Научная электронная библиотека
Монографии, изданные в издательстве Российской Академии Естествознания

Практикум по спектроскопии. Вода в минералах: Учебное пособие

Шишелова Т. И., Созинова Т. В., Коновалова А. Н.,

Лабораторная работа № 1: Инфракрасный спектрофотометр Specord 75IR

Цель работы: изучение устройства и принципа действия спектрофотометра SPECORD 75IR. Получение спектра минералов.

Приборы и принадлежности: спектрофотометр SPECORD 75IR, образцы минералов, стекла KBr, ступка, нож для щипки слюды, микрометр, пресс.

Основные понятия

Спектральные приборы предназначены для проведения исследований излучения, испускаемого различными веществами или трансформированного в результате взаимодействия этого излучения с веществом.

Яркий пучок света от источника со сплошным спектром излучения пропускают через исследуемое вещество. При этом часть световой энергии пучка поглощается электронами, атомами, ионами или молекулами вещества; в результате в сплошном спектре произойдут характерные изменения, появятся линии и полосы поглощения. По положению, строению и интенсивности линий поглощения можно узнать состав и строение вещества.

Принципиальная схема любого спектрального прибора (рис. 1.1) состоит из трех основных частей: осветительной I, спектральной (оптической) II, и приемно-регистрирующей III.

В осветительную часть входят источник света 1 и конденсорные линзы или зеркала 2, равномерно освещающие входную щель прибора 4. В кювете 3 устанавливается исследуемый и эталонный образец.

Спектральная часть (монохроматор) содержит входной объектив 5 и диспергирующую систему 6. Выходной объектив 7. В фокальной плоскости 8 устанавливается регистрирующее устройство 9.

p

Рис. 1.1. Принципиальная схема спектрального прибора

Конструкция спектрального прибора определяется его оптической схемой, методом регистрации спектра и видом спектрального анализа.

Спектр может регистрироваться визуально, фотографически и фотоэлектрически.

Источники излучения. В молекулярной спектроскопии используются два типа источников излучения - тепловые и газоразрядные. Тепловые имеют непрерывный спектр, газонаполненные - линейчатый. В видимой и близкой ИК-областях применяются газонаполненные лампы с вольфрамовой нитью, в коротковолновой и средней областях - штифт Нерста, силитовый стержень (глобар). Изготавливается он из карбида кремния, диаметр его равен 4 - 6 мм.; рабочее напряжение 35 - 50 В, сила тока 3 - 5 А, мощность излучения 150 - 250 Вт, температура 1200°С. Форма кривой распределения энергии силитового стержня близка к форме кривой излучения абсолютно черного тела.

Монохроматор - оптический прибор, позволяющий производить измерения в широкой спектральной области и в очень узком интервале длин волн. Основным элементом монохроматора является диспергирующая система в виде призмы или дифракционной решетки. Фокусирующими элементами служат зеркала, т.к. невозможно изготовить линзы, которые были бы прозрачны в обычно используемом инфракрасном диапазоне частот.

Приемники излучения подразделяются на тепловые и фотоэлектрические. В ИК-областях спектра в качестве приемника применяются фотоэлементы, фотосопротивления, болометры. Принцип действия болометра заключается в изменении электрического сопротивления термочувствительного элемента при нагревании. Инфракрасное излучение, попадающее на болометр, вызывает слабый ток малого напряжения, который усиливается с помощью усилителя переменного тока с последующей записью спектральной кривой.

Регистрация спектров поглощения. Обычно спектр записывается с помощью самописца в координатах k=f(λ) или k=f(ν). Спектрофотометры по способу записи разделяются на однолучевые и двухлучевые. Современные двухлучевые спектрофотометры позволяют автоматически зарегистрировать инфракрасные спектры поглощения твердых, жидких веществ в процентах пропускания в различном диапазоне частот. Так, например, спектрофотометр ИКС - 29 работает в интервале частот 4200 - 400 см-1.

Градуировка обычно производится по эталонным спектрам (нормалям), волновые числа, максимумы, полосы поглощения которых точно известны (например, полистирол). Спектрофотометры - оптические приборы, позволяющие измерить отношение интенсивности двух световых потоков в зависимости от длины волны. Для повышения качества регистрации спектра поглощения исследуемым веществом желательно устранить сигнал фона - поглощения атмосферными газами, окнами кюветы, где находится образец, и т.д. С этой целью в спектрофотометре используется двухлучевая схема, позволяющая компенсировать фоновый сигнал.

На рис. 1.2 приведена принципиальная схема двухлучевого спектрофотометра.

p

Рис. 1.2. Принципиальная схема двухлучевого спектрофотометра

ИК-излучение от источника 1 делится на два пучка системой зеркал 2. Рабочий пучок проходит через кювету с образцом 3, а пучок сравнения - через компенсатор фона 4. С помощью дискомодулятора 5 пучки попеременно направляются на входную щель монохроматора 6 и через нее - на дифракционную решетку 7, которая разлагает излучение в спектр и направляет его на выходную щель 8. Монохроматическое изображение щели попадает на приемник - висмутовый болометр 9. В отсутствии исследуемого образца интенсивности рабочего пучка и пучка сравнения одинаковы, в приемнике сигналы от этих пучков вычитаются; на выходе сигнал отсутствует. При поглощении рабочего пучка исследуемым веществом на приемник попадают лучи различной интенсивности, в результате чего в приемнике возникает переменный сигнал. После усиления и преобразования сигнала приводится в движение перо самописца 10.

