Спектроскопия поглощения

Спектроскопия абсорбции - это спектроскопия , которая включает в себя методы, которые измеряют поглощение электромагнитного излучения в зависимости от частоты или длины волны из -за его взаимодействия с образцом. Образец поглощает энергию, то есть фотоны, из излучающего поля. Интенсивность поглощения варьируется в зависимости от частоты, и это изменение является спектром поглощения . Спектроскопия поглощения выполняется через электромагнитный спектр .

Спектроскопия поглощения используется в качестве аналитического химического инструмента для определения наличия конкретного вещества в образце и, во многих случаях, для количественной оценки количества присутствующего вещества. Инфракрасная и ультрафиолетовая спектроскопия особенно распространена в аналитических применениях. Спектроскопия поглощения также используется в исследованиях молекулярной и атомной физики, астрономической спектроскопии и дистанционного зондирования.

Существует широкий спектр экспериментальных подходов для измерения спектров поглощения. Наиболее распространенным расположением является направление сгенерированного луча излучения в образце и обнаружение интенсивности излучения, которое проходит через него. Передавшаяся энергия может использоваться для расчета поглощения. Техника расположения и обнаружения источника, значительно варьируется в зависимости от диапазона частот и цели эксперимента.

Ниже приведены основные типы спектроскопии поглощения: ^{[ 1 ]}


Старший Хорошо	Электромагнитное излучение	Спектроскопический тип
1	Рентген	Рентгеновская спектроскопия поглощения
2	Ультрафиолетовый	УФ -вис -спектроскопия
3	Инфракрасный	ИК -спектроскопия поглощения
4	Микроволновая печь	Микроволновая спектроскопия поглощения
5	Радиоволно	Электронная спиновая резонансная спектроскопия Ядерная магнитно -резонансная спектроскопия

Спектр поглощения

Спектр поглощения материала представляет собой фракцию падающего излучения, поглощаемого материалом на диапазоне частот электромагнитного излучения. Спектр поглощения в основном определяется ^{[ 2 ]}^{[ 3 ]}^{[ 4 ]} атомным молекулярным и составом материала . Излучение чаще поглощается на частотах, которые соответствуют разнице энергии между двумя квантовыми механическими состояниями молекул. Поглощение, которое происходит из -за перехода между двумя состояниями, называется линией поглощения , а спектр обычно состоит из многих линий.

Частоты, на которых происходят линии поглощения, а также их относительная интенсивность, в первую очередь зависят от электронной и молекулярной структуры образца. Частоты также будут зависеть от взаимодействия между молекулами в образце, кристаллической структуры в твердых веществах и от нескольких факторов окружающей среды (например, температура , давление , электрическое поле , магнитное поле ). Линии также будут иметь ширину и форму , которые в основном определяются спектральной плотностью или плотностью состояний системы.

Теория

Линии поглощения обычно классифицируются по природе квантового механического изменения, индуцированного в молекуле или атом. Например, ротационные линии возникают при изменении состояния вращения молекулы. Ротационные линии обычно встречаются в микроволновой спектральной области. Вибрационные линии соответствуют изменениям в вибрационном состоянии молекулы и обычно встречаются в инфракрасной области. Электронные линии соответствуют изменению электронного состояния атома или молекулы и обычно встречаются в видимой и ультрафиолетовой области. Рентгеновские поглощения связаны с возбуждением внутренних электронов оболочки в атомах. Эти изменения также могут быть объединены (например, переходы вращения -вибрации ), что приводит к новым линиям поглощения при комбинированной энергии двух изменений.

Энергия, связанная с квантовым механическим изменением, в первую очередь определяет частоту линии поглощения, но частота может быть изменена на несколько типов взаимодействий. Электрические и магнитные поля могут вызвать сдвиг. Взаимодействие с соседними молекулами может вызвать сдвиги. Например, линии поглощения молекулы газовой фазы могут значительно переключаться, когда эта молекула находится в жидкой или твердой фазе и более сильно взаимодействует с соседними молекулами.

Ширина и форма линий поглощения определяются прибором, используемым для наблюдения, материалом, поглощающим излучение и физическую среду этого материала. Линии обычно имеют форму гауссового или Лоренцианского распределения. Также обычно описывается линия исключительно ее интенсивностью и шириной вместо охарактеризованной формы.

Интегрированная интенсивность - подключенная путем интеграции площади под линией поглощения - пропорциональна количеству присутствующего поглощающего вещества. Интенсивность также связана с температурой вещества и квантовым механическим взаимодействием между радиацией и поглотителем. Это взаимодействие количественно определяется с помощью момента перехода и зависит от конкретного нижнего состояния, с которого начинается переход, и верхнее состояние, к которому он связан.

Ширина линий поглощения может быть определена спектрометром, используемым для его записи. Спектрометр имеет неотъемлемый ограничение на то, насколько узкой он может разрешить , и поэтому наблюдаемая ширина может быть на этом пределе. Если ширина больше предела разрешения, то она в первую очередь определяется окружающей средой поглотителя. Жидкий или твердый поглотитель, в котором соседние молекулы сильно взаимодействуют друг с другом, имеют тенденцию иметь более широкие линии поглощения, чем газ. Повышение температуры или давления поглощающего материала также будет иметь тенденцию увеличивать ширину линии. Также часто бывает достаточно соседних переходов, чтобы быть достаточно близко друг к другу, что их линии перекрываются, и, следовательно, общая линия еще шире.

