Спектроскопия

Методы спектроскопии и спектрометрия

Спектроскопия

Спектроскопия относится к разделу физики изучающей данные о строении и свойствах материи полученные путем анализа спектров электромагнитного излучения. Данные используются для решения задач широкого применения.

Термин является производным от латинского слова “spectron”, что означает дух или призрак, и греческое слово “skopein”, что означает смотреть на мир.

Спектроскопия занимается измерением и интерпретацией спектров, которые возникают в результате взаимодействия электромагнитного излучения (в виде энергии распространяемой путем электромагнитных волн) с веществом. Это касается поглощения, излучения или рассеяния электромагнитного излучения атомами или молекулами.

 Еще Джеймс Кларк Максвелл в 1864 году рассказал миру, что свет состоит из электрических и магнитных полей.

Следовательно, большинство инженеров и ученых прямо или косвенно в какой-то момент в своей карьере включали области электромагнитного спектра в свои работы.

Спектрометрия как область физической науки разрабатывает приборы и устройства для измерении спектров. Одним из сложных вопров являются методы измерения спектров.

Основные ограничения методов спектроскопии связаны с трудностями приготовления эталонных растворов с учетом влияния третьих компонентов.

Поэтому для получения достоверных результатов должны применяться растворы для спектрометрического анализа особой чистоты.

Данные измерения широко используется для количественного анализа в различных областях (например, химия, физика, биология, биохимия, материалы и химическая инженерия, клинические применения, промышленный комплекс).

  Основные методы спектроскопии

Спектроскопия представляет собой общий методологический подход. Методы могут варьироваться в отношении проанализированных (например, атомной или молекулярной спектроскопии), в области электромагнитного спектра, и типа контролируемого взаимодействия излучения с веществом (например, эмиссии, поглощения или дифракции).

Тем не менее, основным принципом, общим для всех различных методов является луч электромагнитного излучения на желаемый образец для того, чтобы наблюдать, как он реагирует на определенные воздействия.

Ответ обычно записывается как функция длины волны излучения и уровня представляющего собой спектр.

Любая энергия света от низкочастотных радиоволн до высокочастотных гамма-лучей может показать определенный спектр.

Общая цель спектроскопии представляет изучение спектров различных видов излучения для понимания того, как именно свет взаимодействует с материей, и как эта информация может использоваться, чтобы количественно понять образцы материи.

Область физики, должна также быть оценена как набор инструментов, который может быть использован, чтобы понять различные системы и решать сложные физические и химические проблемные задачи.

 Приборы в спектроскопии

Несколько различных инструментов может быть использовано для выполнения спектроскопического анализа, но даже самые простые из них влекут за собой источник энергии (инфракрасный , рентгеновский, ультрафиолетовый или ионный источник также может быть использован) и прибор для того чтобы измерить изменение после взаимодействия с образцом.

Рамановская спектроскопия использует как источник возбуждающего света монохроматический лазерный луч и является важным методом неразрушающего химического анализа. Особенность лазера в строго определенной длине волны и поэтому изменения спектра легко идентифицировать.

Операционная область источника в определенном спектроскопическом методе обычно используется, чтобы дать методу имя. Например, если используется ультрафиолетовый источник, то метод можно назвать ультрафиолетовой спектроскопией. Тот же принцип используется для названия других методов, таких как инфракрасная, флюоресценция, или атомная спектроскопия.

 Применение методов

Каждое химическое вещество поглощает, передает или отражает электромагнитное излучение определенного диапазона длин волн. Методика представляет количественное измерение: сколько химическое вещество поглощает или передает.

Этот метод можно использовать для любого приложения, которое имеет дело с химическими веществами или материалами. В биохимии, например, он используется для определения ферментных реакций.

В клинических приложениях используется для изучения крови или тканей для клинической диагностики. Есть также несколько вариаций как атомно-абсорбционная и атомно-эмиссионная спектрофотометрия.

