Спектрометрия. Пособие к спецпрактикуму по физикохимическим методам для студентовдипломников кафедры органической химии
 Скачать 0.54 Mb.
|
|
выигрыш Фэлжетта). В инфракрасной области метод Фурье-спектроскопии оказывается весьма действенным независимо от требуемой разрешающей силы и становится тем выгоднее, чем больше спектральных элементов содержит искомый спектр. Этот выигрыш в чувствительности можно использовать по-разному: 1) если время измерений Т такое же, как и в классическом методе, то в М 1/2 раз увеличивается отношение сигнала к шуму; 2) при одном и том же отношении сигнала к шуму в М раз сокращается время измерения спектра; 3) при заданном отношении сигнала к шуму и заданном времени измерения можно увеличить разрешающую силу и, таким образом, решать задачи, недоступные для решения другими методами. Для стандартного участка ИК спектра 4000 – 400 = 3600 см -1 , зарегистрированного с разрешением 1 см -1 , теоретическое улучшение отношения сигнала к шуму составит (3600) 1/2 = 60 раз. В характеризующемся случайным шумом экспериментальном измерении отношение сигнал/шум можно повысить, проводя измерения N раз (увеличивая число сканов – прохождений подвижного зеркала). Полезный сигнал при этом увеличивается в N раз, а уровень случайного шума в N 1/2 раз. Дополнительный выигрыш в энергии в интерферометре возникает за счет более высокого геометрического фактора - коэффициента, называемого выигрышем Жакино (по имени французского исследователя). Его появление объясняется тем, что входное отверстие интерферометра имеет круглую, а не щелеобразную форму. Это обеспечивает дополнительный выигрыш в энергии от 80 до 200 раз. Протяженность реальной интерферограммы не может быть от - до + , т.к. перемещение подвижного зеркала имеет пределы, ее ограничивают, используя подходящую преобразующую математическую функцию. В случае прямоугольной функции, после Фурье-преобразования получается косинусоидальная волна, а результирующая функция имеет вид, показанный на рис.5. Боковые сигналы могут быть подавлены умножением интерферограммы на так называемую “аподизирующую” функцию, такую, как треугольная (рис.5). Используются и другие аподизирующие функции, от выбора которых зависят отчасти разрешение, контур полос и фотометрическая точность. Рис. 5. Влияние вида функций аподизации на аппаратную функцию интерферометра. Разрешающая способность является важнейшей характеристикой как классических так и Фурье-спектрофотометров. Разрешающая способность обычного сканирующего спектрометра определяется шириной щели и дифракцией на ней световых волн. В интерферометре предел разрешения равен обратной величине максимальной разности хода в интерферограмме. Этот вопрос подробно рассматривается в книгах по оптике. Интерферограмма измеряется от нулевой разности хода до некоторого максимального значения х 1 , на котором она обрывается. Б.Н.Тарасевич, «Основы ИК спектроскопии с преобразованием Фурье». стр. 11 из 22 Гармонический анализ позволяет вычислять все частоты, для которых на интервале от -х 1 до +х 1 укладывается целое число периодов. Если спектр рассматривается в шкале волновых чисел, то предел разрешения интерферометра в см -1 можно считать равным 1/2 х 1 , где х 1 – разность хода выражена в сантиметрах. Ж.Конн использовала в своем интерферометре разность хода до 200 см и добилась разрешения 0,006 см -1 , что на два порядка превосходит возможности лучших классических спектрофотометров с дифракционными решетками. В случае серийных Фурье-спектрометров для рутинных измерений спектров газов приемлемым является разрешение 0,1 см -1 . В отличие от дисперсионных спектральных приборов разрешение постоянно по всему спектральному диапазону, и его легко менять, изменяя величину хода зеркала. Высокая точность определения частот. Фурье-спектрометры не нуждаются во внешних стандартах для градуировки шкалы волновых чисел. В них используется внутренний стандарт, обычно одночастотный газовый лазер (для гелий-неонового лазера л = 632,8нм л = 15804см -1 ) для калибровки разности хода по счету интерференционных полос во время регистрации интерферограммы. При этом достигается очень высокая точность определения волновых чисел. Так, в Фурье-спектрометре с криптоновым стандартом была достигнута точность определения волновых чисел до 10 -4 