تبدیل فوریه طیف سنجی مادون قرمز (FTIR)

تبدیل فوریه طیف سنجی مادون قرمز  (FTIR)

طیف سنجی مادون قرمز تبدیل فوریه (Fourier-transform infrared spectroscopy) روشی است که برای بدست آوردن طیف مادون قرمز جذب یا انتشار یک ماده جامد ، مایع یا گاز استفاده می شود. یک طیف سنج FTIR همزمان داده های با وضوح طیفی بالا را در یک طیف وسیعی جمع آوری می کند. این مزیت قابل توجهی نسبت به یک طیف سنج پراکنده دارد ، که شدت را در یک دامنه باریک از طول موج در یک زمان اندازه گیری می کند.

اصطلاح طیف سنجی مادون قرمز تبدیل فوریه از آنجا ناشی می شود که برای تبدیل داده های خام به طیف واقعی ، به یک تبدیل فوریه (یک فرایند ریاضی) نیاز است.

هدف از تکنیک های طیف سنجی جذبی اندازه گیری میزان نور جذب یک نمونه در هر طول موج است. ساده ترین روش برای انجام این کار ، روش “طیف سنجی پراکندگی” ، تاباندن یک پرتو نور تک رنگ به یک نمونه ، اندازه گیری میزان جذب نور و تکرار برای هر طول موج مختلف است.

طیف سنجی تبدیل فوریه یک روش شهودی کمتر برای دستیابی به همان اطلاعات است. این تکنیک به جای تابش یک پرتو نور تک رنگ (پرتوی متشکل از تنها یک طول موج) به نمونه ، پرتویی را که همزمان شامل بسیاری از فرکانس های نور است می درخشد و میزان جذب این پرتو توسط نمونه را اندازه گیری می کند. در مرحله بعدی ، پرتو اصلاح می شود و شامل ترکیبی متفاوت از فرکانس ها است ، و به یک داده داده دوم می دهد. این فرآیند در یک بازه زمانی کوتاه به سرعت چندین بار تکرار می شود. پس از آن ، یک کامپیوتر همه این داده ها را گرفته و به عقب کار می کند تا میزان جذب را در هر طول موج استنباط کند.

پرتو توصیف شده در بالا با شروع با یک منبع نور باند پهن ایجاد می شود – یک پرتوی شامل طیف کامل طول موج برای اندازه گیری. نور به یک تداخل سنج میشلسون می تابد – پیکربندی مشخصی از آینه ها ، که یکی از آنها توسط موتور حرکت می کند. با حرکت این آینه ، هر طول موج نور در پرتو به دلیل تداخل موج ، به طور دوره ای توسط تداخل سنج مسدود ، منتقل می شود ، مسدود می شود ، منتقل می شود. طول موج های مختلف با سرعت های مختلف مدوله می شوند ، به طوری که در هر لحظه پرتو خارج شده از تداخل سنج طیف متفاوتی دارد.

پیشینه توسعه

اولین اسپکتروفتومتر کم هزینه که قادر به ثبت یک طیف مادون قرمز است ، Perkin-Elmer Infracord تولید شده در سال 1957 بود. این ابزار دامنه طول موج را از 2.5 میکرومتر تا 15 میکرومتر پوشش داد. حد فوقانی این واقعیت است که عنصر پراکنده منشوری ساخته شده از یک کریستال سنگ نمک (کلرید سدیم) است ، که در طول موج های طولانی تر از 15 میکرومتر مات می شود. این منطقه طیفی به منطقه سنگ نمک معروف شد. ابزارهای بعدی از منشورهای برومید پتاسیم برای گسترش دامنه تا 25 میکرومتر و یدید سزیم 50 میکرومتر استفاده کردند. منطقه فراتر از 50 میکرومتر به عنوان منطقه مادون قرمز دور شناخته شد. در طول موج های بسیار طولانی در منطقه مایکروویو ادغام می شود. اندازه گیری ها در مادون قرمز دورتر نیاز به ایجاد توری های پراش دقیق حاکم برای جایگزینی منشورها به عنوان عناصر پراکنده دارد ، زیرا بلورهای نمک در این منطقه مات هستند. به دلیل کم بودن انرژی تابش ، به آشکارسازهای حساس تری نسبت به بولومتر نیاز بود. یکی از این موارد ردیاب Golay بود. یک مسئله اضافی نیاز به حذف بخار آب جوی است زیرا بخار آب دارای یک طیف چرخشی خالص شدید در این منطقه است. اسپکتروفتومترهای مادون قرمز دور دست و پا گیر ، کند و گران بودند. مزایای تداخل سنج میکلسون کاملاً مشهور بود ، اما قبل از ساخت ابزار تجاری باید مشکلات فنی قابل توجهی برطرف شود. همچنین یک کامپیوتر الکترونیکی برای انجام تبدیل مورد نیاز فوریه مورد نیاز بود و این فقط با ظهور مینی کامپیوترها ، مانند PDP-8 ، که در سال 1965 در دسترس قرار گرفت ، عملی شد.

