Студенческий практикум по ИК фурье-спектрометрии

СТУДЕНЧЕСКИЙ ПРАКТИКУМ ПО ИК ФУРЬЕ-СПЕКТРОМЕТРИИ

И. В. ГОЛОВНИН, Т. Б. ЕЖЕВСКАЯ

Головнин И. В., канд. физ.-мат. наук. Международный учебно-научный лазерный центр МГУ им. М. В. Ломоносова.

Ежевская Т. Б., канд. техн. наук. Научно-производственная фирма "Люмэкс-Сибирь".

В настоящее время методы фурье-спектрометрии широко применяются в различных областях науки и техники. Практически любая лаборатория: научная, технологическая или экспертно-криминалистическая оснащена подобного рода приборами. Специфика работы в криминалистических лабораториях требует хорошего владения техникой измерения и анализа результатов. И хотя зарубежное и отечественное оборудование поставляется как полностью отлаженные и автоматизированные системы, для успешного использования сложных приборов необходимо знать основы их функционирования. Например, при идентификации веществ по ИК спектрам поглощения часто приходится использовать базы данных и программы поиска аналогичных спектров. В стандартных случаях при достаточном соотношении сигнал - шум и не очень плотном образце эти автоматизированные системы с успехом справляются с задачей. Если же эксперт имеет дело с сильно зашумленным спектром или насыщенным (сильно поглощающим), то знание принципов работы и предельных характеристик спектрометра позволит избежать возможных аналитических ошибок и сэкономить рабочее время. Учебная лаборатория Международного лазерного центра и физического факультета МГУ им. М. В. Ломоносова создавалась для специализированного обучения студентов 4-го и 5-го курсов, а также специалистов, работающих в других, нефизических областях - химиков, биологов, медиков, применяющих оптические методы в своей работе. Основными целями лабораторной работы являются: обучение работе на современном фурье-спектрометре и освоение основных принципов функционирования приборов, применяемых в ИК фурье-спектрометрии. Практические упражнения для ознакомления и обучения работе с ИК фурье-спектрометром построены на базе фурье-спектрометра "Флюм" - прототипа серийного прибора "Инфралюм ФТ-801" новосибирской фирмы "Люмэкс-Сибирь". Для регистрации и обработки спектров в работе используется специально созданное в МЛЦ МГУ программное обеспечение для учебных целей. Студенческий практикум приводится в сокращенном журнальном изложении.

Введение

Развитие интерферометрии началось в 1880 году, когда Альберт Майкельсон изобрел интерферометр для измерения скорости света и установления стандарта длины, используя длину волны известной спектральной линии. Метод фурье-спектроскопии основан на известной идее интерференции двух пучков излучения для получения интерферограммы. Интерферограмма - это сигнал, полученный в результате сложения двух пучков излучения и представляющий собой изменение интенсивности излучения в зависимости от оптической разности хода интерферометра. Спектральное представление и интерферограмма получаются друг из друга с помощью математического преобразования Фурье.

Принцип работы фурье-спектрометра

Хотя основной элемент фурье-спектрометра - интерферометр - известен давно, широкое применение фурье-спектроскопии стало возможным только с развитием компьютерной техники. Появление персональных компьютеров резко расширило области приложений фурье-спектрометров. В настоящее время в науке и технике используются множество типов фурье-спектрометров и интерферометров. В общем случае любой фурье-спектрометр состоит из источника излучения, модулятора (интерферометра), кюветного отделения, в котором устанавливается образец, детектора излучения и блока обработки данных.

Источник Блок обработки излучения > Интерферометр > Образец > Детектор > данных (компьютер)