см -1 , т. е. более чем на порядок лучше, чем у самых точных дифракционных приборов. Широкая область регистрации спектра. За один проход зеркала (один скан) получается интерферограмма, содержащая информацию о всем спектральном диапазоне для данного светоделителя. Так, светоделитель на основе пленки Gе, напыленной на КВг перекрывает область 5000 – 400 см -1 , т. е. всю среднюю ИК-область, в которой проявляются колебательные спектры органических соединений. Переход в длинноволновую область (менее 400 или 300 см -1 ) достигается сменой светоделителя, источника излучения и приёмника. Набор светоделителей из пленок лавсана (майлара) разной толщины позволяет получать спектры в области до 10 см -1 . Низкая энергия источника в этой области может быть частично скомпенсирована увеличением числа сканирований, что, конечно, увеличивает время получения спектра. Однако, по сравнению с приборами классического типа получать длинноволновые ИК-спектры на Фурье-спектрометре значительно проще. Получение ИК спектров в этой области чрезвычайно важно, так как там располагаются частоты колебаний кристаллических решеток, связей металл-углерод, полупроводниковых структур, собственных колебаний водородных связей. Малое время регистрации спектра. Фурье-спектрометр позволяет существенно сократить время регистрации спектра. Этот выигрыш тем более существен, чем выше необходимое разрешение. Иногда, особенно при использовании охлаждаемых до температуры жидкого азота детекторов, имеющих очень низкий уровень собственных шумов, можно получить спектры Б.Н.Тарасевич, «Основы ИК спектроскопии с преобразованием Фурье». стр. 12 из 22 хорошего качества от единственного хода зеркала, на что требуется около 1 с. При регистрации рутинных спектров с разрешением 4 см -1 время одного скана также составляет около 1 с. Возможность регистрации слабых сигналов. Высокое пропускание энергии и возможность улучшения соотношения сигнал/шумпутем накопления интерферограмм позволяет получать спектры удовлетворительного качества в условиях, когда получение спектра на дифракционном приборе вряд ли возможно. Например, при малых концентрациях пробы в таблетке из KBr или в случае сильно рассеивающих излучение образцов. Отношение сигнал/шум для Фурье-спектрометров имеет величину порядка десятков тысяч. Отсутствие рассеянного света. Рассеянный свет в спектрометре очень сильно влияет на точность измерений в дисперсионных приборах. Устранение его представляет сложную задачу для конструкторов “классических” приборов. В Фурье-спектрометрах проблемы рассеянного не существует. Фотометрическая точность современных приборов не хуже 0,1%. Наличие в приборе встроенной ЭВМ (или подключение к ПК), позволяет использовать ЭВМ не только для преобразования Фурье и для управления прибором. К настоящему времени выработан и реализован на практике минимальный набор требований к возможностям стандартного программного обеспечения Фурье-спектрометра для хранения и обработки спектров. Некоторые из них перечислены ниже. 1. Возможность создавать библиотеки спектров и базы данных, как на основе собственных результатов, так и с использованием каталогов. Например, фирма “Bruker” продает в комплекте с Фурье-спектрометрами каталоги спектров, включающие до 12000 спектров веществ в твердой и жидкой фазах в области 4000 – 400 см -1 и 7300 спектров газов. Программы поиска позволяют использовать эти библиотеки в разных целях, например, отыскивать спектры, близкие к спектру неизвестного вещества, с целью идентификации, или отбирать спектры по какому-либо признаку или их совокупности. Существуют специализированные базы данных, например, нефтепродуктов, растворителей, лекарственных веществ и многие другие. 2. Возможность, регистрации спектров поглощения и отражения в любом желаемом виде (А, Т%) и в разных форматах. Изменение масштабов шкал в сочетании с накоплением позволяет получать спектры в случае очень слабых сигналов. 3. Числовое сглаживание спектров уменьшает шумы, хотя вносит некоторые искажения в спектр и ухудшает эффективное разрешение. Операция может быть полезна, например, при воспроизведении спектров с сильной растяжкой по шкале ординат. 