Jump to content

Форма спектральной линии

Спектр поглощения водного раствора перманганата калия . Спектр состоит из серии перекрывающихся линий, принадлежащих вибронной прогрессии.

Форма спектральной линии или профиль спектральной линии описывает форму электромагнитного спектра вблизи спектральной линии – области более сильной или более слабой интенсивности в спектре. Идеальные формы линий включают функции Лоренца , Гаусса и Фойгта , параметрами которых являются положение линии, максимальная высота и полуширина. [1] Фактические формы линий определяются главным образом допплеровским сдвигом , столкновением и расширением близости . Для каждой системы полуширина функции формы зависит от температуры, давления (или концентрации ) и фазы. Знание функции формы необходимо для аппроксимации спектроскопической кривой и деконволюции .

Происхождение

[ редактировать ]
Спектр излучения флуоресцентного света , показывающий множество спектральных линий. Каждая линия соответствует уровню энергии в одном из элементов внутри света.

Спектральная линия соответствует электронному переходу в атоме, молекуле или ионе, который связан с определенным количеством энергии E . Когда эта энергия измеряется каким-либо спектроскопическим методом, линия не является бесконечно острой, а имеет определенную форму. Многочисленные факторы могут способствовать уширению спектральных линий . Уширение можно смягчить только использованием специализированных методов, таких как спектроскопия падения Лэмба . Основными источниками расширения являются:

Это определяет минимально возможную ширину линии. Поскольку возбужденное состояние затухает экспоненциально во времени, этот эффект создает линию лоренцевой формы с точки зрения частоты (или волнового числа).
  • Доплеровское уширение . Это вызвано тем, что скорость атомов или молекул относительно наблюдателя подчиняется распределению Максвелла , поэтому эффект зависит от температуры. Если бы это был единственный эффект, форма линии была бы гауссовой. [1]
  • Расширение давления (Уширение столкновений). Столкновения между атомами или молекулами сокращают время жизни верхнего состояния Δt , увеличивая неопределенность ΔE . Этот эффект зависит как от плотности (то есть давления газа), так и от температуры, которая влияет на скорость столкновений. Эффект уширения в большинстве случаев описывается лоренцевым профилем. [2]
  • Расширение близости . Присутствие других молекул, близких к рассматриваемой молекуле, влияет как на ширину линии, так и на ее положение. Это доминирующий процесс для жидкостей и твердых тел. Крайним примером такого эффекта является влияние водородной связи на спектры протонных жидкостей.

На форму и ширину наблюдаемой спектральной линии также влияют инструментальные факторы. Наблюдаемая форма линии представляет собой свертку собственной формы линии с передаточной функцией прибора . [3]

Каждый из этих механизмов, как и другие , может действовать изолированно или в сочетании. Если каждый эффект независим от другого, наблюдаемый профиль линии представляет собой свертку профилей линий каждого механизма. Таким образом, комбинация эффектов Доплера и расширения давления дает профиль Фойгта.

Функции формы линии

[ редактировать ]
Сравнение стандартизированных форм линий по Гауссу (красный) и Лоренцеву (синий). HWHM ( w/2 ) равен 1.
График центрированного профиля Фойгта для четырех случаев. Полная ширина каждого корпуса на полувысоте составляет почти 3,6. Черный и красный профили представляют собой предельные случаи гауссова (γ =0) и лоренцева (σ =0) профилей соответственно.

в лоренциане

[ редактировать ]

Функцию формы лоренцевой линии можно представить как

где L означает функцию Лоренца, стандартизированную для спектроскопических целей до максимального значения 1; [примечание 1] является вспомогательной переменной, определяемой как

где — положение максимума (соответствует энергии перехода E ), p — положение, а w полная ширина на половине максимума (FWHM), ширина кривой, когда интенсивность равна половине максимальной интенсивности (это происходит при точки ). Единица , и обычно это волновое число или частота . Переменная x безразмерна точке и равна нулю в .