Рис. 1. Основные компоненты фурье-спектрометра

В зависимости от выбора производителя каждая часть спектрометра может иметь свои особенности, но все они подчиняются определенным физическим законам. Стандартный процесс измерения выглядит следующим образом: 1. Источник излучения. Электромагнитное излучение инфракрасного диапазона излучается каким-либо широкополосным источником, идеальным источником является нагретое абсолютно черное тело. Пучок излучения ограничивается диафрагмой, которая контролирует количество энергии, падающее на образец и далее на детектор. 2. Интерферометр. Пучок проходит сквозь интерферометр, осуществляющий спектральную модуляцию излучения. На выходе этого элемента мы имеем результирующую интерферограмму. 3. Образец. Модулированный пучок проходит сквозь образец. В образце поглощаются определенные частоты, характерные для данного вещества. 4. Детектор. После образца пучок попадает на детектор для регистрации сигнала. Используемые детекторы оптимизированы для приема сигнала интерферограммы. 5. Компьютер. С детектора электрический сигнал интерферограммы, представляющий собой фурье-образ исследуемого спектра, поступает на один вход аналогово-цифрового преобразователя, на другой вход которого приходят метки вспомогательного лазерного канала. На выходе АЦП получается массив цифровых отсчетов с интерферограммы, который пересылается в компьютер и обрабатывается с применением метода быстрого преобразования Фурье. Полученный в результате преобразования спектр выводится на экран для анализа и интерпретации пользователем. В фурье-спектрометре последовательно снимаются спектр пропускания прибора без образца (опорный спектр) и затем спектр пропускания с образцом. Результат их деления дает коэффициент пропускания образца. Этот способ позволяет получать спектры, независимые от инструментальных характеристик фурье-спектрометра и, во многих случаях, от окружающих условий (если время измерений, составляющее несколько секунд, оказывается меньше, чем время изменения окружающих условий). Таким образом, полученные спектры являются характеристикой только исследуемого образца. Одно измерение опорного спектра может быть использовано для измерений множества образцов, так как этот спектр является характеристикой самого прибора.

Рис. 2. Получение спектра пропускания, независимого от инструментальных характеристик спектрометра

Рисунок не приводится.

Единицы измерения длины волны

Аналитические методы молекулярной спектроскопии основаны на взаимодействии между молекулами и квантами света с различными уровнями энергии. Они названы в соответствии со спектральными диапазонами и связаны с разными эффектами взаимодействия света и вещества: в ИК диапазоне имеет место возбуждение молекулярных колебаний и вращений. Поведение электромагнитных волн различных диапазонов описывается теорией классической электродинамики (уравнения Максвелла). Согласно этой теории излучение описывается двумя взаимно перпендикулярными полями - электрическим и магнитным, колеблющимися в плоскостях, перпендикулярных друг другу. Эти поля колеблются синфазно и распространяются в пространстве как гармоническая волна.

Рис. 3. Электромагнитная волна. Векторы электрического и магнитного поля обозначены как E и H соответственно

Рисунок не приводится.

Одним из самых важных открытий в теории электромагнитного излучения оказалось то, что скорость распространения волн в вакууме является постоянной величиной для всех частот спектра. Эта величина называется 8 Скорость света c имеет значение c = 2,997925 x 10 м/с. Длина волны, скорость света и частота колебаний связаны следующим образом:

c c = лямбда x ню > лямбда = (1), ню'

где c - скорость света в вакууме, лямбда - длина волны, ню - частота -1 (количество колебаний, (с или Гц)).

Другой единицей, часто применяемой в ИК спектрометрии, является волновое -1 число, выраженное в обратных сантиметрах (см ). Эта величина означает количество электромагнитных волн в одном сантиметре длины и выражается следующим соотношением: __ 1 ню ню = = (2). лямбда c

Эта единица измерения удобна потому, что пропорциональна энергии фотона излучения.

Представление спектров

Инфракрасный спектр представляет собой график пропускания электромагнитного излучения образцом от длины волны или частоты. В качестве оси ординат (X-шкала) используется шкала волновых чисел.

Инфракрасный диапазон излучения может быть разделен на три поддиапазона: -1 дальний ИК диапазон (от 0 до 400 см ), средний ИК диапазон (от 400 до 4000 -1 -1 см ) и ближний ИК диапазон (от 4000 до 14285 см ). Большинство фурье-спектрометров работают в среднем ИК диапазоне, но ближний и дальний ИК диапазоны тоже могут дать информацию о некоторых молекулах.

Ось абсцисс (Y-шкала) представляет пропускание или поглощение образца. В случае спектра пропускания на графике будет представлена зависимость пропускания ИК излучения через образец от длины волны. Для каждой длины волны пропускание T является интенсивностью электромагнитного излучения, прошедшего сквозь образец, деленной на интенсивность падающего на образец излучения. Если нет поглощения, то значение пропускания T будет равно 1 (или 100%). Это говорит о том, что на данной длине волны все излучение (100%) проходит через образец. Если интенсивность падающего на образец излучения записать как I , а интенсивность прошедшего излучения как I, 0 то пропускание T можно выразить как:

T = I / I , (3) 0

Кроме шкалы пропускания (T) ИК спектры могут быть представлены в шкале поглощения (A). Поглощение A вычисляется как десятичный логарифм от обратной величины пропускания T:

1 A = Log ( ) = - Log T (4) 10 T 10

На рисунках 4а и 4б (не приводятся) показано различие в представлении ИК спектров: а) - пропускание тестового полимерного образца (пленка MEH-PPV на подложке из BaF2), б) - поглощение (оптическая плотность) того же образца.