4. Сложение и вычитание спектров проводится в шкале оптических плотностей. Цифровое вычитание спектров резко расширило возможности дифференциальной спектроскопии. При вычитании, спектра растворителя из спектра раствора совсем не обязательно, чтобы спектры были записаны при одинаковой толщине слоя. Вычитание можно проводить, умножая спектр на любой Б.Н.Тарасевич, «Основы ИК спектроскопии с преобразованием Фурье». стр. 13 из 22 коэффициент. Возможно выполнение и других математических операций (дифференцирование, разложение сложных контуров полос на составляющие функции и др.). 6. Возможность программирования выполнения эксперимента. Статистическая обработка спектров и результатов количественных измерений. В Фурье-спектрометрах используются прецезионные оптико-механические компоненты, например, наклон подвижного зеркала в процессе сканирования не должен изменяться больше чем на четверть длины волны. Спектральный интервал, хотя и достаточный для рутинной работы, ограничен средней областью (400 – 4000 см -1 ), из-за неравномерности излучения теплового источника, близкого к излучению абсолютно чёрного тела. Вблизи пределов этого интервала резко увеличиваются шумы (ухудшается отношение сигнал/шум). Длинноволновая (менее 400 или 300 см -1 ) и ближняя (более 5000 см -1 ) спектральные области требуют различных светоделителей, источников излучения и приёмников. Важно отметить, что для прецезионных работ необходимо вакуумирование или осушка прибора (что является одним из немногих недостатков Фурье-спектрометров). Оптическая схема и работа ИК спектрофотометра “ИКАР”. В настоящее время фирмы-производители выпускают на рынок множество типов Фурье-спектрометров с различными характеристиками в широком ценовом интервале. Ниже на рис. 6 в качестве примера представлена функциональная схема отечественного ИК спектрофотометра с Фурье-преобразованием “ИКАР”. Основными узлами оптической системы прибора является источник ИК излучения , интерферометр, лазерный тракт, кюветное отделение, ИК - детектор. Во время работы прибора подвижное зеркало интерферометра совершает возврано-поступательное движение. При этом на приемник ИК излучения, расположенный на выходе интерферометра, поступает переменный световой поток. Все элементы конструкции смонтированы на массивном основании. В качестве ИК-источника используется нихромово-керамический излучатель с размерами излучающей площадки 2,4 мм и яркостной температурой 1000 0 С. В качестве ИК-приемника используется пироэлектрический приемник, имеющий коэффициент преобразования около 7·10 3 В/Вт, порог чувствительности не более 4·10 -10 Вт·Гц 1/2 . Входное окно приемника просветлено многослойным напылением, что существенно расширяет его спектральный диапазон. Важнейшим элементом оптической системы, от которого зависит спектральное разрешение и стабильность работы спектрометра, является узел 20 подвижного зеркала 8. Каретка, на которой установлено зеркало, перемещается на газовом подшипнике с помощью привода, состоящего из катушки соленоида и постоянного магнита. Поддув газа обеспечивается компрессором 25. Ввод излучения в кюветное отделение, в котором размещается исследуемый образец 34 осуществляется параболическим зеркалом 4, а вывод излучения из него параболическим зеркалом 5. Образец располагается в фокусе зеркал 5 и 6. ИК-излучение, выводимое из кюветного отделения зеркалом 8 в виде параллельного пучка, падает на эллиптическое зеркало 6, которое фокусирует его на фоточувствительной площадке ИК-приёмника 17. Светоделитель и компенсатор 9 установлены в оправе, закрепленной под углом 45 0 к оси светового пучка.В спектрометре используется светоделитель на подложке из бромистого калия с напылением из германия, что обеспечивает рабочий диапазон 400 4000 см -1 (25 2,5 мкм). В одной оправе со светоделителем находится компенсатор — пластина из того же материала, что и светоделитель, предназначенная для компенсации оптической разности хода, вносимой материалом светоделителя, т.е. для обеспечения равенства оптических путей в обоих плечах интерферометра. Предельный ход оптического зеркала интерферометра составляет 75 мм. Б.Н.Тарасевич, «Основы ИК спектроскопии с преобразованием Фурье». стр. 14 из 22 1. Источник ИК излучения 2. Поворотное сферическое зеркало 3. Диафрагма 4,5 Параболические зеркала 6. Эллиптическое зеркало 7. Неподвижное зеркало интерферометра 8. Подвижное зеркало интерферометра 9. Светоделитель и компенсатор 10,11 Зеркала 12, 13. Линзы 14. Приемник лазерного излучения 15. Проба 16. Гелий-неоновый лазер 17. Приемник ИК излучения 18. Узел автоюстировки неподвижного зеркала 19. Система управления автоюстировкой 20. Узел движения подвижного зеркала 21.