Гауссовский

[ редактировать ]

Форма линии Гаусса имеет стандартизированный вид:

Вспомогательная переменная x определяется так же, как и для лоренцевой формы. И эта функция, и лоренциан имеют максимальное значение 1 при x = 0 и значение 1/2 при x =±1.

Третья форма линии, имеющая теоретическую основу, — это функция Фойгта , свертка гауссиана и лоренциана,

где σ и γ — полуширины. Вычисление функции Фойгта и ее производных более сложное, чем вычисление функции Гаусса или Лоренца. [4]

Спектральная подгонка

[ редактировать ]

Спектроскопический пик может соответствовать кратным вышеуказанным функциям или суммам или произведениям функций с переменными параметрами. [5] Все вышеперечисленные функции симметричны относительно положения своего максимума. [примечание 2] Также использовались асимметричные функции. [6] [примечание 3]

Экземпляры

[ редактировать ]

Атомные спектры

[ редактировать ]

Для атомов в газовой фазе основными эффектами являются доплеровский эффект и расширение давления. Линии относительно четкие в масштабе измерения, поэтому такие приложения, как атомно-абсорбционная спектроскопия (ААС) и атомно-эмиссионная спектроскопия с индуктивно связанной плазмой используются для элементного анализа (ICP) . Атомы также имеют отчетливые рентгеновские спектры, которые объясняются возбуждением электронов внутренней оболочки в возбужденные состояния. Линии относительно резкие, поскольку внутренняя энергия электронов не очень чувствительна к окружению атома. Это применимо к рентгенофлуоресцентной спектроскопии твердых материалов.

Молекулярные спектры

[ редактировать ]

Для молекул в газовой фазе основными эффектами являются доплеровский эффект и расширение давления. Это относится к вращательной спектроскопии . [7] вращательно-колебательная спектроскопия и вибронная спектроскопия .

Для молекул в жидком состоянии или растворе преобладают столкновения и уширение вблизи, а линии значительно шире, чем линии той же молекулы в газовой фазе. [8] [9] Максимумы линий также могут быть смещены. Поскольку существует множество источников уширения, линии имеют устойчивое распределение , стремящееся к гауссовой форме.

Ядерный магнитный резонанс

[ редактировать ]

Форма линий в спектре ядерного магнитного резонанса (ЯМР) определяется процессом затухания свободной индукции . Это затухание приблизительно экспоненциальное , поэтому форма линии лоренцева. [10] Это следует из того, что преобразование Фурье экспоненциальной функции во временной области является лоренцианом в частотной области. В ЯМР-спектроскопии время жизни возбужденных состояний относительно велико, поэтому линии очень резкие, что дает спектры высокого разрешения.

Магнитно-резонансная томография

[ редактировать ]
Влияние контрастного вещества на изображения: На МРТ выявлен дефект гематоэнцефалического барьера после инсульта. Т 1 -взвешенные изображения, левое изображение без, правое изображение с введением контрастного вещества.

Фармацевтические препараты на основе гадолиния изменяют время релаксации и, следовательно, форму спектральных линий тех протонов, которые находятся в молекулах воды, временно присоединенных к парамагнитным атомам, что приводит к усилению контрастности изображения МРТ. [11] Это позволяет лучше визуализировать некоторые опухоли головного мозга. [11]

Приложения

[ редактировать ]

Кривая разложения

[ редактировать ]
Черная кривая состоит из суммы двух лоренцианов, каждый с HWHM = 1, разделенных одной полной шириной. Синяя кривая имеет и красная кривая имеет .

Некоторые спектроскопические кривые можно аппроксимировать суммой набора составляющих кривых. Например, когда закон Бера

При применении измеренная интенсивность I волны λ представляет собой линейную комбинацию интенсивности отдельных компонентов k при концентрации c на длине k . ε — коэффициент экстинкции . В таких случаях кривая экспериментальных данных может быть разложена на сумму составляющих кривых в процессе аппроксимации кривой . Этот процесс также широко называют деконволюцией. Деконволюция кривой и аппроксимация кривой — это совершенно разные математические процедуры. [6] [12]

Подгонку кривой можно использовать двумя разными способами.

