Fourier-Transform-Infrarotspektroskopie

"Ftir" leitet hier weiter. FTIR kann sich auch beziehen Frustrierte totale interne Reflexion.

Fourier-Transform-Infrarotspektroskopie (Ftir)[1] ist eine Technik, um eine zu erhalten Infrarot Spektrum von Absorption oder Emission eines festen, flüssigen oder gas. Ein FTIR-Spektrometer sammelt gleichzeitig hochauflösende Spektraldaten über einen weiten Spektralbereich. Dies verschafft einen erheblichen Vorteil gegenüber a Dispersiv Spektrometer, was die Intensität über einen engen Bereich von misst Wellenlängen zu einer Zeit.

Der Begriff Fourier-Transformation Infrarot-Spektroskopie stammt aus der Tatsache, dass a Fourier-Transformation (Ein mathematischer Prozess) ist erforderlich, um die Rohdaten in das tatsächliche Spektrum umzuwandeln.

Ein Beispiel für ein FTIR -Spektrometer mit einem abgeschwächte Gesamtreflexion (ATR) Anhang

Konzeptionelle Einführung

Ein FTIR -Interferogramm. Der zentrale Peak befindet sich an der ZPD -Position ("Null -Pfaddifferenz" oder Null -Verzögerung), wobei die maximale Lichtmenge durch die durchläuft Interferometer zum Detektor.

Das Ziel von Absorptionsspektroskopie Techniken (ftir, Ultraviolett-sichtbar ("UV-Vis") Spektroskopieusw.) ist zu messen, wie viel Licht eine Probe an jeder Wellenlänge absorbiert. Die unkomplizierteste Möglichkeit, dies zu tun, die Technik "Dispersive Spektroskopie" besteht darin, a zu glänzen a monochromatisch Lichtstrahl bei einer Probe, messen Sie, wie viel Licht absorbiert wird, und wiederholen Sie für jede unterschiedliche Wellenlänge. (So ​​einige UV -Vis -Spektrometer Arbeiten zum Beispiel.)

Die Fourier -Transformationsspektroskopie ist eine weniger intuitive Möglichkeit, dieselben Informationen zu erhalten. Eher als zu leuchten a monochromatisch Lichtstrahl (ein Strahl, der nur aus einer einzelnen Wellenlänge besteht) an der Probe strahlt einen Strahl mit vielen Lichtfrequenzen gleichzeitig und misst, wie viel von diesem Strahl von der Probe absorbiert wird. Als nächstes wird der Strahl so modifiziert, dass er eine andere Kombination von Frequenzen enthält, was einen zweiten Datenpunkt ergibt. Dieser Vorgang wird über kurze Zeitspanne um ein Vielfaches wiederholt. Anschließend nimmt ein Computer all diese Daten und arbeitet nach hinten, um zu schließen, wie die Absorption bei jeder Wellenlänge liegt.

Der oben beschriebene Strahl wird durch Beginn mit a erzeugt Breitband Lichtquelle - eine, die das vollständige Spektrum der zu gemessenen Wellenlängen enthält. Das Licht scheint in a Michelson Interferometer- Eine bestimmte Konfiguration von Spiegeln, von denen eine von einem Motor bewegt wird. Wenn sich dieser Spiegel bewegt Wellenmischung. Unterschiedliche Wellenlängen werden mit unterschiedlichen Raten moduliert, so dass der aus dem Interferometer herauskommende Strahl zu jedem Moment oder in jedem Moment ein anderes Spektrum hat.

Wie bereits erwähnt, ist eine Computerverarbeitung erforderlich, um die Rohdaten (Lichtabsorption für jede Spiegelposition) in das gewünschte Ergebnis (Lichtabsorption für jede Wellenlänge) zu verwandeln. Die erforderliche Verarbeitung ist ein gemeinsamer Algorithmus genannt Fourier-Transformation. Die Fourier -Transformation wandelt eine Domäne (in diesem Fall Verschiebung des Spiegels in cm) in seine inverse Domäne (Wellenzahlen in cm–1). Die Rohdaten werden als "Interferogramm" bezeichnet.

