Инфракрасная спектрометрия изучает спектры поглощения, которые находятся в инфракрасной области. ИК-спектрометры - универсальные приборы, которые позволяют исследовать структурные особенности растворов и веществ, находящихся в твердом состоянии. Они охватывают диапазон длин волн 0,7-1000 мкм, и находят применение в различных областях жизнедеятельности человека.
Краткие теоретические основы
Метод инфракрасной спектроскопии основан на наблюдении колебаний связей в веществе. Набор полос ИК-спектров исследуемого образца - специфическая характеристика, которая позволяет его идентифицировать при известном колебательном спектре.
ИК-спектрометрия относится к абсорбционным методам, так как в их основе лежит явление поглощения излучения. Получение и регистрация спектров при использовании эмиссионных методов затруднено, поэтому они на практике не применяются.
Устройство и принцип действия
Современный уровень развития приборостроения позволяет создавать спектрометры, которые способны охватить весь спектр ИК-излучения. Все они подразделяются на диспергирующие и недиспергирующие.
Диспергирующие ИК-спектрометры
Особенность диспергирующих приборов заключается в том, что диспергирующий элемент представляет собой призму, изготовленную из материала, дисперсия которой соответствует ИК-диапазону, или дифракционную решетку. В настоящее время призмы не находят широкого применения, и используются дифракционные решетки. Последние обеспечивают высокое разрешение, и дают преимущество в энергии излучения.
Качество таких ИК-спектрометров не вызывает сомнений, но они постепенно вытесняются недиспергирующими приборами, в частности Фурье-спектрометрами.
В зависимости от схемы освещения диспергирующие инфракрасные спектрометры бывают:
- Однолучевые. В этом случае исследуемый спектр поглощения регистрируется одновременно с фоновым поглощением.
- Двухлучевые. Применение этой схемы приводит к выравниванию фона.
Недиспергирующие ИК-спектрометры
В основе работы Фурье-спектрометров лежит интерференция электромагнитного излучения. При создании приборов этого типа могут быть использованы различные интерферометры (Фабри-Перо, Майкельсона, ламеллярный интерферометр), но чаще всего находит применение интерферометр Майкельсона. Сложные Фурье-преобразования производятся с помощью компьютеров, что обеспечивает высокую скорость получения спектра и его обработки.
К преимуществам Фурье-спектрометров относят:
- Энергетический выигрыш. Достигается за счет того, что на приемник попадает весь спектр исследуемого диапазона волн. Таким образом, имеется возможность получения информации обо всем диапазоне спектров. Это имеет особое значение при проведении исследований в области длинных волн.
- Возможность увеличения разрешения без уменьшения потока электромагнитной энергии.
Благодаря указанным преимуществам, Фурье-спектрометры отличаются:
- чувствительностью;
- высокой точностью измерений;
- очень высоким разрешением и точностью определения волновых чисел;
- быстродействием.
Источники инфракрасного излучения
Для получения непрерывного инфракрасного излучения используются: силитовый стержень или штифт Нернста. Первый представляет собой штифт, изготовленный из карбида кремния, материал второго представляют оксиды редкоземельных металлов. При нагревании этих источников электрическим током кривая излучения имеет вид абсолютно черного тела.
Для исследования длинноволновой инфракрасной области хорошие источники отсутствуют. Это связано с тем, что доля от общей мощности излучения, приходящаяся на эту область спектра крайне мала, а основная ее часть приходится на видимую и ближнюю область ИК-спектра.
Детекторы инфракрасного излучения
Приемниками излучения в ИК-спектрометрах чаще всего служат:
- Термопара. Работа построена на преобразовании энергии инфракрасного излучения в тепловую с последующей регистрацией возникающей при этом разности потенциалов.
- Болометр. Принцип действия подобен термометру сопротивления. Материалом служит металл или сплав, сопротивление которого значительно изменяется в зависимости от температуры.
Также могут быть использованы пневматические приемники или ячейка Голея, Они наряду с квантовыми и фотонными детекторами применяются при проведении исследований в длинноволновой ИК-области.