  1. Формы и параметры линий и кривые отдельных компонентов были получены экспериментально. В этом случае кривая может быть разложена с использованием линейного метода наименьших квадратов просто для определения концентраций компонентов. Этот процесс используется в аналитической химии для определения состава смеси компонентов с известными спектрами молярного поглощения . Например, если высоты двух линий равны h 1 и h 2 , c 1 = h 1 / ε 1 и c 2 = h 2 / ε 2 . [13]
  2. Параметры формы линии неизвестны. Интенсивность каждого компонента является функцией как минимум трех параметров: положения, высоты и полуширины. Кроме того, одна или обе функции формы линии и функции базовой линии могут быть неизвестны с уверенностью. метод нелинейных наименьших квадратов . Когда два или более параметров аппроксимационной кривой неизвестны, необходимо использовать [14] [15] Надежность аппроксимации кривой в этом случае зависит от разделения между компонентами, их функций формы и относительных высот, а также отношения сигнал/шум в данных. [6] [16] Когда для разложения набора N зольных спектров на N pks кривые используются кривые Гаусса, и параметры являются общими для всех спектров N золей . Это позволяет рассчитать высоты каждой кривой Гаусса в каждом спектре ( параметры N sol · N pks ) с помощью (быстрой) линейной процедуры аппроксимации методом наименьших квадратов, в то время как и параметры w (2 · N параметров pks ) могут быть получены с помощью нелинейной аппроксимации методом наименьших квадратов данных всех спектров одновременно, что резко снижает корреляцию между оптимизированными параметрами. [17]

Производная спектроскопия

[ редактировать ]

Спектроскопические кривые могут быть подвергнуты численному дифференцированию . [18]

Вторая производная суммы лоренцианов, каждый с HWHM=1, разделенных одной полной полушириной. Два лоренциана имеют высоты 1 и 0,5.

Когда точки данных на кривой равноудалены друг от друга, Савицкого – Голея . можно использовать метод свертки [19] Лучшая функция свертки зависит в первую очередь от отношения сигнал/шум данных. [20] Первая производная (наклон, ) всех одиночных линий равно нулю в положении максимальной высоты. Это также верно и для третьей производной; нечетные производные можно использовать для определения положения максимума пика. [21]

Вторые производные, , как гауссовы, так и лоренцевы функции имеют уменьшенную полуширину. Это, по-видимому, можно использовать для улучшения спектрального разрешения . На диаграмме показана вторая производная черной кривой на диаграмме над ней. В то время как меньший компонент образует плечо в спектре, во 2-м компоненте он проявляется как отдельный пик. производная. [примечание 4] Четвертые производные, , также можно использовать, когда отношение сигнал/шум в спектре достаточно велико. [22]

Деконволюция

[ редактировать ]

Деконволюцию можно использовать для улучшения спектрального разрешения . В случае спектров ЯМР процесс относительно прямолинеен, поскольку формы линий являются лоренцевыми, и свертка одного лоренциана с другим лоренцианом также является лоренцевой. лоренциана Преобразование Фурье является экспоненциальным. В со-области (времени) спектроскопической области (частоты) свертка превращается в умножение. Следовательно, свертка суммы двух лоренцианов становится умножением двух экспонент в ко-области. Поскольку в FT-ЯМР измерения производятся во временной области, деление данных на экспоненту эквивалентно деконволюции в частотной области. Подходящий выбор экспоненты приводит к уменьшению полуширины линии в частотной области. Благодаря развитию технологии ЯМР этот метод практически устарел. [23] Аналогичный процесс применялся для повышения разрешения других типов спектров, но с тем недостатком, что спектр необходимо сначала преобразовать Фурье, а затем преобразовать обратно после применения функции деконволюции в сообласти спектра. [12]

См. также

[ редактировать ]