Geschichte

Der erste kostengünstige Spektrophotometer in der Lage, eine aufzunehmen Infrarotspektrum war das Perkin-Elmer Infracord produziert 1957.[2] Dieses Instrument bedeckte den Wellenlängenbereich zwischen 2,5 μm bis 15 μm (Wellenzahl Bereich 4.000 cm–1 bis 660 cm–1). Die niedrigere Wellenlängengrenze wurde ausgewählt, um die höchste bekannte Schwingungsfrequenz aufgrund eines grundlegenden molekulare Schwingung. Die Obergrenze wurde durch die Tatsache auferlegt, dass die Element verteilt war ein Prisma aus einem einzelnen Kristall aus Gesteinssalz (Natriumchlorid), das bei Wellenlängen länger als etwa 15 μm undurchsichtig wird; Diese spektrale Region wurde als Rock-Salt-Region bekannt. Später verwendete Instrumente Kaliumbromid Prismen, um den Bereich auf 25 μm (400 cm zu verlängern–1) und Cäsiumiodid 50 μm (200 cm–1). Die Region über 50 μm (200 cm)–1) wurde als weitinfrarotische Region bekannt; Bei sehr langen Wellenlängen verschmilzt es sich in die Mikrowelle Region. Messungen im Ferninfrarot benötigten die Entwicklung von genau Regel Beugungsgitter die Prismen als Verbreitung von Elementen zu ersetzen, da Salzkristalle in dieser Region undurchsichtig sind. Empfindlichere Detektoren als die Bolometer wurden aufgrund der geringen Energie der Strahlung erforderlich. Einer war das war das Golay -Detektor. Ein zusätzliches Problem ist die Notwendigkeit, atmosphärisch auszuschließen Wasserdampf Weil Wasserdampf ein intensives Reines hat Rotationsspektrum in dieser Region. Ferninfrarot-Spektrophotometer waren umständlich, langsam und teuer. Die Vorteile der Michelson Interferometer waren bekannt, aber beträchtliche technische Schwierigkeiten mussten überwunden werden, bevor ein kommerzielles Instrument gebaut werden konnte. Auch ein elektronischer Computer wurde benötigt, um die erforderliche Fourier -Transformation durchzuführen, und dies wurde nur für den Aufkommen von praktikabel Minicomputer, so wie die PDP-8, die 1965 erhältlich wurde[1] (Digilab FTIRs sind heute Teil der molekularen Produktlinie von Agilent Technologies, nachdem sie das Spektroskopiegeschäft von der Spektroskopie erworben hat Varian).[3][4]

Michelson Interferometer

Hauptartikel: Michelson Interferometer
Schematisches Diagramm eines Michelson -Interferometers, das für FTIR konfiguriert ist

In einem Michelson Interferometer für ftir angepasst, Licht aus der polychromatischen Infrarotquelle, ungefähr a Schwarzkörper Kühler ist kollimiert und an a gerichtet Strahlteiler. Idealerweise werden 50% des Lichts zum festen Spiegel gebrochen und 50% in Richtung des sich bewegenden Spiegels übertragen. Licht wird von den beiden Spiegeln zurück zum Strahlsplitter reflektiert, und ein Teil des ursprünglichen Lichts geht in das Probenfach. Dort konzentriert sich das Licht auf die Probe. Beim Verlassen des Probenabteils wird das Licht auf den Detektor ausgerichtet. Der Unterschied in der optischen Pfadlänge zwischen den beiden Armen zum Interferometer ist als die bekannt Verzögerung oder optischer Pfadunterschied (OPD). Ein Interferogramm wird erhalten, indem die Verzögerung variiert und das Signal aus dem Detektor für verschiedene Werte der Verzögerung aufgezeichnet wird. Die Form des Interferogramms, wenn keine Probe vorliegt, hängt von Faktoren wie der Variation der Quellintensität und der Splittereffizienz mit der Wellenlänge ab. Dies führt zu einer maximalen Verzögerung von Null, wenn es vorhanden ist konstruktive Beeinflussung Bei allen Wellenlängen, gefolgt von einer Reihe von "Wiggles". Die Position der Nullverzögerung wird genau bestimmt, indem der Punkt der maximalen Intensität im Interferogramm festgestellt wird. Wenn eine Probe vorliegt, wird das Hintergrundinterferogramm durch Vorhandensein von Absorptionsbändern in der Probe moduliert.

