Дәріс кіріспе. Физикалық зерттеу әдістерінің жалпы сипаттамасы
ИҚ-спектроскопиясының техникасы мен әдістемесі
жүктеу/скачать 1,83 Mb.
|
Лекций (2)
| ИҚ-спектроскопиясының техникасы мен әдістемесі
ИҚ-спектроскопиясының техникасы мен онда қолданылатын әдістемелерді қарастырайық. Спектрдің ИҚ-облысы көзге көрінетін облыстың шекарасынан басталған толқын ұзындықтарын, яғни 0,7 мкм-ден 1000 мкм-ге дейінгі аумақты қамтиды. Барлық ИҚ-облыс шартты түрде электрондық және тербелмелі ауысулар байқалатын 4000 см-1 толқындық сандар диапазонындағы жақын облысқа, молекулалардың тербелісіне байланысты болатын 625 пен 4000 см-1 диапазонында жататын негізгі немесе орташа облысқа, айналу ауысулары байқалатын 50 мен 625 см-1 диапазонындағы алыс облысқа бөлінеді, мысалы, ауыр молекулалардағы, иондық және молекулалық кристалдардағы, қатты денелердегі кейбір электрондық ауысулар, күрделі молекулалардағы, мысалы, биополимерлердегі, айналмалы және скелетті-деформациялық тербелістер. Қазіргі кезде көптеген сериялық аспаптар жұмыс жасайтын ИҚ орташа облысының спектроскопиясы көп дамыған. ИҚ-спектрометрінің жалпы конструкциясы сәуле көзінен, дисперсиялау жүйесінен (монохроматор) және тіркейтін элементтен (детектор) тұрады. ИҚ-сәуле шығарудың спецификасына байланысты аспаптың әр элементінің құрылымы өзара ерекшеленеді. ИҚ-спектрометріндегі сәуле көзі толқын ұзындығының үлкен интервалын қамтиды. Солардың ішінде көп тарағандары тоқпен 1500°С температурада қыздырылатын кремний карбидінен (глобар) немесе сирек жер элементтерінің оксидтерінен (Нернст штифі) жасалған (өзектер) стерженьдер. Осы заттардың (сәуле көзінің) интенсивтіліктерінің қисығы абсолютті қара дененің сәулелену қисығына сәйкес келеді. Олар жақын ИҚ-облыста қуатты, бірақ толқын ұзындығының өсуіне сәйкес тез азаятын ИҚ-сәулесін береді (қуаттың осылай өзгеруі аспаптың кіретін аузының программалық ашылуымен компенсацияланады). ИҚ-спектрдің ұзын толқынды облысында жоғарғы қысымдағы сынапты-кварц лампасы қолданылады. Монохроматордағы дисперсиялайтын элемент ретінде сәйкес дисперсиясы бар ИҚ-облысындағы мөлдір призмалар немесе дифракциялық торлар қолданылады. Шыныдан немесе кварцтан жасалған призмалар қолданылмайды, себебі олар ИҚ-сәулелерін өткізбейді, сондықтан кейбір тұздардан дайындалған призмаларды қолданады. Призмаларға қойылатын талаптар: дисперсиялау қабілеті жоғары болу керек, бірақ ол толқын ұзындығының азаюымен төмендейді. Мысалы NaCl тұзынан жасалған призма 650 см-1 облыста 2 см-1 дәлдікті қамтамасыз етсе, 3000 см-1 облыста 30 см-1 дәлдікте жұмыс жасайды. Сондықтан аспаптарда LіF, NaCl, KBr, CsІ монокристалдарынан жасалған 3-4 алмастырылатын призмалар қолданылады. Призма материалының дисперсиясы температураға байланысты қатты өзгереді, сондықтан аспапты термостаттау қажет. Тұздар қолданылатын оптиканы жоғарғы ылғалдықтан сақтау керек. Қазіргі кезде дисперсиялық элементтер ретінде дифракциялық торлар қолданылады. Олардың дисперсиясы үлкен болады және толқын ұзындығына аз тәуелді болса, температураға тәуелді емес, бірақ торлар жоғарғы ретті спектрлерді бір-біріне қабат түсіреді, сондықтан аспапта жақсы спектрлік сүзгіштер (фильтр) қажет етіледі. ИҚ-сәулесінің детектрленуі олардың жылулық іс-әрекетіне негізделген. ИҚ орташа облысында сәуле қабылдағыш ретінде сезімтал термопаралар (термобағаналар) мен қарайтқыш күміспен қапталған кедергілік термометрлері (болометрлер) қолданылады. Сонымен қатар, иілгіш қабырғасы қарайтатын күміспен қапталған камерада сәуленің әсерінен газ қысымы өзгеретін пневматикалық қабылдағыштар (Голейдің ұяшығы) қолданылады. Ұзын толқынды облыста қабылдағыштардың басқа топтарын қолдануға болады: фотоөткізгіштігі бар фотонды қабылдағыштар (бормен немесе сурьмамен легирленген германий немесе ІnSb). И --- ИҚ-сәулелену; -∙-∙ электрлік сигнал; — механикалық байланыс; 1 – ИҚ-сәуле көзі; 2 – айналар жүйесі; 3 – жұмысшы шоғы мен үлгі; 4 – салыстыру шоғы мен фонды компенсациялаушы; 5 – үзетін модулятор; 6 – моно-хроматордың сәуле кіретін саңылауы; 7 – диперсиялайтын элемент (дифракциялық решетка немесе Литтров айнасы бар призма); 8 – монохроматордың сәуле шығатын саңылауы; 9 –- қабылдағыш; 10 – күшейткіш; 11 – жұмысшы моторы; 12 – фотометриялық сына; 13 – өздігінен жазу құралы; 14 – бұру моторы 13-сурет. Екі сәулелі сканирлеуші ИҚ-спектрометрдің блок-сызбасы Қ-спектрометрлердің арасында спектрлер бір каналды қабылдағыштың көмегімен кезекпен сканирленетін және тіркелетін дисперсиялайтын сканирлеуші аспаптар кең тараған. Жарық шығару сызбасы бойынша аспаптар бір сәулелі және екі сәулелі болып бөлінеді. Қазіргі кезде фонды, яғни толық өткізу сызығын теңестіруге және атмосфералық Н2О мен СО2-мен жұтылуын компенсациялауға, шоқтың кювета терезесімен және еріткішпен босаңсуына мүмкіндік беретін екі сәулелік сызбалар пайдаланылады. Дифракциялық торы бар екі сәулелік сканирлеуші ИҚ-спектрометрдің қысқартылған блок-сызбасы 1-суретте көрсетілген. Жарық көзінен (1) шыққан ИҚ-сәулесі екі шоққа бөлінеді және айналар жүйесі (2) көмегімен кюветаларға бағытталады. Жұмысшы шоғы үлгісі бар кюветадан (3) өтсе, салыстыру шоғы кез-келген компенсатордан (4) (еріткіші бар кювета, терезе және т.б.) өтеді. Үзетін модулятор көмегімен шоқтар (көбіне айналатын секторлық айна) кезекпен монохроматордың кіретін саңылауына (6) және одан кейін дисперсиялайтын элементке (7) (дифракциялық тор) бағытталады. Дисперсиялайтын элементті бұру моторы (14) арқылы бұрышын ауыстырған кезде монохроматордың сәуле шығу саңылауынан (8) қабылдағышқа (9) саңылаумен кесілген, интервалы аз болатын реттескен сәуленің толқын ұзындықтары өтеді. Егер белгілі ұзындығы бар пульсацияланған шоқта толқындардың жұмысшы сәулесінің және салыстыру сәулесінің интенсивтіліктері бір бірінен ерекшеленетін болса (мысалы, жұмысшы сәулесі үлгіні жұту арқылы әлсірейді), онда қабылдағыштың шығатын аузында айнымалы электр тоғы пайда болады. Күшейтілгеннен кейін және күшейткіште (10) өңделгеннен кейін бұл сигнал фотометриялық сынаны (12) (диафрагманы) салыстыру сәулесінің интенсивтілігін жұмысшы сәуле интенсивтілігіне теңескенше (оптикалық ноль әдісі) қозғалысқа келтіретін жұмысшы моторына (11) беріледі. Фотометриялық сынаның қозғалысы механикалық түрде өздігінен жазатын қаламмен (13) ордината бойынша байланыста, ал дисперсиялайтын элементтің бұрылуы – қағаз лентасының созылуымен байланыста болады. Сонымен, градустарға бөлінуіне сәйкес, сканирлеу процесі нәтижесінде не процент түріндегі спектрлі қисықтың өткізуге (жұтылу) тәуелділігі, не үлгінің оптикалық тығыздығының толқын санына (толқын ұзындығы) тәуелділігі тіркеледі. Спектрдегі жұтылу жолағының орналасуын дәл анықтау үшін толқын сандарының шкаласын полистирол пленкасының сипаттамалық спектрін жазу жолымен калибрлейді. Соңғы кездері фурье-өзгертулері бар ИҚ-спектрометрлері кең түрде тарап отыр. Осы аспаптардың конструкциялық негізі ретінде интерферометрлер, мысалы, Майкельсон интерферометрі қолданылады. Механикалық үзгіш арқылы модельденген жарық көзінен шыққан ИҚ-сәуленің ағыны жарық бөлгіш пластинка арқылы екі шоққа бөлінеді. Олардың біреуі қозғаушы күшпен микрометриялық берілу арқылы байланысқан және белгілі жол ұзындығымен қозғалатын және бастапқы қалпына қайта оралатын қозғалғыш айнаға бағытталады. Осы айнадан шағылысқан шоқ айнаның берген жол ұзындығы бойынша қозғалмайтын айнадан шағылысқан шоқпен интерференцияланады және жарық бөлгіш пластинкада интерферограмма береді. Әрі қарай сәуле зерттелетін үлгіден өтіп, линзалар арқылы қабылдағышқа тоғысталады. Айна қозғалған кезде және жол ұзындығы өзгеріп отыратын шоқтардың интерференциялануы арқылы белгілі спектрлі диапазонда сканирлену процесі жүреді. Тіркелетін интерферограмма интерференцияланатын сәулелердің жол айырымының сигналға тәуелділігімен бейнеленеді (практикада t уақытқа тәуелді, себебі жол айырымы қозғалатын айнаның ығысуының тұрақты жылдамдығымен өзгереді) және үлгінің жұтылуымен өзгеретін шығу көзінің энергиясының функциясы болып табылады. Гармониялық спектрлі талдау теориясының негізінде осы І(t) функциясын алынатын спектрді сипаттайтын жиіліктік облыстағы интенсивтілік функциясы S(t) арқылы бейнелеуге болады. Мұндай қатынас жалпы түрде интегралмен немесе Фурье өзгеруімен беріледі: (5,1) Осы теңдудің тамаша қасиеттерінің бірі S() функциясына қайта оралуға болады: (5,2) жүктеу/скачать 1,83 Mb. Достарыңызбен бөлісу:
|