Это измерение может также использоваться для определения суммы известного химического вещества. Наука физическая химия изучает вещества на молекулярном и атомном уровне.

Спектроскопия является одним из наиболее полезных методов количественного анализа в различных областях, таких, как химия, физика, биохимии, материаловедение, химическая инженерия и клиническое применение.

Метод спектроскопии комбинационного рассеяния света

Спектроскопия

В спектроскопии комбинационного рассеяния света (англ. эквивалент Raman spectroscopy) образец облучается монохроматическим светом, которым обычно является лазер. Большая часть рассеянного образцом излучения будет иметь ту же частоту, что и падающая – процесс известен как Рэлеевское рассеяние.

Тем не менее, некоторое количество излучения, рассеянного образцом, примерно один фотон из десяти миллионов (0.000001 %) – будет иметь частоту, смещенную по отношению к частоте исходного излучения лазера. Излучение, имеющее более высокую длину волны называется стоксовой компонентой рассеяния и имеет более низкую энергию, чем излучение лазера.

Колебательные состояния, исследуемые в КР спектроскопии, являются такими же, что и в ИК спектроскопии. КР и ИК спектроскопия являются по сути комплементарными, взаимно дополняющими методами. Колебания, которые сильно проявляются в ИК спектре (сильные диполи) обычно слабо проявляются в КР спектре.

В тоже время, неполярные функциональные группы, дающие очень интенсивные полосы КР, как правило, дают слабые ИК сигналы. Например, колебания гидроксильных, карбонильных групп или аминогрупп очень сильно проявляются в ИК спектре и очень слабы в КР спектре.

Однако, двойные и тройные углерод-углерод связи и симметричные колебания ароматических групп очень сильны в КР спектре. В связи с этим КР спектроскопия используется не только как отдельный метод, но и в сочетании с ИК спектроскопией для получения наиболее полного представления о природе образца.

Колебательная спектроскопия дает ключевую информацию о структуре молекул. Например, положение и интенсивность полос в спектре может использоваться для изучения молекулярной структуры или химической идентификации образца.

В результате анализа можно идентифицировать химические компоненты (определять природу вещества) или изучать внутримолекулярные взаимодействия, наблюдая положение и интенсивность полос в КР спектре. КР спектроскопия имеет значительные преимущества по сравнению с другими аналитическими методами. Важнейшими из них являются простота пробоподготовки и большой объем получаемой информации.

КР спектроскопия — метод, основанный на рассеянии света, поэтому все, что требуется для сбора спектра – это направить падающий луч точно на образец, а затем собрать рассеянный свет. Толщина образца не вызывает проблем для КР спектроскопии (в отличие от ИК спектроскопии при анализа образцов на пропускание), также окружающая атмосфера вносит незначительный вклад в КР спектры.

Поэтому не требуется вакуумирование или осушка кюветного отделения для образцов. Стекло, вода, и пластиковая упаковка сами по себе имеют очень слабые КР спектры, что еще более упрощает использование метода. Часто образцы можно анализировать прямо в стеклянной бутылке или пластиковом пакете, не открывая упаковку и без риска загрязнения.

Водные растворы готовы для анализа, не требуется удалять воду для анализа растворенного образца, а поскольку атмосферная влажность не играет роли, нет необходимости продувать спектрометр. Более того, не существует двух молекул, которые имеют одинаковые КР спектры, а интенсивность рассеянного света связана с количеством вещества.

Это позволяет просто получать как количественную, так и качественную информацию об образце, дает возможность интерпретировать спектр, обрабатывать данные с применением компьютерных методов количественного анализа. КР спектроскопия – это неразрушающий метод анализа.

Нет необходимости растворять твердые тела, прессовать таблетки, прижимать образец к оптическим элементам или иным образом менять физическую или химическую структуру образца. Таким образом, КР спектроскопия широко используется для анализа таких физических свойств, как кристалличность, фазовые переходы и полиморфные состояния.