Kommerzielle Spektrometer verwenden Michelson Interferometer mit einer Vielzahl von Scanmechanismen, um den Pfadunterschied zu erzeugen. All diese Anordnung ist die Notwendigkeit, sicherzustellen, dass sich die beiden Strahlen genau so rekombinieren, wie sich das System scendet. Die einfachsten Systeme haben einen Ebenenspiegel, der sich linear bewegt, um den Pfad eines Strahls zu variieren. In dieser Anordnung darf der sich bewegende Spiegel nicht neigen oder wackeln, da dies die Überlappung der Strahlen bei der Rekombination beeinflussen würde. Einige Systeme enthalten einen Ausgleichsmechanismus, der die Ausrichtung eines Spiegels automatisch anpasst, um die Ausrichtung aufrechtzuerhalten. Zu den Anordnungen, die dieses Problem vermeiden, umfassen die Verwendung von Würfel -Eckreflektoren anstelle von Flugzeugspiegeln, da diese unabhängig von der Orientierung in einer parallelen Richtung zurückgegeben werden.

Interferometerschematik, bei denen der Pfaddifferenz durch eine Drehbewegung erzeugt wird.

Systeme, bei denen der Pfadunterschied durch eine Drehbewegung erzeugt wird, haben sich als sehr erfolgreich erwiesen. Ein gemeinsames System enthält ein Paar paralleler Spiegel in einem Strahl, das gedreht werden kann, um den Pfad zu variieren, ohne den zurückkehrenden Strahl zu verdrängen. Ein anderes ist das Doppelpendeldesign, bei dem der Weg in einem Arm des Interferometers mit abnimmt der Weg in der anderen.

Ein ganz anderer Ansatz besteht darin, einen Keil eines IR-transparenten Materials wie zu bewegen KBR in einen der Strahlen. Eine Erhöhung der Dicke von KBR im Strahl erhöht den optischen Pfad, da der Brechungsindex höher ist als der der Luft. Eine Einschränkung dieses Ansatzes besteht darin, dass die Variation des Brechungsindex über den Wellenlängenbereich die Genauigkeit der Wellenlängenkalibrierung begrenzt.

Messen und Verarbeitung des Interferogramms

Das Interferogramm muss von der Null -Pfaddifferenz zu einer maximalen Länge gemessen werden, die von der erforderlichen Auflösung abhängt. In der Praxis kann der Scan auf beiden Seiten Null sein, was zu einem doppelseitigen Interferogramm führt. Mechanische Konstruktionsbeschränkungen können bedeuten, dass der Scan für die höchste Auflösung nur auf der maximalen OPD auf einer Seite von Null läuft.

Das Interferogramm wird durch Fourier -Transformation in ein Spektrum umgewandelt. Dies erfordert, dass es in digitalen Form als Reihe von Werten in gleichen Intervallen der Pfaddifferenz zwischen den beiden Strahlen gespeichert wird. Um den Pfaddifferenz zu messen, wird ein Laserstrahl durch das Interferometer geschickt, wodurch ein sinusförmiges Signal erzeugt wird, bei dem die Trennung zwischen aufeinanderfolgender Maxima gleich der Wellenlänge des Lasers ist (typischerweise ein 633 nm Hene Laser wird genutzt). Dies kann eine auslösen Analog-Digital-Wandler So messen Sie das IR -Signal jedes Mal, wenn das Lasersignal durch Null geht. Alternativ können die Laser- und IR -Signale in kleineren Intervallen mit dem IR -Signal an Punkten synchron gemessen werden, die der durch Interpolation bestimmten Lasersignal -Null -Kreuzung entsprechen.[5] Dieser Ansatz ermöglicht die Verwendung von Analog-Digital-Konvertern, die genauer und präziser sind als Konverter, die ausgelöst werden können, was zu geringeren Rauschen führt.

Werte des Interferogramms zeitweise entsprechend Nullüberquerungen des Laserssignals werden durch Interpolation gefunden.

