла. Кроме того, возможен ионный обмен некоторых соединений с бромидом калия, а сильные окислители окисляют бромид-ион до брома. Обычно спектр твердого органического образца заметно зависит от кристаллической модификации, поэтому при работе с твердыми образцами следует заботиться о том, чтобы полиморфная форма образца была всегда одной и той же.

Количественный анализ Внутренние стандарты Приготовленные таким образом образцы трудно измерять количественно, так как невозможно ни задать точную концентрацию в пасте, ни количественно нанести ее на определенную площадь окошек кюветы. Чтобы избежать этого затруднения, можно использовать метод внутреннего эталона. Подбирают такой внутренний эталон, который имеет полосы ИК-поглощения в той области, где у образца нет собственных полос поглощения. Определенную смесь внутреннего стандарта и образца смешивают и диспергируют в виде пасты, как указано выше.

Отношение оптических плотностей полос поглощения образца и внутреннего эталона является мерой концентрации образца. Часто в качестве внутренних эталонов используют неорганические вещества, так как обычно они имеют простые спектры с узкими полосами, легко размельчаются и образуют суспензии. Для этой цели применяются PbCNS, CaCO3, додеканитрил, антрацен и стеараты металлов.

Дифференциальный метод После того как образец подготовлен для записи спектра, следует выбрать технику измерения. Обычно достаточно измерить высоту пика над базовой линией и связать ее с концентрацией образца.

В тех случаях, когда требуется высокая точность или большая чувствительность, полезно использовать дифференциальный метод. При этом в пучок сравнения двухлучевого прибора помещают тщательно приготовленную холостую таблетку или кювету, спектр которой вычитается из спектра образца. В кювету или таблетку сравнения обычно вводят исключаемые компоненты, присутствующие в образце, в таких концентрациях, чтобы их спектры полностью скомпенсировались. Регистрируемый в этих условиях спектр является спектром лишь интересующих нас компонентов без наложения спектров исключаемых компонентов, присутствующих в смеси. Для повышения точности анализа в кювету сравнения можно добавить известное количество определяемого компонента, а интенсивность дифференциального спектра увеличить, увеличивая толщину слоя или повышая усиление прибора.

Если требуется определить очень малые количества вещества, то можно использовать так называемый двойной дифференциальный метод, который состоит в том, что спектр образца регистрируется относительно некоторого контрольного вещества, затем образец и кювету сравнения меняют местами и записывают спектр на том же бланке. Измеряя вместе положительные и отрицательные пики (при этом высота их удваивается), получают увеличение чувствительности. При использовании этого метода можно в благоприятных случаях определять десятитысячные доли процента вещества.