Система управления движением подвижного зеркала 22. Аналого-цифровой преобразователь 23. Интерфейсная плата 24. Источник питания 25. Компрессор 26. Источник питания лазера Рис.6. Функциональная схема ИК Фурье-спектрометра “Икар”. (Цветом выделен ход вспомогательного луча газового He-Ne лазера). Кроме основного инфракрасного тракта в интерферометре предусмотрен еще один - оптический тракт гелий-неонового лазера для точного измерения волновых чисел. В состав лазерного тракта входят гелий-неоновый лазер 16, линзы 12, 13, плоские поворотные зеркала 10, 11 и приёмник 14 (кремниевый 4-х секционный фотодиод)., а также элементы интерферометра 7, 8, 9. Стабильное лазерное монохроматическое излучение даёт на выходе интерферометра интерферограмму в виде косинусоиды, которая образует точную лазерную шкалу значений оптической разности хода. Это устройство обеспечивает высокую воспроизводимость измерений рабочих интерферограмм и точное определение волновых чисел. Для качественной работы интерферометра рабочие плоскости зеркал 7 и 8 должны быть параллельны фронтам плоских волн падающих на них. Это условие нарушается из-за погрешностей перемещения подвижного зеркала, вследствие внешних вибраций, температурных поводок и т.п., что приводит к ухудшению спектрального разрешения и ухудшению контраста получаемых интерферограмм. Ручная юстировка обеспечивает правильное положение зеркал лишь на непродолжительное время. Поэтому используется система автоматического регулирования положения неподвижного зеркала 7 относительно зеркала 8. Б.Н.Тарасевич, «Основы ИК спектроскопии с преобразованием Фурье». стр. 15 из 22 Датчиком положения зеркала 7 служит 4-х квадрантный фотоприёмник 14. Он измеряет разность фаз в четырёх точках поперечного сечения лазерного пучка, в которых расположены квадрантные фотодиоды приёмника Д 1 , Д 2 , Д 3 и Д 4. При оптимальной юстировке разность фаз по всему сечению пучка должна равняться нулю. Разность фаз сигналов диодов Д 1 и Д 3 свидетельствует о разъюстировке в горизонтальной плоскости, сигнале диодов Д 2 и Д 4 в вертикальной плоскости (рабочие поверхности подвижного и неподвижного зеркал и светоделителя лежат в вертикальных плоскостях).По этим сигналам электронная схема вырабатывает токовые сигналы, подаваемые на пьезокерамические приводы, которые поворачивают неподвижное зеркало в соответствующих плоскостях, до тех пор пока разностные фазовые сигналы не уменьшаться до приемлемо малых значений, т.е. пока неподвижное зеркало не будет установлено правильно относительно подвижного зеркала интерферометра.Линзы 12 и 13 служат для расширения лазерного пучка, чтобы обеспечить засветку 4-х квадрантного фотоприёмника 14. Знакомство с методами и приемами подготовки проб в ИК спектроскопии. Разнообразие приемов подготовки проб для съемки ИК-спектров почти беспредельно, и исследователь должен выбрать один из них, наилучшим образом подходящий для решения конкретной проблемы с учётом свойств исследуемого объекта. Здесь представлены некоторые основные приёмы пробоподготовки. В связи с тем что физическое состояние образца может сильно влиять на его ИК-спектр, целесообразно заранее определить иерархию используемых приемов Последовательность их применения определяется поставленными перед исследователем задачами. Например, в лаборатории, проводящей химические работы общего характера, спектры жидких нелетучих проб целесообразно снимать в виде жидких плёнок или раздавленных между солевыми пластинками капель. ИК спектры летучих жидкостей регистрируют в тонких кюветах или в виде растворов, если вещество растворимо, при этом необходимо учитывать собственное поглощение растворителя. Для органических порошкообразных веществ логична следующая последовательность: 1) суспензия в вазелиновом масле (или другом разбавителе), 2) таблетка с КВr или спектр диффузного отражения, 3) раствор, 4) пиролизат. Такие методы, как нарушенное полное внутреннее отражение (НПВО), обычно оставляют для исследования специальных случаев (например, полимерных материалов). Жидкие пробы. Одним из