Das Ergebnis der Fourier -Transformation ist ein Spektrum des Signals bei einer Reihe diskreter Wellenlängen. Der Bereich der Wellenlängen, der in der Berechnung verwendet werden kann, wird durch die Trennung der Datenpunkte im Interferogramm begrenzt. Die kürzeste Wellenlänge, die erkannt werden kann, ist die doppelt so doppelte Trennung zwischen diesen Datenpunkten. Zum Beispiel mit einem Punkt pro Wellenlänge eines Hene -Referenzlasers bei 0,633 μm (15800cm–1) Die kürzeste Wellenlänge wäre 1,266 μm (7900 cm–1). Aufgrund der Aliasinduation von Energie bei kürzeren Wellenlängen würde sie als aus längeren Wellenlängen stammen und müssen daher optisch oder elektronisch minimiert werden.[Klarstellung erforderlich] Die spektrale Auflösung, d. H. Die Trennung zwischen Wellenlängen, die unterschieden werden können, wird durch die maximale OPD bestimmt. Die bei der Berechnung der Fourier -Transformation verwendeten Wellenlängen sind so, dass eine genaue Anzahl von Wellenlängen in die Länge des Interferogramms von Null zum maximalen OPD passt, da dies ihre Beiträge orthogonal macht. Dies führt zu einem Spektrum mit Punkten, die durch gleiche Frequenzintervalle getrennt sind.

Für eine maximale Pfaddifferenz d benachbarte Wellenlängen λ1 und λ2 werde haben n und (n+1) Zyklen im Interferogramm. Die entsprechenden Frequenzen sind ν ν1 und ν2:

d = nλ1 und d = (n+1) λ2
λ1 = d/n und λ2 = d/(n+1)
ν1 = 1/λ1 und ν2 = 1/λ2
ν1 = n/d und ν2 = (n+1)/d
ν2 - ν1 = 1/d

Die Trennung ist die Umkehrung der maximalen OPD. Zum Beispiel führt eine maximale OPD von 2 cm zu einer Trennung von 0,5 cm–1. Dies ist die spektrale Auflösung in dem Sinne, dass der Wert an einem Punkt unabhängig von den Werten an benachbarten Punkten ist. Die meisten Instrumente können bei verschiedenen Auflösungen durch Auswahl verschiedener OPDs betrieben werden. Instrumente für Routineanalysen haben in der Regel eine beste Auflösung von rund um 0,5 cm–1, während Spektrometer mit Auflösungen von so hoch wie hoch gebaut wurden 0,001 cm–1, entsprechend einer maximalen OPD von 10 m. Der Punkt im Interferogramm, der einer Null -Pfad -Differenz entspricht, muss häufig durch Annahme identifiziert werden, wenn das maximale Signal auftritt. Dieses sogenannte Mittelburst ist in realen Spektrometern nicht immer symmetrisch, sodass möglicherweise eine Phasenkorrektur berechnet werden muss. Das Interferogrammsignal zerfällt mit zunehmender Pfaddifferenz, wobei die Abfallrate umgekehrt mit der Breite der Merkmale im Spektrum zusammenhängt. Wenn die OPD nicht groß genug ist, um das Interferogrammsignal auf ein vernachlässigbares Niveau zu verfallen, werden unerwünschte Oszillationen oder Seitenbewegungen im Zusammenhang mit den Merkmalen im resultierenden Spektrum verbunden. Um diese Seiten zu reduzieren, wird das Interferogramm normalerweise mit einer Funktion multipliziert, die sich bei maximaler OPD Null nähert. Das sogenannte Apodisierung Reduziert die Amplitude von Seitenläben und auch den Geräuschpegel auf Kosten bei einer Verringerung der Auflösung.

Zum Schnelle Berechnung Die Anzahl der Punkte im Interferogramm muss einer Leistung von zwei gleich sein. Das gemessene Interferogramm kann eine Reihe von Nullen hinzugefügt werden, um dies zu erreichen. In einem Prozess, der als Zero Filling bezeichnet wird, können mehr Nullen hinzugefügt werden, um das Erscheinungsbild des endgültigen Spektrums zu verbessern, obwohl die Auflösung keine Verbesserung vorliegt. Alternativ ergibt die Interpolation nach der Fourier -Transformation ein ähnliches Ergebnis.

