Fourier-Transform-Spektroskopie
Fourier-Transform-Spektroskopie ist eine Messtechnik, bei der Spektren werden auf der Grundlage von Messungen der gesammelt Kohärenz von a Strahlung Quelle, verwendet Zeitdomäne oder Raumdomänenmessungen der Strahlung, elektromagnetisch oder nicht. Es kann auf eine Vielzahl von Arten von angewendet werden Spektroskopie einschließlich Optische Spektroskopie, Infrarot-Spektroskopie (Ftir, Ft-nirs), Kernspinresonanz (NMR) und Magnetresonanzspektroskopische Bildgebung (MRSI),[1] Massenspektrometer und Elektronenspin -Resonanz Spektroskopie.
Es gibt verschiedene Methoden zur Messung der zeitlichen Kohärenz des Lichts (siehe: Feldautokorrelation) einschließlich der kontinuierlichen Welle und der gepulsten Fourier-Transform-Spektrometer oder Fourier-Transform-Spektrograph. Der Begriff "Fourier-Transformationsspektroskopie" spiegelt die Tatsache wider, dass in all diesen Techniken a Fourier-Transformation ist erforderlich, um die Rohdaten in die tatsächliche zu verwandeln Spektrumund in vielen Fällen in der Optik, die beteiligt sind Interferometer, basiert auf dem Wiener -Khinchin -Theorem.
Konzeptionelle Einführung
Messung eines Emissionsspektrums
Eine der grundlegendsten Aufgaben in Spektroskopie ist die charakterisieren die Spektrum einer Lichtquelle: Wie viel Licht wird an jeder unterschiedlichen Wellenlänge emittiert. Der einfachste Weg, ein Spektrum zu messen, besteht darin, das Licht durch a Monochromator, ein Instrument, das das ganze Licht blockiert außer Das Licht bei einer bestimmten Wellenlänge (die nicht blockierte Wellenlänge wird durch einen Knopf am Monochromator eingestellt). Dann wird die Intensität dieses verbleibenden (Einzelwellenlängen-) Lichts gemessen. Die gemessene Intensität zeigt direkt an, wie viel Licht bei dieser Wellenlänge emittiert wird. Durch Variieren der Wellenlängeneinstellung des Monochromators kann das vollständige Spektrum gemessen werden. Dieses einfache Schema beschreibt tatsächlich wie etwas Spektrometer arbeiten.
Die Fourier-Transform-Spektroskopie ist eine weniger intuitive Möglichkeit, die gleichen Informationen zu erhalten. Anstatt nur eine Wellenlänge jeweils an den Detektor zu gelangen, lässt diese Technik einen Strahl, der viele verschiedene Wellenlängen des Lichts auf einmal enthält, und misst die gesamt Strahlintensität. Als nächstes wird der Strahl so modifiziert, dass er a enthält anders Kombination von Wellenlängen, die einen zweiten Datenpunkt ergibt. Dieser Vorgang wird viele Male wiederholt. Anschließend nimmt ein Computer all diese Daten und arbeitet nach hinten, um zu schließen, wie viel Licht es bei jeder Wellenlänge gibt.
Um spezifischer zu sein, gibt es zwischen der Lichtquelle und dem Detektor eine bestimmte Konfiguration von Spiegeln, die es einigen Wellenlängen ermöglichen, durchzugehen, andere jedoch blockiert (aufgrund Wellenmischung). Der Strahl wird für jeden neuen Datenpunkt durch Verschieben eines der Spiegel geändert. Dies ändert den Satz von Wellenlängen, die durchlaufen werden können.