Примечания

[ редактировать ]
  1. ^ В статистике функции Лоренца (Коши) и Гаусса нормированы на единицу площади.
  2. ^ Экспериментальные профили, которые симметричны при построении в масштабе, пропорциональном энергии (например, частоте или волновому числу), не будут симметричными при построении в масштабе длины волны.
  3. ^ В электронном парамагнитном резонансе асимметричные линии характеризуются двумя полуширинами, измеренными по обе стороны от центра линии.
  4. ^ Максимумы пиков компонентов в спектре являются минимумами во 2-м. производный спектр и максимумы в 4-м. производный спектр
  1. ^ Jump up to: а б Холлас, MJ (1996). Современная спектроскопия (3-е изд.). Уайли. стр. 30–34. ISBN  0471965227 .
  2. ^ Персик, г. (1981). «Теория барического уширения и смещения спектральных линий» . Достижения физики . 30 (3): 367–474. Бибкод : 1981AdPhy..30..367P . дои : 10.1080/00018738100101467 . Архивировано из оригинала 14 января 2013 г.
  3. ^ Ганс, Раздел 9.3, Свертка и взаимная корреляция
  4. ^ Оливеро, Джей-Джей; Р. Л. Лонгботум (1977). «Эмпирическое соответствие ширине линии Фойгта: краткий обзор». Журнал количественной спектроскопии и переноса излучения . 17 (2): 233–236. Бибкод : 1977JQSRT..17..233O . дои : 10.1016/0022-4073(77)90161-3 .
  5. ^ Пита, Дж.; Джонс, Р.Н. (1966). «Сравнение методов оптимизации подгонки кривых к огибающим инфракрасного диапазона». Может. Дж. Чем . 44 (24): 3031–3050. дои : 10.1139/v66-445 .
  6. ^ Jump up to: а б с Мэддамс, ВФ (1980). «Объем и ограничения подбора кривой». Прикладная спектроскопия . 34 (3): 245–267. Бибкод : 1980ApSpe..34..245M . дои : 10.1366/0003702804730312 . S2CID   93996589 .
  7. ^ Крото, HW (1992). Спектры молекулярного вращения . Уайли. ISBN  0-486-49540-Х . Раздел 4.6. Формы и ширина линий.
  8. ^ Кларк, Дж. Х. Р., «Формы полос и молекулярная динамика в жидкостях», стр. 109-193, в « Достижениях в области инфракрасной и рамановской спектроскопии» , том 4 (1978), редакторы Кларк, Р.Дж.Х.; Хестер, RE
  9. ^ Брэдли, Майкл С.; Брату, Шерил (1997). «Профили колебательных линий как зонд молекулярных взаимодействий». Дж. Хим. Образование . 74 (5): 553. Бибкод : 1997ЖЧЭд..74..553Б . дои : 10.1021/ed074p553 .
  10. ^ Петракис, Леонидас (1967). «Формы спектральных линий: функции Гаусса и Лоренца в магнитном резонансе». Дж. Хим. Образование . 44 (8): 432. Бибкод : 1967ЖЧЭд..44..432П . дои : 10.1021/ed044p432 .
  11. ^ Jump up to: а б Браун, Марк А.; Семелка, Ричард К. (2010). МРТ: основные принципы и применение (4-е изд.). Уайли-Блэквелл. ISBN  978-0470500989 . Глава 3. Релаксация
  12. ^ Jump up to: а б Бласс, МЫ; Хэлси, GW (1981). Деконволюция спектров поглощения . Академическая пресса. ISBN  0121046508 .
  13. ^ Скуг, Д.А.; Уэст, ДХ; Холлер, Ф.Дж.; Крауч, СР (2004). Основы аналитической химии . Брукс/Коул. п. 796 . ISBN  0-03-035523-0 .
  14. ^ Ганс, раздел 8.3, гауссовы, лоренцевы и родственные функции
  15. ^ Сундиус, Т (1973). «Компьютерная подгонка профилей Фойгта к линиям комбинационного рассеяния света». Дж. Рамановский спектроск . 1 (5): 457–488. Бибкод : 1973JRSp....1..471S . дои : 10.1002/jrs.1250010506 .
  16. ^ Ганс, П; Гилл, Дж. Б. (1980). «Комментарии к критической оценке подбора кривых в инфракрасной спектрометрии». Анальный. Хим . 52 (2): 351–352. дои : 10.1021/ac50052a035 .
  17. ^ Арагони, Мария Карла; Арка, Массимилиано; Криспони, Гвидо; Нурчи, Валерия Марина (1995). «Одновременное разложение нескольких спектров на составляющие гауссовы пики». Аналитика Химика Акта . 316 (2): 195–204. дои : 10.1016/0003-2670(95)00354-3 .
  18. ^ Мост, ТП; Упал. АФ; Уордман, Р.Х. (1987). «Перспективы производной спектроскопии. Часть 1. Теоретические принципы». Журнал Общества красильщиков и колористов . 103 (1): 17–27. дои : 10.1111/j.1478-4408.1987.tb01081.x .
  19. ^ Савицкий, А.; Голей, MJE (1964). «Сглаживание и дифференциация данных с помощью упрощенных процедур наименьших квадратов». Аналитическая химия . 36 (8): 1627–1639. Бибкод : 1964АнаЧ..36.1627С . дои : 10.1021/ac60214a047 .
  20. ^ Ржевский, Александр М.; Мардилович, Петр П. (1994). «Обобщенный метод Ганса-Гилла для сглаживания и дифференцирования составных профилей на практике». Прикладная спектроскопия . 48 (1): 13–20. Бибкод : 1994ApSpe..48...13R . дои : 10.1366/0003702944027714 . S2CID   98163512 .
  21. ^ Ганс, с. 158
  22. ^ Антонов, Людмил (1997). «Четвертая производная спектроскопия — критический взгляд». Аналитика Химика Акта . 349 (1–3): 295–301. дои : 10.1016/S0003-2670(97)00210-9 .
  23. ^ Банвелл, Колин Н.; Маккэш, Элейн М. (1994). Основы молекулярной спектроскопии (4-е изд.). МакГроу-Хилл. п. 40 . ISBN  0-07-707976-0 . Раздел 7.2.6. Упрощение сложных спектров.