Vorteile

Es gibt drei Hauptvorteile für ein FT -Spektrometer im Vergleich zu einem Scan -Spektrometer (dispergierend).[1]

  1. Der Multiplex oder Farrengetts Vorteil. Dies ergibt sich aus der Tatsache, dass Informationen aus allen Wellenlängen gleichzeitig gesammelt werden. Es führt zu einem höheren Signal-Rausch-Verhältnis Für eine gegebene Scan-Zeit für Beobachtungen, die durch einen festen Beitragsrauschbeitrag begrenzt sind (typischerweise in der thermischen Infrarot-Spektralregion, in der a Fotodetektor ist begrenzt durch Erzeugungsrekombinationsrauschen). Für ein Spektrum mit m Auflösungselemente, dieser Anstieg ist gleich der Quadratwurzel von m. Alternativ ermöglicht es eine kürzere Scan-Zeit für eine bestimmte Auflösung. In der Praxis werden häufig mehrere Scans gemittelt, was das Signal-Rausch-Verhältnis durch die Quadratwurzel der Anzahl der Scans erhöht.
  2. Der Durchsatz oder der Vorteil von Jacquinot. Dies ergibt sich aus der Tatsache, dass in einem dispersiven Instrument die Monochromator Hat Eingangs- und Ausgangsschläge, die die Lichtmenge einschränken, die durch ihn fließt. Der Interferometerdurchsatz wird nur durch den Durchmesser des kollimierten Strahls bestimmt, der aus der Quelle stammt. Obwohl keine Schlitze benötigt werden, erfordern FTIR -Spektrometer eine Apertur, um die Konvergenz des kollimierten Strahls im Interferometer einzuschränken. Dies liegt daran, dass konvergente Strahlen bei unterschiedlichen Frequenzen moduliert werden, wenn der Pfadunterschied variiert wird. Eine solche Blende wird als Jacquinot -Stopp bezeichnet.[1] Für eine gegebene Auflösung und Wellenlänge ermöglicht diese kreisförmige Blende mehr Licht durch als ein Schlitz, was zu einem höheren Signal-Rausch-Verhältnis führt.
  3. Die Wellenlängengenauigkeit oder den Vorteil von Connes. Die Wellenlängenskala wird durch einen Laserstrahl bekannter Wellenlänge kalibriert, der durch das Interferometer fließt. Dies ist viel stabiler und genauer als in dispersiven Instrumenten, bei denen die Skala von der mechanischen Bewegung von Beugunggittern abhängt. In der Praxis ist die Genauigkeit durch die Abweichung des Strahls im Interferometer begrenzt, der von der Auflösung abhängt.

Ein weiterer kleiner Vorteil ist weniger Empfindlichkeit gegenüber streunendem Licht, dh Strahlung einer Wellenlänge, die bei einer anderen Wellenlänge im Spektrum auftritt. In dispersiven Instrumenten ist dies das Ergebnis von Unvollkommenheiten bei den Beugungsgittern und versehentlichen Überlegungen. In FT -Instrumenten gibt es kein direktes Äquivalent, da die scheinbare Wellenlänge durch die Modulationsfrequenz im Interferometer bestimmt wird.

Auflösung

Das Interferogramm gehört in die Längenabmessung. Fourier-Transformation (Ft) kehrt die Dimension um, so Wellenzahl. Das Spektralauflösung in cm–1 entspricht dem gegenseitigen Rückgang der maximalen Verzögerung in cm. Somit eine 4 cm–1 Die Auflösung wird erhalten, wenn die maximale Verzögerung 0,25 cm beträgt; Dies ist typisch für die billigeren FTIR -Instrumente. Eine viel höhere Auflösung kann durch Erhöhen der maximalen Behinderung erhalten werden. Dies ist nicht einfach, da der bewegliche Spiegel in einer nahezu perfekten geraden Linie reisen muss. Die Verwendung von Ecke Spiegel anstelle der flachen Spiegel sind hilfreich, da ein ausgehender Strahl von einem Eckkuschspiegel parallel zum eingehenden Strahl ist, unabhängig von der Ausrichtung des Spiegels um Achsen senkrecht zur Achse des Lichtstrahls. 1966 maß Connes die Temperatur der Atmosphäre von Venus durch Aufnahme der Vibrations-Rotationsspektrum von Venusian co2 bei 0,1 cm–1 Auflösung.[6] Michelson selbst versuchte, den Wasserstoff aufzulösen Hα Emissionsband im Spektrum von a Wasserstoff Atom in seine beiden Komponenten mit seinem Interferometer.[1] P25 Ein Spektrometer mit 0,001 cm–1 Die Auflösung ist jetzt im Handel erhältlich. Der Durchsatzvorteil ist für hochauflösende FTIR wichtig, da der Monochromator in einem dispersiven Instrument mit derselben Auflösung sehr eng hätte Eingangs- und Ausgangsschlitze.

