Научная электронная библиотека

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.

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.

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.

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:

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(λ) - коэффициент, учитывающий потери на отражение;

S - коэффициент, учитывающий степень поляризации луча.

Величина

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