Аппаратура для колебательной спектроскопии

Источники излучения

В качестве источников излучения в ИК-области используют раскаленные твердые тела. Для таких источников распределения интенсивности излучения по длинам волн зависит от температуры и описывается законом излучения Планка. Это распределение неравномерно и имеет четко выраженный максимум. Для ИК-спектроскопии необходимо отсечь интенсивное коротковолновое излучение в видимой области и оставить длинноволновое и относительно менее интенсивное излучение – как правило, в области 4000-400 см^-1 (иногда до 200 см^-1)

Наиболее распространенные источники ИК-излучения – штифты Нернста, изготовленные из оксидов иттрия и циркония, и глобары из карбида кремния. Их нагревают до высоких температур электрическим током. Для шрифтов Нернста рабочие температуры составляют около 1900°C, для глобаров – порядка 1350°C. Менее интенсивные, но более продолжительные в эксплуатации источники изготавливают из тугоплавких сплавов (например, хрома и никеля). Их нагревают до температуры порядка 800°C.

Для дальней ИК-области (от 200 до 10 см^-1 или, соответственно, от 50 до 1000 мкм) необходимо использовать специальные источники излучения. Чаще всего применяют ртутные разрядные лампы высокого давления. В ближней ИК-области (4000-12800см^-1, 2500-780 нм) можно использовать обыкновенные вольфрамовые лампы [10].

Отделение для пробы

В ИК-спектроскопии пробоподготовка часто более трудоемка, чем в спектроскопии видимого диапазона (где пробу растворяют в воде или другом растворителе и помещают в стеклянную кювету той или иной толщины).

Для газообразных проб используют специальные вакуумированные кюветы толщиной от нескольких миллиметров до многих метров. Однако значительно чаще используют жидкости или растворы. При этом в качестве растворителя ни вода, не спирт, непригодны, поскольку оба эти вещества интенсивно поглощаются в ИК-области, а, кроме того, воздействуют на наиболее распространенные материалы кювет для ИК-спектроскопии (галогениды щелочных металлов). Поэтому любой органический растворитель, используемый в ИК-спектроскопии, следует избавить от следов воды.

Жидкая проба заливается в кювету (толщину которой можно регулировать с помощью специальных прокладок) через отверстие. В качестве материала для окошек кюветы обычно используют NaCl (прозрачен в области 4000-600 см^-1), реже KCl (4000-400 cм^-1). Выбор растворителя, не поглощающего ИК-излучение, представляет серьезную проблему. Чтобы собственное поглощение растворителя было как можно меньше, используют достаточно тонкие кюветы – толщиной от 0.01 до 1мм.

Твердые образцы можно спектроскопировать непосредственно, если из материала образца можно приготовить достаточно тонкий слой. Кроме того, твердые пробы часто смешивают с KBr или нуйолом. При использовании KBr несколько миллиграммов образца тонко растирают в агатовой ступке вместе со 100 мг бромида калия, перемешивают в прозрачную таблетку с помощью гидравлического пресса под высоким давлением. Для спектроскопии в дальней ИК-области вместо KBr применяют полиэтилен.

Нуйлон (длинноцепочечная парафиновая фракция нефти) представляет с собой вязкую жидкость. Измельченную в порошок пробу смешивают с нуйолом, получая пастообразную суспензию. Ее помещают между окошками кюветы. Окошки плотно прижимают друг к другу, чтобы избавиться от возможных пузырьков. В отличие от прессования с KBr, использование нуйола позволяет исследовать образцы, чувствительные к атмосферному воздуху и влаге [10].

Монохроматоры

В ИК-спектроскопии в качестве монохроматоров можно применять как призмы, так и дифракционные решетки. В зависимости от исследуемого спектрального диапазона применяют призмы из кварца (от 0.16 до 2.8 мкм), LiF (2-6 мкм), NaCl (2.5-15 мкм), KBr (12-25 мкм) или CsI (20-50 мкм). Однако в настоящее время преобладают решеточные монохроматоры ввиду их многих преимуществ перед призменными (более высокая и равномерная разрешающая способность, механическая и химическая устойчивость, широкий рабочий диапазон спектра) [10].

Детекторы

В качестве детекторов (приемников) инфракрасного излучения используют термические детекторы – термопары и болометры. Термопара (термоэлемент) преобразует энергию ИК-излучения в тепловую, а затем в электрическую. Возникающую в результате этого процесса разность потенциалов регистрируют обычным способом. Болометр работает по принципу термометра сопротивления. Рабочим материалом болометра является металл или сплав (платина, никель, а также полупроводниковые материалы), электрическое сопротивление которых сильно изменяется с изменением температуры.

Общей проблемой измерения интенсивности ИК-излучения является наличие значительного теплового шума окружающей среды при относительно небольшом полезном сигнале. Детекторы ИК-излучения следует как можно лучше изолировать от окружающей среды. Кроме того, используют модуляцию полезного сигнала с помощью прерывателя, чтобы выделить его из теплового шума [10].

Приборы