Motivation

FTIR ist eine Methode zur Messung von Infrarotabsorptions- und Emissionsspektren. Für eine Diskussion über warum Menschen messen Infrarot -Absorptions- und Emissionsspektren, d. H. Warum und wie Substanzen Infrarotlicht absorbieren und ausgeben, siehe Artikel: Infrarot-Spektroskopie.

Komponenten

Ftir setup. Die Probe wird direkt vor dem Detektor platziert.

IR -Quellen

FTIR -Spektrometer werden hauptsächlich für Messungen in der mittleren und in der Nähe von IR -Regionen verwendet. Für die mittlere IR-Region 2-25 μm (5.000–400 cm–1), die häufigste Quelle ist a Siliziumkarbid (sic) Element erhitzt auf etwa 1.200 K (930 ° C; 1.700 ° F) () (Globar). Die Ausgabe ähnelt einem Schwarzenkörper. Kürzere Wellenlängen des Nah-IRs, 1–2,5 μm (10.000 bis 4.000 cm–1), benötigen eine höhere Temperaturquelle, typischerweise eine Wolfram-Halogenlampe. Die lange Wellenlängenausgabe davon ist auf etwa 5 μm (2.000 cm) begrenzt–1) durch Absorption der Quarzhülle. Für das FAR-IR, insbesondere bei Wellenlängen über 50 μm (200 cm)–1) Eine Quecksilberlampe ergibt einen höheren Ausgang als eine thermische Quelle.[7]

Detektoren

Nah-ir-Spektrometer üblicherweise verwenden Pyroelektrikumdetektoren Dies reagiert auf Temperaturänderungen, da die auf sie fällte Intensität der IR -Strahlung variiert. Die empfindlichen Elemente in diesen Detektoren sind entweder deuteriertes Triglycinsulfat (DTGs) oder Lithium -Tantalat (Litao3). Diese Detektoren arbeiten bei Umgebungstemperaturen und bieten für die meisten Routineanwendungen eine angemessene Empfindlichkeit. Um die beste Empfindlichkeit zu erreichen, beträgt die Zeit für einen Scan normalerweise einige Sekunden. Gekühlte photoelektrische Detektoren werden für Situationen eingesetzt, die eine höhere Empfindlichkeit oder eine schnellere Reaktion erfordern. Der flüssiger Stickstoffkühlungskadmium-Tellurid (MCT) -Tektoren ist die am weitesten verbreitete Mitte des IR. Bei diesen Detektoren kann ein Interferogramm in nur 10 Millisekunden gemessen werden. Unkühlte Indiumgallium-Arsenid-Fotodioden oder DTGs sind die üblichen Auswahlmöglichkeiten in Nah-IR-Systemen. Sehr empfindliche, flüssigheliumgekühlte Silizium- oder Germanium-Bolometer werden in der Fernen IR verwendet, in der sowohl Quellen als auch Strahlsplitter ineffizient sind.

Strahlteiler

Einfacher Interferometer mit einem Strahl-Splitter- und Kompensatorplatte

Ein idealer Strahl-Splitter überträgt und spiegelt 50% der einfallenden Strahlung wider. Da jedoch jedes Material einen begrenzten Bereich an optischer Sendung hat, können mehrere Strahlsplitter synonym verwendet werden, um einen breiten Spektralbereich abzudecken. Für die Mid-IR-Region besteht der Beamsplitter normalerweise aus KBR mit einer deutschbasierten Beschichtung, die ihn semi-reflektiv macht. KBR absorbiert stark bei Wellenlängen über 25 μm (400 cm–1) Also CSI oder KRS-5 werden manchmal verwendet, um den Bereich auf etwa 50 μm (200 cm) zu erweitern–1). Znse ist eine Alternative, bei der Feuchtigkeitsdampf ein Problem sein kann, aber auf etwa 20 μm (500 cm) begrenzt ist–1). CAF2 ist das übliche Material für das Nahe-IR, das sowohl härter als auch weniger empfindlich gegenüber Feuchtigkeit als KBR ist, aber nicht mehr als 8 μm (1.200 cm) verwendet werden kann–1). In einem einfachen Michelson -Interferometer verläuft ein Strahl zweimal durch den Strahlsplitter, der andere jedoch nur einmal durchläuft. Um dies zu korrigieren, wird eine zusätzliche Kompensatorplatte mit gleicher Dicke eingebaut. Far-IR-Beamsplitter basieren hauptsächlich auf Polymerfilmen und decken einen begrenzten Wellenlängenbereich ab.[8]