простейших приемов приготовления образцов является метод жидкой пленки. Он применяется для получения качественных обзорных спектров нелетучих, нереакционноспособных, нерастворимых жидкостей. Капля вещества сжимается между двумя солевыми пластинками или помещается на плоскую стеклянную поверхность, а затем “вытирается” солевой пластинкой. Желательно, чтобы в пределах сечения светового луча спектрометра толщина образца была более или менее одинаковой, без воздушных пузырьков. Очевидно, что спектры, полученные таким путем, не очень воспроизводимы, и не пригодны для количественной обработки (толщина поглощающего слоя неизвестна). Для получения спектров растворимых в летучих растворителях смол или лаков тонкий слой соответствующего раствора, нанесенного на солевое окно, аккуратно Б.Н.Тарасевич, «Основы ИК спектроскопии с преобразованием Фурье». стр. 16 из 22 высушивают под тепловой лампой, феном или в вакуумном эксикаторе, добиваясь полного удаления растворителя. В некоторых случаях исследователи предпочитают приготовление проб в виде растворов, хотя этот метод более трудоемок, чем другие, его преимущество заключается в высокой воспроизводимости и в возможности выполнять количественные измерения. Рис.7. Разборная жидкостная кювета Требования к растворителям. Выбор растворителя всегда является результатом компромисса. Так как все стандартные органические растворители имеют ИК спектры, то необходимо выбирать те из них, в которых вещество достаточно хорошо растворимо и которые имеют окна прозрачности в аналитических областях спектра. Растворитель должен быть химически инертным, поддаваться очистке и осушке. В тех областях спектра, где пропускание растворителя падает ниже 30%, чувствительность измерений будет понижена, а шумы и погрешности измерений будут возрастать. Выбор концентрации. Большинство органических веществ дает приемлемые спектры в области 625 – 4000 см -1 в кювете толщиной 0,1 мм при концентрациях около 1 г /10 мл. При работе ниже 600 см -1 могут понадобиться более высокие концентрации. В случае сильнопоглощающих фтор- или кремнийорганических соединений концентрация может быть снижена до 0,2 г /10 мл. Для содержащих полярные группы соединений нужно иметь ввиду возможность проявления в спектрах межмолекулярных взаимодействий (например, водородных связей). Толщина поглощающего слоя. На выбор толщины кюветы может влиять количество имеющегося в распоряжении образца или его растворимость. Очень тонкие кюветы (<0,05 мм) трудно изготавливать, заполнять и опорожнять, а в кюветах толщиной более 0,2 мм поглощение растворителя может оказаться слишком сильным. Удобными для работы являются кюветы толщиной 0,1 мм. В специальных случаях для анализа следовых количеств в узких областях высокой прозрачности растворителя могут использоваться кюветы с толщиной поглощающего слоя Б.Н.Тарасевич, «Основы ИК спектроскопии с преобразованием Фурье». стр. 17 из 22 до 1 см. Перед приготовлением образца с большой толщиной поглощающего слоя, необходимо проверить, пропускание растворителя и убедиться в его чистоте. Проверка кюветы В процессе длительного использования окна жидкостной кюветы могут помутнеть или загрязниться. О состоянии окон не всегда можно судить по их внешнему виду, поэтому необходимо контролировать чистоту окошек и кювет, записывая их спектры. Регулярная проверка спектра кюветы может сберечь спектроскописту много бесплодных часов на попытки идентифицировать ложныеполосы. Определение толщины кювет основано на том, что в спектре пустой чистой кюветы с плоско - параллельными окнами наблюдаются регулярные максимумы и минимумы, обусловленные интерференцией. Расстояние между окнами t (см) вычисляют по формуле: 2 1 1 2 n t где и волновые числа в см -1 , а n число максимумов между ними (нумерация начинается с 0). Водные растворы. Из-за очень сильного поглощения жидкой воды в ИК области, применение водных растворов ограничено такими специальными областями, как биологические исследования. Использование жидкостных кювет толщиной менее 10 мкм из водостойких материалов - Ge, Si, ZnSe позволяет проводить исследования в значительной части области “отпечатков пальцев”. Так как при дейтерировании частоты колебаний смещаются в область низких волновых чисел, то иногда в качестве растворителя используют тяжёлую воду. |