Дальнейшее чтение

[ редактировать ]
[ редактировать ]
Arc.Ask3.Ru: конец переведенного документа.
Arc.Ask3.Ru
Номер скриншота №: 18245651a449c0526482f45ecc036798__1712331240
URL1:https://arc.ask3.ru/arc/aa/18/98/18245651a449c0526482f45ecc036798.html
Заголовок, (Title) документа по адресу, URL1:
Spectral line shape - Wikipedia
Данный printscreen веб страницы (снимок веб страницы, скриншот веб страницы), визуально-программная копия документа расположенного по адресу URL1 и сохраненная в файл, имеет: квалифицированную, усовершенствованную (подтверждены: метки времени, валидность сертификата), открепленную ЭЦП (приложена к данному файлу), что может быть использовано для подтверждения содержания и факта существования документа в этот момент времени. Права на данный скриншот принадлежат администрации Ask3.ru, использование в качестве доказательства только с письменного разрешения правообладателя скриншота. Администрация Ask3.ru не несет ответственности за информацию размещенную на данном скриншоте. Права на прочие зарегистрированные элементы любого права, изображенные на снимках принадлежат их владельцам. Качество перевода предоставляется как есть. Любые претензии, иски не могут быть предъявлены. Если вы не согласны с любым пунктом перечисленным выше, вы не можете использовать данный сайт и информация размещенную на нем (сайте/странице), немедленно покиньте данный сайт. В случае нарушения любого пункта перечисленного выше, штраф 55! (Пятьдесят пять факториал, Денежную единицу (имеющую самостоятельную стоимость) можете выбрать самостоятельно, выплаичвается товарами в течение 7 дней с момента нарушения.)