КР спектроскопия имеет несколько дополнительных преимуществ по сравнению с другими колебательными методами, поскольку спектральный диапазон не зависит от изучаемых колебательных особенностей. Другие колебательные методы требуют набора частот, который напрямую соответствует изучаемым частотам.

КР спектроскопия является наилучшим выбором для исследователей, поскольку работает в широком диапазоне от УФ до ближней ИК области, позволяя выбрать наиболее удобный диапазон для данного образца и получения наилучших результатов. КР спектроскопия позволяет изучать колебательные состояния, связанные с частотами в дальней инфракрасной области, которые трудно изучать другими методами.

Спектрометр комбинационного рассеяния Horiba Jobin Yvon T64000

Области применения:

  • определение наличия вещества в смесях твердых и жидких веществ
  • регистрации изменений структуры вещества, фазовых переходов в твердом теле при температурах 520—930 К
  • определение чистоты материалов
  • характеризации качества синтеза новых веществ
  • определение неоднородного пространственного распределения включений примесных веществ в образце с составлением карты распределения примеси
  • изучения временной динамики химических процессов
  • экспресс-контроль технологических производств

Основные характеристики:

  • Тройной монохроматор. Возможны два режима: со сложение и вычитанием дисперсии
  • Рабочий диапазон частот 0.5-8000 см-1 (зависит от длины волны возбуждения и качества образца)
  • Разрешение в режиме вычитания дисперсии: от 0.2 см-1 (стандартно 2 см-1 ) при возбуждении 514 нм.
  • Возбуждение Ar+ лазер 514 нм – 2,2 Вт; 488 нм – 1,5 Вт; 514 нм – 2,7 Вт; 476 нм – 0,8 Вт; 458 нм – 0,4 Вт; 454 нм – 0,1 Вт; (возможно использование другого лазера)
  • Возможно исследование жидких и твердых веществ в стандартных условиях.
  • Температурный диапазон:
    • в микрокамере 80–850 К;
    • в макрокамере 10–350 К, 200–750 К (требуется раздельная установка)
  • Диапазон давлений: 0.1–25 ГПа; + температура 297-673 К
  • Размер образца:
    • в температурной микрокамере толщина 1.5 мм размер 8×8 мм2
    • в температурной макрокамере толщина 5 мм размер до 20×20 мм2
    • в камере высокого давления 0.1×0.1×0.1 мм3
  • Имеется микроскопная приставка. Область фокусировки 5 мкм.

Спектрометр комбинационного рассеяния Bruker RFS 100/S

Области применения

  • определение наличия вещества в смесях твердых и жидких веществ
  • регистрации изменений структуры вещества, фазовых переходов в твердом теле при температурах 520—930 К
  • определение чистоты материалов
  • характеризации качества синтеза новых веществ
  • определение неоднородного пространственного распределения включений примесных веществ в образце с составлением карты распределения примеси
  • изучения временной динамики химических процессов
  • экспресс-контроль технологических производств

Основные характеристики:

  • Диапазон частот 100—3500 см-1
  • Возбуждение Nd:YAG
  • Лазер 1500 mW (с шагом 1 mW)
  • Температурный диапазон 520—93 К
  • Микроскопная приставка
  • Область фокусировки 10 мкм
  • Описание теоретических основ и эффектов на которых основано функционирование прибора
  • Исследуемые вещества:
    • Образцы для исследований твердые (возможно исследование жидких образцов при наличии специальной кюветы)

Спектрометр комбинационного рассеяния ЛОМО ДФС-24

В настоящее время используется как спектрометр общего назначения с высокой разрешающей способностью (3 см-1) возможностью регистрации очень слабых сигналов с большим динамическим диапазоном (возможно одновременная регистация линий с интенсивностью от 20 до 3 106 отн. единиц).

Поделиться:
Нет комментариев

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Все поля обязательны для заполнения.

×
Рекомендуем посмотреть