Рис. 4а. Пропускание тестового полимерного образца

Рисунок не приводится.

Рис. 4б. Поглощение тестового полимерного образца

Рисунок не приводится.

Одним из преимуществ представления спектров в шкале поглощения является то, что величина поглощения A прямо пропорциональна толщине образца (длина поглощения) и концентрации вещества в образце. Итак, результирующий ИК спектр отражает молекулярное пропускание или поглощение образца и представляет характеристический для данного вещества спектр. То есть, как и в случае отпечатков пальцев, две различных молекулярных структуры не могут произвести идентичные ИК спектры поглощения или пропускания. Именно это свойство и позволяет использовать ИК спектроскопию для широкого круга аналитических задач, например идентификация неизвестных веществ, определение качества и стабильности материалов, определение состава и количества каждой компоненты в смеси. Кроме этого фурье-спектрометры имеют ряд преимуществ перед обычными дифракционными спектрометрами именно в инфракрасном диапазоне <1>. -------------------------------- <1> Ежевская Т. Б., Бубликов А. В. Применение фурье-спектроскопии в криминалистике // Эксперт-криминалист. 2006. N 1. С. 23.

Практические упражнения

Для знакомства с принципами работы фурье-спектрометра необходимо выполнить несколько упражнений. Первое упражнение. Наблюдение за видом снимаемой интерферограммы. Изменяя длину сканирования и устанавливая различные функции аподизации, можно увидеть, как будут изменяться цифровое разрешение и ширина аппаратной функции для односторонних и двусторонних интерферограмм. А также определить максимальную длину сканирования для данного спектрометра и соответствующее разрешение при использовании односторонней и двусторонней интерферограммы без применения аподизации <1>. -------------------------------- <1> Ежевская Т. Б., Бубликов А. В. Применение фурье-спектроскопии в криминалистике // Эксперт-криминалист. 2006. N 1. С. 23.

Рис. 5. Окно утилиты для записи интерферограмм

Рисунок не приводится.

Используя стандартные функции управления графиком, можно детально рассмотреть, как выглядит интерферограмма в различных ее частях.

Рис. 6. Центральная часть интерферограммы

Рисунок не приводится.

Далее предлагается записать две интерферограммы: опорную (без образца) и исследуемую (с полимерным образцом). Используя стандартное программное обеспечение (например, Excel) нужно будет выполнить фурье-преобразование обеих интерферограмм, получить спектры и скорректировать спектр исследуемого образца, используя опорный спектр. Это упражнение позволит понять методику обработки данных для получения ИК спектров поглощения. Второе упражнение. Изучение влияния режимов записи и обработки интерферограмм на соотношение сигнал - шум для 100% линии фурье-спектрометра. Необходимо исследовать уровень шума спектрометра в зависимости от разрешения, применяемого окна аподизации, количества накоплений, а также сравнить уровень шума при обработке односторонних и двусторонних интерферограмм. Для этих целей нужно накопить достаточно большое количество интерферограмм и обработать их в специальном окне программы.

Рис. 7. Окно утилиты расчета соотношения сигнал - шум

Рисунок не приводится.

Третье упражнение. Измерение ИК спектров полимерного образца с различными разрешениями спектрометра. Необходимо будет выяснить, как изменение разрешения влияет на ИК спектры. В этом упражнении можно посмотреть, как выглядит опорный спектр и нескорректированный спектр полимерного образца, а затем провести деление и получить результирующий спектр пропускания или поглощения (рис. 8а - 8г - не приводятся).

Рис. 8а. Опорный спектр

Рисунок не приводится.

Рис. 8б. Нескорректированный спектр образца

Рисунок не приводится.

Рис. 8в. Спектр пропускания образца

Рисунок не приводится.

Рис. 8г. Спектр поглощения образца

Рисунок не приводится.

Четвертое упражнение. Предлагается измерить спектр поглощения пустой жидкостной кюветы или тонкого полимерного образца. Используя интерференционные полосы в спектре, как показано на рис. 9 (не приводится), нужно будет рассчитать длину оптического пути света в образце.

Рис. 9 Спектр пропускания и интерференционные полосы для тонкого полимерного образца

Рисунок не приводится.

В настоящей статье приведено краткое описание учебных упражнений для освоения методов ИК спектроскопии, разработанных в МЛЦ МГУ для студенческого практикума. Авторы надеются, что приведенная в статье информация будет полезна преподавателям и студентам криминалистических специальностей. Более подробно ознакомиться с лабораторной работой этого практикума и пройти обучение можно в МЛЦ МГУ.

Название документа