Abgeschwächte Gesamtreflexion

Hauptartikel: Abgeschwächte Gesamtreflexion

Abgeschwächte Gesamtreflexion (ATR) ist ein Zubehör des FTIR -Spektrophotometers zur Messung der Oberflächeneigenschaften von festen oder dünnen Filmproben und nicht der Masseneigenschaften. Im Allgemeinen hat ATR je nach Probenbedingungen eine Penetrationstiefe von etwa 1 oder 2 Mikrometern.

Fourier-Transformation

Das Interferogramm in der Praxis besteht aus einer Reihe von Intensitäten, die für diskrete Verzögerungswerte gemessen werden. Der Unterschied zwischen aufeinanderfolgenden Verzögerungswerten ist konstant. Also a diskrete Fourier-Transformation wird gebraucht. Das Schnelle Fourier-Transformation (FFT) Algorithmus wird verwendet.

Spektralbereich

Ferninfrarot

Die ersten FTIR-Spektrometer wurden für weitinfrarotische Reichweite entwickelt. Der Grund dafür hat mit der mechanischen Toleranz zu tun, die für eine gute optische Leistung erforderlich ist, die mit der Wellenlänge des verwendeten Lichts zusammenhängt. Für die relativ langen Wellenlängen des FAR-Infrarots sind ~ 10 μm-Toleranzen ausreichend, während für die Toleranzen der Gesteinssalzregion besser als 1 μm sein müssen. Ein typisches Instrument war das Cube -Interferometer, das am entwickelt wurde Npl[9] und vermarktet von Grubb -Parsons. Es wurde mit einem Steppermotor den sich bewegenden Spiegel bewegt und die Detektorantwort nach Abschluss jedes Schritts aufzeichnete.

Mid-Infrarot

Mit dem Aufkommen von billig Mikrocomputer Es wurde möglich, einen Computer zu haben, der sich der Steuerung des Spektrometers, dem Sammeln der Daten, der Fourier -Transformation und der Präsentation des Spektrums widmet. Dies lieferte den Impuls für die Entwicklung von FTIR-Spektrometern für die Gesteins-Salzregion. Die Probleme der Herstellung von ultrahohen, präzisen optischen und mechanischen Komponenten mussten gelöst werden. Eine breite Palette von Instrumenten ist jetzt im Handel erhältlich. Obwohl das Instrumentendesign anspruchsvoller geworden ist, bleiben die Grundprinzipien gleich. Heutzutage bewegt sich der sich bewegende Spiegel des Interferometers mit einer konstanten Geschwindigkeit, und die Probenahme des Interferogramm Helium -Neon Laser. In modernen FTIR-Systemen ist die konstante Spiegelgeschwindigkeit nicht ausschließlich erforderlich James W. Brault. Dies verleiht dem daraus resultierenden Infrarotspektrum eine sehr hohe Wellenzahlgenauigkeit und vermeidet eine Wellenzahl Kalibrierung Fehler.

Nah-Infrarot

Hauptartikel: Nahinfrarotspektroskopie

Die Region Nahinfrarot umfasst den Wellenlängenbereich zwischen der Gesteinssalzregion und dem Beginn der sichtbar Region bei etwa 750 nm. Obertöne von grundlegenden Schwingungen können in dieser Region beobachtet werden. Es wird hauptsächlich in industriellen Anwendungen verwendet, wie z. Prozesssteuerung und Chemische Bildgebung.