Wie bereits erwähnt, ist die Computerverarbeitung erforderlich, um die Rohdaten (Lichtintensität für jede Spiegelposition) in das gewünschte Ergebnis (Lichtintensität für jede Wellenlänge) zu verwandeln. Die erforderliche Verarbeitung ist ein gemeinsamer Algorithmus genannt Fourier-Transformation (Daher der Name "Fourier-Transform-Spektroskopie"). Die Rohdaten werden manchmal als "Interferogramm" bezeichnet. Aufgrund der vorhandenen Anforderungen an die Computergeräte und der Lichtfähigkeit, sehr geringe Substanzmengen zu analysieren, ist es häufig vorteilhaft, viele Aspekte der Probenvorbereitung zu automatisieren. Die Probe kann besser erhalten bleiben und die Ergebnisse sind viel einfacher zu replizieren. Beide Vorteile sind beispielsweise in Testsituationen wichtig, die später rechtliche Schritte beinhalten können, wie z. B. solche, an denen Drogenproben beteiligt sind.[2]
Messung eines Absorptionsspektrums
Die Methode der Fourier-Transform-Spektroskopie kann auch für verwendet werden Absorptionsspektroskopie. Das primäre Beispiel ist "FTIR -Spektroskopie", Eine gemeinsame Technik in der Chemie.
Im Allgemeinen besteht das Ziel der Absorptionsspektroskopie darin, zu messen, wie gut eine Probe Licht auf jede unterschiedliche Wellenlänge absorbiert oder überträgt. Obwohl die Absorptionsspektroskopie und Emissionsspektroskopie im Prinzip unterschiedlich sind, sind sie in der Praxis eng miteinander verbunden. Jede Technik zur Emissionsspektroskopie kann auch für die Absorptionsspektroskopie verwendet werden. Zunächst wird das Emissionsspektrum einer Breitbandlampe gemessen (dies wird als "Hintergrundspektrum" bezeichnet). Zweitens das Emissionsspektrum derselben Lampe durch die Probe scheinen wird gemessen (dies wird als "Probenspektrum" bezeichnet). Die Probe absorbiert einen Teil des Lichts, wodurch die Spektren unterschiedlich sind. Das Verhältnis des "Probenspektrums" zum "Hintergrundspektrum" steht in direktem Zusammenhang mit dem Absorptionsspektrum der Probe.
Dementsprechend kann die Technik der "Fourier-Transform-Spektroskopie" sowohl zur Messung der Emissionsspektren verwendet werden (z. B. das Emissionsspektrum eines Sterns). und Absorptionsspektren (z. B. das Absorptionsspektrum einer Flüssigkeit).
Kontinuierliche Welle Michelson oder Fourier-Transformation Spektrograph
Das Michelson -Spektrograph ähnelt dem in der verwendeten Instrument Michelson -Morley -Experiment. Licht aus der Quelle wird in zwei Strahlen durch einen halb-silferierten Spiegel in zwei Strahlen aufgeteilt, einer wird von einem festen Spiegel und einem von einem beweglichen Spiegel reflektiert, der eine Zeitverzögerung einführt-das Fourier-Transform-Spektrometer ist nur ein Michelson Interferometer mit einem beweglichen Spiegel. Die Strahlen stören sich und ermöglichen das Temporal Kohärenz des Lichts zu jeder Zeitverzögerungseinstellung, wodurch die Zeitdomäne effektiv in eine räumliche Koordinate umgewandelt wird. Durch Messungen des Signals an vielen diskreten Positionen des beweglichen Spiegels kann das Spektrum unter Verwendung einer Fourier -Transformation des Zeitpunkts rekonstruiert werden Kohärenz des Lichts. Michelson -Spektrographen sind in der Lage, Beobachtungen mit sehr hellen Quellen mit sehr hohen spektralen Auflösungen zu erhalten. Das Michelson- oder Fourier-Transform-Spektrographen war für Infra-Red-Anwendungen zu einer Zeit beliebt, als die Infra-Red-Astronomie nur Einzelpixel-Detektoren aufwies. Die Bildgebung von Michelson -Spektrometern ist eine Möglichkeit, wurde jedoch im Allgemeinen durch Bildgebung ersetzt Fabry -Pérot Instrumente, die leichter zu konstruieren sind.