محدوده طیفی

• مادون قرمز دور

اولین طیف سنج های FTIR برای محدوده مادون قرمز دور ساخته شدند. دلیل این امر مربوط به تحمل مکانیکی مورد نیاز برای عملکرد نوری خوب است که مربوط به طول موج نور مورد استفاده است. برای طول موج های نسبتاً طولانی مادون قرمز دور ، 10 میکرومتر تحمل کافی است ، در حالی که برای منطقه نمک سنگ تحمل باید از 1 میکرومتر بهتر باشد. یک ابزار معمول تداخل سنج مکعبی است که در NPL تولید شده و توسط Grubb Parsons به بازار عرضه شده است. این موتور از استپ برای هدایت آینه در حال حرکت استفاده می کند و پس از اتمام هر مرحله پاسخ ردیاب را ضبط می کند.

• مادون قرمز

با ظهور ریز رایانه های ارزان قیمت امکان داشتن رایانه ای برای کنترل طیف سنج ، جمع آوری داده ها ، انجام تبدیل فوریه و ارائه طیف فراهم شد. این انگیزه ای برای توسعه طیف سنج های FTIR برای منطقه نمک سنگ فراهم کرد. مشکلات تولید اجزای مکانیکی و نوری با دقت بسیار بالا باید حل شود. طیف گسترده ای از ابزارها اکنون به صورت تجاری در دسترس هستند. اگرچه طراحی ابزار پیچیده تر شده است ، اما اصول اساسی همان ثابت مانده است. امروزه ، آینه متحرک تداخل سنج با سرعت ثابت حرکت می کند و با یافتن نقاط عبور صفر در حاشیه تداخل سنج ثانویه که توسط لیزر هلیوم-نئون روشن می شود ، نمونه تداخل سنج شروع می شود. در سیستم های مدرن FTIR سرعت آینه ثابت به شدت لازم نیست ، به شرطی که حاشیه های لیزر و تداخل اصلی به طور همزمان با نرخ نمونه برداری بالاتر ثبت شده و سپس مجدداً روی شبکه ثابت جابجا شوند ، همانطور که جیمز دبلیو برولت آن را پیشگام کرد. این دقت تعداد موج بسیار بالایی را به طیف مادون قرمز حاصل می دهد و از خطاهای کالیبراسیون تعداد موج جلوگیری می کند.

• نزدیک مادون قرمز

منطقه نزدیک به مادون قرمز دامنه طول موج بین منطقه نمک سنگ و شروع منطقه قابل مشاهده را در حدود 750 نانومتر طی می کند. سنگفرش ارتعاشات اساسی را می توان در این منطقه مشاهده کرد. این ماده عمدتا در کاربردهای صنعتی مانند کنترل فرآیند و تصویربرداری شیمیایی استفاده می شود.

کاربرد ها

FTIR را می توان در همه برنامه هایی که در گذشته از طیف سنج پراکنده استفاده می شده استفاده کرد. علاوه بر این ، حساسیت و سرعت بهبود یافته زمینه های جدیدی از کاربرد را باز کرده است. طیفی را می توان در شرایطی اندازه گیری کرد که انرژی بسیار کمی به آشکارساز می رسد و سرعت اسکن از 50 طیف در ثانیه فراتر می رود. طیف سنجی مادون قرمز تبدیل فوریه در زمینه های تحقیقات زمین شناسی ، شیمی ، مواد و زیست شناسی استفاده می شود. از جمله کاربرد های آن :

• مواد بیولوژیکی
• میکروسکوپ و تصویربرداری
• مقیاس نانو و طیف سنجی زیر حد پراش
• FTIR به عنوان ردیاب در کروماتوگرافی
• ·          TG-IR (تجزیه و تحلیل دما – طیف سنجی مادون قرمز)
• تعیین میزان آب در پلاستیک ها و کامپوزیت ها