Anwendungen

FTIR kann in allen Anwendungen verwendet werden, bei denen in der Vergangenheit ein dispersives Spektrometer verwendet wurde (siehe externe Links). Darüber hinaus haben die verbesserte Empfindlichkeit und Geschwindigkeit neue Anwendungsbereiche eröffnet. Spektren können in Situationen gemessen werden, in denen nur sehr wenig Energie den Detektor erreicht und die Scanraten 50 Spektren pro Sekunde überschreiten können. Fourier -Transformationsinfrarotspektroskopie wird in verwendet Geologie, Chemie-, Material- und Biologieforschungsfelder.

Nano und biologische Materialien

FTIR wird auch verwendet, um verschiedene Nanomaterialien und Proteine ​​in hydrophoben Membranumgebungen zu untersuchen. Studien zeigen die Fähigkeit von FTIR, die Polarität an einem bestimmten Ort entlang des Rückgrats eines Transmembranproteins direkt zu bestimmen.[10][11] Die Bindungsmerkmale, die mit verschiedenen organischen und anorganischen Nanomaterialien beteiligt sind, und ihre quantitative Analyse kann mit Hilfe von FTIR durchgeführt werden.[12][13]

Mikroskopie und Bildgebung

Ein Infrarotmikroskop ermöglicht es, Proben zu beobachten und Spektren aus Regionen von nur 5 Mikrometern zu beobachten. Bilder können erzeugt werden, indem ein Mikroskop mit linearen oder 2-D-Array-Detektoren kombiniert wird. Die räumliche Auflösung kann sich 5 Mikron mit Zehntausenden von Pixeln nähern. Die Bilder enthalten ein Spektrum für jedes Pixel und können als Karten betrachtet werden, die die Intensität bei jeder Wellenlänge oder Kombination von Wellenlängen zeigen. Dies ermöglicht die Verteilung verschiedener chemischer Arten innerhalb der Probe. Typische Studien umfassen die Analyse von Gewebeschnitten als Alternative zur konventionellen Histopathologie und die Untersuchung der Homogenität von pharmazeutischen Tabletten.

Nanoskala und Spektroskopie unterhalb der Beugungsgrenze

Die räumliche Auflösung von FTIR kann unterhalb der Mikrometerskala weiter verbessert werden Raster-optische Mikroskopie in der Nähe des Feldes Plattform. Die entsprechende Technik heißt Nano-Fftir und ermöglicht die Durchführung von Breitbandspektroskopie an Materialien in ultra-kleinsten Größen (Einzelviren und Proteinkomplexen) und mit einer räumlichen Auflösung von 10 bis 20 nm.[14]

FTIR als Detektor in der Chromatographie

Die Geschwindigkeit von FTIR ermöglicht es, Spektren aus Verbindungen zu erhalten, da sie durch einen Gaschromatographen getrennt werden. Diese Technik wird jedoch im Vergleich zu GC-MS (Gaschromatographie-Masse-Spektrometrie) wenig angewendet, was empfindlicher ist. Die GC-IR-Methode ist besonders nützlich, um Isomere zu identifizieren, die von Natur aus identische Massen haben. Flüssigchromatographiefraktionen sind aufgrund des vorhandenen Lösungsmittels schwieriger. Eine bemerkenswerte Ausnahme besteht darin, die Kettenzweigerung als Funktion der molekularen Größe in Polyethylen unter Verwendung zu messen Gelpermeationschromatographie, was mit chlorierten Lösungsmitteln möglich ist, die in der fraglichen Fläche keine Absorption haben.

TG-IR (thermogravimetrische Analyse-Infrarot-Spektrometrie)

Durch die Messung des als Materials erhitzten Gases ermöglicht die qualitative Identifizierung der Spezies die rein quantitativen Informationen, die durch Messung des Gewichtsverlusts bereitgestellt werden.

Bestimmung des Wassergehalts in Kunststoffen und Verbundwerkstoffen

Die FTIR -Analyse wird verwendet, um den Wassergehalt in ziemlich dünnen plastischen und zusammengesetzten Teilen zu bestimmen, häufiger in der Laborumgebung. Solche FTIR -Methoden wurden seit langem für Kunststoffe verwendet und wurden 2018 für Verbundwerkstoffe erweitert, als die Methode von Krauklis, Gagani und Echteryer eingeführt wurde.[15] Die FTIR -Methode verwendet die Maxima des Absorptionsbandes bei etwa 5.200 cm - 1, was mit dem wahren Wassergehalt im Material korreliert.

Siehe auch

Verweise

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Externe Links