Extrahieren des Spektrums
Die Intensität als Funktion der Pfadlängendifferenz (auch als Verzögerung bezeichnet) im Interferometer und Wellenzahl ist [3]
![{\displaystyle I(p,{\tilde {\nu }})=I({\tilde {\nu }})[1+\cos \left(2\pi {\tilde {\nu }}p\right)],}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/10e04f747973ce1429828124b41390c4b6831703)
wo Ist das Spektrum bestimmt. Beachten Sie, dass es nicht notwendig ist für durch die Probe vor dem Interferometer moduliert werden. In der Tat die meisten FTIR -Spektrometer Platzieren Sie die Probe nach dem Interferometer im optischen Pfad. Die Gesamtintensität am Detektor ist
![{\displaystyle {\begin{aligned}I(p)&=\left(p,\int _{0}^{\infty }I(p,{\tilde {\nu }})d{\tilde {\nu }}\right)\\&=\left(p,\int _{0}^{\infty }I({\tilde {\nu }})[1+\cos(2\pi {\tilde {\nu }}p)]\,d{\tilde {\nu }}\right){\text{ for all desired values of }}p.\end{aligned}}}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/0f52c1800c33d9b94d217929421fb838c7fd477d)
Das ist nur ein Fourier Cosinus -Transformation. Das Inverse gibt uns unser gewünschtes Ergebnis in Bezug auf die gemessene Menge :
![{\displaystyle I({\tilde {\nu }})=4\int _{0}^{\infty }\left[I(p)-{\frac {1}{2}}I(p=0)\right]\cos(2\pi {\tilde {\nu }}p)\,dp.}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/bbdc290ae668789ddc8cb98506175ff53dc17e44)
Pulsiertes Fourier-Transform-Spektrometer
Ein gepulstes Fourier-Transform-Spektrometer verwendet keine Transmissionstechniken[Definition erforderlich]. In der allgemeinsten Beschreibung der gepulsten FT -Spektrometrie ist eine Probe einem annehmenden Ereignis ausgesetzt, das eine periodische Reaktion verursacht. Die Häufigkeit der periodischen Reaktion, wie sie unter den Feldbedingungen im Spektrometer bestimmt werden, weist auf die gemessenen Eigenschaften des Analyten hin.
Beispiele für gepulste Fourier-Transform-Spektrometrie
In magnetischer Spektroskopie (EPR, NMR), ein Mikrowellenimpuls (EPR) oder ein Funkfrequenzimpuls (NMR) in einem starken Umgebungsmagnetfeld, wird als energetisierendes Ereignis verwendet. Dies verwandelt die Magnetpartikel in einem Winkel zum Umgebungsfeld, was zu einer Gyration führt. Die Kreisspins induzieren dann einen periodischen Strom in einer Detektorspule. Jeder Spin zeigt eine charakteristische Häufigkeit der Gyration (relativ zur Feldstärke), die Informationen über den Analyten zeigt.
Im Fourier-Transform-MassenspektrometrieDas Energieereignis ist die Injektion der geladenen Probe in das starke elektromagnetische Feld eines Zyklotrons. Diese Partikel bewegen sich im Kreis und induzieren einen Strom in einer festen Spule an einem Punkt in ihrem Kreis. Jedes reisende Partikel weist ein charakteristisches Cyclotron-Frequenzfeldverhältnis auf, das die Massen in der Probe zeigt.
Freier Einführungsverfall
Die gepulste FT-Spektrometrie gibt den Vorteil, dass eine einzelne zeitabhängige Messung erforderlich ist, die leicht einen Satz ähnlicher, aber unterschiedlicher Signale entfalten kann. Das resultierende zusammengesetzte Signal heißt a freier Induktionsverfall, Da das Signal normalerweise aufgrund von Inhomogenitäten in der Probenfrequenz oder einfach nicht wiederbeschreibbarer Signalverlust aufgrund des entropischen Verlusts der gemessenen Eigenschaft abfällt.