При медленном повороте решетки щель 8 последовательно вырезает узкие участки спектра, и на ленте самописца вычерчивается кривая зависимости пропускания от длины волны.

Спектрофотометр SPECORD 75IR автоматически регистрирует инфракрасные спектры пропускания исследуемых проб в диапазоне волновых чисел 4000 ÷ 400 см-1.

В спектрофотометре используется двухлучевая схема по принципу оптического дифференцирования. Принципиальная схема данного спектрофотометра приведена на рис. 1.3.

Исходящие из источника излучения лучи, которые направляются цилиндрическими зеркалами (2,3,4,5) в виде двух взаимно параллельных пучков в отверстия диафрагмы корректировки (6) и измерительной диафрагмы (7) перед самыми входными окошками кюветного отсека, дают у выходных окошек этого отсека два идентичных изображения излучающей площади.

p

Рис. 1.3. Схема спектрофотометра SPECORD 75IR

Зеркала (10,11,12) направляют эти изображения на зеркальный модулятор (13) представляющий собой плоское полукруглое зеркало, вращающееся вокруг перпендикулярной к отражающей плоскости оси со скоростью 750 об/мин. Сложный монохроматор выделяет из сплошного спектра исходящего из источника излучения интересующий в данный момент монохроматический компонент. Вогнутое зеркало (18) направляет прошедшие через апертурную диафрагму (15), бромисто-калиевую линзу (16) и входную щель (17) лучи в виде параллельного пучка на находящуюся в рабочем положении дифракционную решетку (19). В диапазоне волновых чисел 4000 - 1200 см-1 работает решётка с 162 штрихами на 1 мм, а в диапазоне 1200-400 см-1 - 54 штриха на 1 мм.

Прошедшие через промежуточную щель (21) в призменную часть монохроматора лучи направляются отклоняющим зеркалом (22) на вогнутое (23). Затем они в виде параллельного пучка пронизывают дважды бромисто-калиевую призму (24). В плоскости выходной щели образуется изображение входной.

Приёмник в виде вакуумного термоэлемента превращает выделенный монохроматором компонент модулированного излучения в электрический сигнал. После усиления и преобразования сигнал приводит в движение перо самописца и на ленте самописца вычерчивается кривая зависимости пропускания (Т) от длины волны:

f,

где I0 и I - соответственно интенсивности излучения до и после прохождения пучка через слой пробы толщиной d;

k(λ) - коэффициент поглощения для данной длины волны;

β) - коэффициент, учитывающий потери на отражение;

S - коэффициент, учитывающий степень поляризации луча.

Величина

f

оптическая плотность, которая линейно зависит от толщины поглощающего слоя, коэффициента поглощения и концентрации вещества в пробе.

Подготовка проб к анализу

Современные методы препарирования позволяют приготовить образцы твёрдых, жидких, газообразных веществ, обеспечивающие получение вполне надёжных, с высокой точностью воспроизводимых спектров. При записи спектров твёрдых веществ оптимальной является толщина слоя образца в пределах от десятых долей до нескольких микрон. Так как сплошные слои для минералов такой толщины получить очень сложно (исключение составляет слюда и слюдоподобные минералы), то прибегают к универсальным методам прессования тонкого порошка пробы с каким - либо веществом, прозрачным в нужной области спектра. При приготовлении порошковых проб необходимо, чтобы частицы пробы были соизмеримы с длинной волны падающего излучения, иначе возможно сильное рассеивание инфракрасного излучения частичками порошка. Такой препарат можно получить путём выпаривания препарата на специальной подложке; возможно применение суспензии в вазелиновом масле. Образцы в виде масел сжимают между стёклами из KBr, жидкости сжимают в специальных стаканчиках. Для легколетучих жидкостей используются герметически закрытые кюветы. Газообразные пробы анализируют, заполняя ими газовую кювету.

Дополнительные приспособления: в ИК-спектроскопии в зависимости от поставленных задач и объектов исследования применяется множество дополнительных, разнообразных устройств и приспособлений. Для изучения температурной зависимости спектров различных агрегатных состояний вещества и полиморфизма используются печи различных конструкций и термостатирующих систем. Высокотемпературные исследования ИК-спектров требуют весьма сложных конструкций печей, изоляций от спектрофотометра во избежание его нагрева.

Для проведения поляризованных измерений в ИК-спектроскопии при исследовании ориентировочных образцов используют поляризаторы ИК-излучения.

Объектом анализа по ИК-спектрам может быть органическое и неорганическое вещество в твёрдом, жидком и газообразном состоянии. Для записи ИК- спектра пробы необходимо 0,5-3 мг исследуемого вещества.

Порядок выполнения работы

  1. Освоить методику и технику работы на приборе SPECORD 75IR.
  2. Приготовить образцы для анализа.
  3. Снять ИК-спектры данных образцов.

Контрольные вопросы

  1. Как получаются инфракрасные спектры поглощения?
  2. Что применяют в качестве источника и приёмника ИК-излучения в спектрофотометре?
  3. От каких величин зависит оптическая плотность D?
  4. Принципиальная схема инфракрасного и прибора.
  5. Методика приготовления образцов для ИК-анализа.
  6. Как производится регистрация спектров поглощения?

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.074