Общие характеристики ИК и КР методов колебательной спектроскопии. Теоретические основы метода

Все ИК – спектрометры имеют типовую конструкцию и содержат следующие элементы: источник излучения, оптическую систему, рабочую ячейку, приемник, систему усиления, регистрации и обработки сигнала (рис. 20). Свет от источника излучения направляется на светофильтр (монохроматор), одна часть его проходит через рабочую ячейку (кювету) с исследуемым веществом, а вторая – через эталон (вещество с известным молекулярным строением). Возможно расположение монохроматора за рабочей ячейкой. Далее свет через щель попадает на приемник излучения, сигнал с которого регистрируется и обрабатывается. Рассмотрим каждый из этих элементов.

Рис. 20. Блок схема ИК – спектрометра

Источники излучения. Идеальным источником для ИК – спектроскопии был бы монохроматический излучатель высокой интенсивности, непрерывно перестраиваемый в широком частотном интервале. Несмотря на то, что существуют лазеры с перестраиваемой частотой, в настоящее время наиболее распространенными являются нагреваемые до температуры 900 – 1100 °С источники с широкой областью излучения: карбид кремния, штифт Нернста (оксиды циркония, тория, иттрия), нихромовая спираль, платиновая проволока с керамическим покрытием. В дальней ИК-области используется излучение ртутной лампы низкого давления.

Оптические системы. Назначение оптической системы – направлять излучение источника по нужному пути с минимальными потерями. Использование отражательных зеркал с наружным покрытием позволяет избежать хроматической аберрации. Отражательная оптика может иметь плоские, сферические, параболические, эллиптические или тороидальные поверхности.

Рабочая ячейка. Представляет собой кюветы с исследуемым веществом и образцом сравнения. Для случая слабо поглощающих веществ (разреженные газы и др.) применяют многоходовые кюветы, в которых длина оптического пути достигает сотен метров благодаря многократным отражениям от системы параллельных зеркал. Кюветы изготавливают из бромида калия (KBr) или хлорида натрия (NaCl), которые не поглощают ИК-излучение в исследуемом диапазоне. В большинстве случаев ИК-спектры органических и природных соединений регистрируют либо в виде растворов веществ в хлороформе (CHCl₃), четыреххлористом углероде (CCl₄), сероуглероде (CS₂), либо в виде твердых прозрачных таблеток, полученных прессованием мелко размолотой смеси вещества с бромидом калия. Иногда используют мелко растертую суспензию в вазелиновом или минеральном масле. В спектроскопии внутреннего отражения применяют материалы с высокими показателями преломления.

Диспергирующий элемент. В качестве диспергирующего устройства спектрометра применяют призмы из различных материалов (фтористый литий LiF, бромистый калий KBr, хлорид натрия NaCl, хлорид калия KCl, фторид цезия CsF и др.) или дифракционные решетки.

Приемники излучения. Приемники ИК излучения делятся на две группы: тепловые и фотоэлектронные. Первая группа включает термоэлементы (термопары), а также болометры (сопротивления с большим температурным коэффициентом), пироэлектрические приёмники, электрическое сопротивление которых возрастает при нагревании. Применяются также газовые термопреобразователи, нагрев стенок сосуда которых приводит к нагреву газа и изменению его давления, которое фиксируется.

2.2.3 ИК – спектрометры

 

Принцип действия ИК – спектрофотометра представлен на рис. 18. ИК-излучение от источника 1 делится на 2 пучка. Рабочий пучок проходит через образец 3, а пучок сравнения через компенсатор 4. С помощью прерывателя 5 пучки поочередно направляются на входную щель монохроматора 6 и через него на диспергирующее устройство 7. При медленном повороте решетки, который осуществляется мотором развертки 14 через выходную щель монохроматора 8 на приемник 9 последовательно проходят вырезаемые щелью узкие по интервалу длины волн в идеале монохроматические лучи. Если излучение данной длины волны в рабочем пучке имеют разную интенсивность, то на приемнике излучения возникает переменный электрический сигнал.

 

Рис. 18. Оптическая схема двулучевого сканирующего ИК-спектрофотометра

 

После усиления и преобразования сигнал поступает на мотор обработки 11, который перемещает фотометрический клин (диафрагма) 12 до уравнивания потоков излучения – метод оптического нуля. Движение фотометрического клина связано с движением пера самописца 13 по оси у, а поворот дифракционной решетки – с движением двигателя по оси х. Таким образом, в процессе сканирования может регистрироваться кривая зависимости пропускания в % от волнового числа. ИК-спектры записывают в виде зависимости пропускания ИК-излучения (%) от волнового числа ν = 1/λ. Поэтому максимумы пиков, отвечающие наибольшему поглощению ИК-излучения, обращены вниз.