Nanoskalige Spektroskopie mit gepulsten Quellen
Pulsierte Quellen ermöglichen die Verwendung von Fourier-Transformations-Spektroskopieprinzipien in Raster-optische Mikroskopie in der Nähe des Feldes Techniken. Speziell in Nano-Fftir, wo die Streuung aus einer scharfen Sondenspitze verwendet wird, um die Spektroskopie von Proben mit räumlicher Auflösung nanoskalig durchzuführen Streueffizienz (oft <1%) der Sonde.[4]
Stationäre Formen von Fourier-Transform-Spektrometern
Zusätzlich zu den Scanformen von Fourier-Transform-Spektrometern gibt es eine Reihe stationärer oder selbstgefälliger Formen.[5] Während die Analyse des interferometrischen Ausgangs der des typischen Scan -Interferometers ähnlich ist, gelten signifikante Unterschiede, wie in den veröffentlichten Analysen gezeigt. Einige stationäre Formen behalten den FonTGETT -Multiplex -Vorteil bei, und deren Verwendung im Spektralbereich, in dem Detektorgeräuschgrenzwerte angewendet werden, ähnelt den Scanformen der FTS. In der von Photon-Noise begrenzten Region wird die Anwendung stationärer Interferometer durch spezifische Überlegungen für die Spektralregion und die Anwendung diktiert.
Fettgett Vorteil
Einer der wichtigsten Vorteile der Fourier-Transform-Spektroskopie wurde von P. B. Farrengett, einem frühen Verfechter der Methode, gezeigt. Der Faltgett-Vorteil, auch bekannt als Multiplex-Prinzip, heißt führt zu einer relativen Verbesserung des Signal-Rausch-Verhältnisses im Vergleich zu einem äquivalenten Scannen Monochromator, der Reihenfolge der Quadratwurzel von m, wo m ist die Anzahl der Stichprobenpunkte, die das Spektrum umfassen. Wenn der Detektor jedoch ist Schuss Lärm Dominiert ist das Rauschen proportional zur Quadratwurzel der Leistung, somit für ein breites Boxcar -Spektrum (kontinuierliche Breitbandquelle) ist das Rauschen proportional zur Quadratwurzel von mso genau den Vorteil des Fettgetts ausgleichen. Für Linienemissionsquellen ist die Situation noch schlechter und es gibt einen ausgeprägten "Multiplex -Nachteil", da das Schussrauschen einer starken Emissionskomponente die schwächeren Komponenten des Sepektrums überwältigt. Schussrauschen ist der Hauptgrund, warum Fourier-Transform-Spektrometrie für Ultraviolet (UV) und sichtbare Spektren nie beliebt war.
Siehe auch
Verweise
- ^ Antoine Abragam. 1968. Prinzipien der nuklearen Magnetresonanz, Cambridge University Press: Cambridge, Großbritannien.
- ^ Semiautomatischer Einleger für Infrarotmikrospektometriehttp://www.opticsinfobase.org/viewmedia.cfm?uri=AS-57-9-1078&seq=0
- ^ Peter Atkins, Julio de Paula. 2006. Physikalische Chemie, 8. ed. Oxford University Press: Oxford, Großbritannien.
- ^ Hegenbarth, r; Steinmann, a; Mastel, S; Amarie, S; Huber, ein J; Hillenbrand, R; Sarkisov, S y; Giessen, H (2014). "Hochleistungs-Femtosekunden-Mid-Ir-Quellen für S-Snom-Anwendungen". Journal of Optics. 16 (9): 094003. Bibcode:2014JOPT ... 16I4003H. doi:10.1088/2040-8978/16/9/094003.
- ^ William H. Smith US -Patent 4.976.542 Digital Array gescanntes Interferometer, ausgegeben am 11. Dezember 1990
Externe Links
- Beschreibung der Funktionsweise eines Fourier -Transformationsspektrometers
- Das Michelson- oder Fourier -Transformationsspektrographie
- Internet Journal of Vibrationsspektroskopie - Wie FTIR funktioniert
- Fourier -Transform -Spektroskopie Topisches Treffen und Tabletop -Exponat
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