Infrarotspektrometer
Das Infrarotspektrometer ist ein Instrument, das die Absorptionseigenschaften von Substanzen gegenüber Infrarotstrahlung unterschiedlicher Wellenlänge nutzt, um die Molekülstruktur und die chemische Zusammensetzung zu analysieren. Ein Infrarotspektrometer besteht normalerweise aus einer Lichtquelle, ein Monochromator, ein Detektor, und ein Computerverarbeitungsinformationssystem. Je nach den verschiedenen spektroskopischen Geräten, Es kann in Dispersionstyp und Interferenztyp unterteilt werden. Für das optische Nullabgleich-Infrarotspektrophotometer mit Dispersionstyp und zwei Strahlengängen, wenn die Probe eine bestimmte Frequenz der Infrarotstrahlung absorbiert, das Schwingungsenergieniveau des Moleküls wechselt, und das Licht der entsprechenden Frequenz im Sendestrahl wird geschwächt, was zu einer Referenz führt. Der Intensitätsunterschied zwischen dem Lichtweg und der entsprechenden Strahlung des Probenlichtwegs, um das Infrarotspektrum der gemessenen Probe zu erhalten.
1. Theorie
Der infrarote Teil des elektromagnetischen Spektrums kann in nahes Infrarotlicht unterteilt werden, Licht im mittleren Infrarotbereich, und Ferninfrarotlicht entsprechend seiner Beziehung zum sichtbaren Spektrum. Ferninfrarotlicht (um 400-10 cm⁻¹) grenzt an Mikrowellen an und hat eine geringe Energie, welches zur Rotationsspektroskopie genutzt werden kann. Licht im mittleren Infrarotbereich (etwa 4000-400 cm⁻¹) kann zur Untersuchung von Grundschwingungen und damit verbundenen Rotations-Schwingungs-Strukturen verwendet werden. Nahinfrarotlicht mit höherer Energie (14000-4000 cm⁻¹) kann Obertöne und harmonische Schwingungen anregen. Die Infrarotspektroskopie basiert auf der Annahme, dass chemische Bindungen aufgrund der Schwingungsenergieniveaus unterschiedliche Frequenzen haben. Die Resonanz- oder Schwingungsfrequenz hängt von der Form der molekularen Äquipotentialflächen ab, die Atommasse, und letztendlich die damit verbundene Schwingungskopplung. Damit die Schwingungsmoden eines Moleküls im Infrarotbereich aktiv werden, Es muss eine permanente Dipoländerung stattfinden. Speziell, in der Born-Oppenheimer-Näherung des harmonischen Oszillators, Zum Beispiel, wenn die molekulare Hamilton-Energie, die dem elektronischen Grundzustand entspricht, durch einen harmonischen Oszillator nahe dem Gleichgewichtszustand der Molekülgeometrie angenähert wird, Die potentielle Oberfläche des Grundzustands der molekularen elektronischen Energie wird durch den natürlichen Schwingungsmodus bestimmt, welches die Resonanzfrequenz bestimmt. Jedoch, Die Resonanzfrequenz hängt näherungsweise mit der Stärke der Bindung und den Atommassen an beiden Enden der Bindung zusammen. Auf diese Weise, Vibrationsfrequenzen können bestimmten Schlüsselmustern zugeordnet werden. Einfache zweiatomige Moleküle haben nur eine Bindungsart, und das ist dehnbar. Komplexere Moleküle können viele Bindungen haben, und Vibrationen können bei der Konjugation auftreten, Dies führt zu einer Infrarotabsorption bei bestimmten charakteristischen Frequenzen, die chemischen Gruppen zugeordnet werden können. Die CH₂-Gruppe, was häufig in organischen Verbindungen vorkommt, kann auf sechs Arten vibrieren: “symmetrische und asymmetrische Dehnung,” “Scherenschwingen,” “links und rechts schwingend,” “auf und ab schwingend,” Und “verdrehen.”
2. Prinzip
Das schematische Diagramm des Fourier-Transformations-Infrarotspektrometers, bekannt als Infrarotspektrometer der dritten Generation, ist wie folgt: Mithilfe eines Michelson-Interferometers interferiert es mit zwei Strahlen polychromatischen Infrarotlichts, deren optischer Wegunterschied sich mit einer bestimmten Geschwindigkeit ändert, Interferenzlicht entsteht, und dann mit der Probe interagieren. Der Detektor sendet das erhaltene Interferenzsignal an den Computer zur mathematischen Verarbeitung der Fourier-Transformation, und stellt das Interferogramm in ein Spektrum um.
3. Einstufung
Es wird im Allgemeinen in zwei Kategorien unterteilt: Eine davon ist das Rasterscannen, was selten verwendet wird; das andere ist das Michelson-Interferometer-Scannen, sogenannte Fourier-Transformations-Infrarotspektroskopie, welches am häufigsten verwendet wird. Beim Gitterscannen wird das Detektionslicht mithilfe eines Spektroskops aufgeteilt (Infrarotlicht) in zwei Balken, Ein Strahl dient als Referenzlicht und der andere Strahl als Sondenlicht zur Bestrahlung der Probe. Dann, Die Wellenlänge des Infrarotlichts wird durch ein Gitter und einen Monochromator getrennt, und einzeln gescannt und erkannt. Die Intensitäten der Wellenlängen werden schließlich zu einem Spektrum integriert. Bei der Fourier-Transformations-Infrarotspektroskopie wird das Detektionslicht mithilfe eines Michelson-Interferometers aufgeteilt (Infrarotlicht) in zwei Balken, die am beweglichen Spiegel und am festen Spiegel zum Strahlteiler zurückreflektiert werden. Die beiden Strahlen sind breitbandiges kohärentes Licht und interferieren. Das kohärente Infrarotlicht wird auf die Probe gestrahlt, vom Detektor gesammelt, und die Infrarot-Interferogrammdaten, die die Probeninformationen enthalten, werden erhalten. Anschließend werden die Daten vom Computer Fourier-transformiert, Man erhält das Infrarotspektrum der Probe. Die Fourier-Transformations-Infrarotspektroskopie zeichnet sich durch eine schnelle Scanrate aus, hohe Auflösung, stabile Wiederholgenauigkeit, usw., und ist weit verbreitet.
4. Anwendungsbereich
– Führen Sie eine Verbindungsidentifizierung und Strukturanalyse unbekannter Verbindungen durch.
– Führen Sie eine quantitative Analyse von Verbindungen durch, um die vorübergehende Beziehung zwischen der Kinetik chemischer Reaktionen zu untersuchen, Kristallübergang, Phasenübergang, Materialspannung, und Struktur.
– Kontinuierliche Erkennung von Industrieprozessen und Luftverschmutzung.
– Überwachung von freiem Siliziumdioxid in der Kohleindustrie.
– Gesundheit und Quarantäne, Apotheke, Essen, Umweltschutz, öffentliche Sicherheit, Petroleum, chemische Industrie, optische Beschichtung, optische Kommunikation, Materialwissenschaft, und viele andere Felder.
– Erkennung der Schmuckindustrie, Kristallquarz-Hydroxylmessung, Analyse der Polymerzusammensetzung, Drogenanalyse, usw.
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