Отношение к спектру передачи

Спектры поглощения и передачи представляют собой эквивалентную информацию, а одна может быть рассчитана из другого посредством математического преобразования. Спектр передачи будет иметь максимальную интенсивность на длине волн, где поглощение является самым слабым, потому что через образец передается больше света. Спектр поглощения будет обладать максимальной интенсивностью на длинах волн, где поглощение является самым сильным.

Отношение к спектру эмиссии

Спектр выбросов железа

Эмиссия - это процесс, посредством которого вещество высвобождает энергию в форме электромагнитного излучения. Эмиссия может происходить на любой частоте, с которой может возникнуть поглощение, и это позволяет определять линии поглощения из спектра излучения. Тем не менее, спектр эмиссии, как правило, будет иметь совершенно другой шаблон интенсивности из спектра поглощения, поэтому они не являются эквивалентными. Спектр поглощения можно рассчитать из спектра излучения с использованием коэффициентов Эйнштейна .

Отношение к спектрам рассеяния и отражения

Спектры рассеяния и отражения материала находятся под влиянием как показателя преломления , так и его спектра поглощения. В оптическом контексте спектр поглощения обычно количественно определяется по коэффициенту вымирания , а коэффициенты вымирания и индекса количественно связаны с помощью отношений Крамерс -Крониг . Следовательно, спектр поглощения может быть получен из спектра рассеяния или отражения. Обычно это требует упрощенных предположений или моделей, и поэтому полученный спектр поглощения является приближением.

Приложения

Спектроскопия поглощения полезна при химическом анализе ^{[ 5 ]} из -за его специфичности и его количественной природы. Специфичность спектров поглощения позволяет отличать соединения друг от друга в смеси, что делает спектроскопию поглощения полезным в широком спектре применения. Например, анализаторы инфракрасного газа могут быть использованы для определения наличия загрязняющих веществ в воздухе, отличив загрязнителя от азота, кислорода, воды и других ожидаемых компонентов. ^{[ 6 ]}

Специфичность также позволяет идентифицировать неизвестные образцы путем сравнения измеренного спектра с библиотекой эталонных спектров. Во многих случаях можно определить качественную информацию о образце, даже если она не находится в библиотеке. Например, инфракрасные спектры имеют полосы поглощения характеристик, которые указывают, присутствуют ли углерод-гидроген или углерод-кислород.

Спектр поглощения может быть количественно связан с количеством материала, присутствующего с использованием закона о пиве -ламберте . Определение абсолютной концентрации соединения требует знания коэффициента поглощения соединения . Коэффициент поглощения для некоторых соединений доступен из эталонных источников, и его также можно определить путем измерения спектра калибровочного стандарта с известной концентрацией цели.

Дистанционное зондирование

Одним из уникальных преимуществ спектроскопии в качестве аналитической методики является то, что измерения могут быть проведены без введения прибора и образца в контакт. Излучение, которое проходит между образцом и прибором, будет содержать спектральную информацию, поэтому измерение может быть сделано удаленно . Отдаленное спектральное зондирование полезно во многих ситуациях. Например, измерения могут быть проведены в токсичных или опасных средах, не подвергая риску оператора или инструмента. Кроме того, материал образца не должен быть введен в контакт с инструментом - предотвращение возможного перекрестного загрязнения.

Удаленные спектральные измерения представляют несколько проблем по сравнению с лабораторными измерениями. Пространство между интересующей выборкой и инструментом также может иметь спектральные поглощения. Эти поглощения могут маскировать или смешать спектр поглощения образца. Эти фоновые помехи могут также различаться со временем. Источником излучения в удаленных измерениях часто является источник окружающей среды, такой как солнечный свет или тепловое излучение от теплого объекта, и это делает необходимым отличать спектральное поглощение от изменений в исходном спектре.

Чтобы упростить эти проблемы, дифференциальная оптическая спектроскопия приобрела некоторую популярность, поскольку она сосредоточена на дифференциальных особенностях поглощения и опускает широкопоглощающую поглощение, такие как вымирание аэрозоля и вымирание из-за рассеяния Рэлея. Этот метод применяется к наземным, воздушным и спутниковым измерениям. Некоторые наземные методы дают возможность извлечь тропосферные и стратосферные профили трассировки.

Астрономия

Спектр поглощения, наблюдаемый с помощью космического телескопа Хаббла

Астрономическая спектроскопия является особенно значительным типом дистанционного спектрального зондирования. В этом случае объекты и образцы, представляющие интерес, настолько далеки от Земли, что электромагнитное излучение является единственным средством, доступным для их измерения. Астрономические спектры содержат как поглощение, так и спектральную информацию. Спектроскопия поглощения была особенно важной для понимания межзвездных облаков и определения того, что некоторые из них содержат молекулы . Спектроскопия абсорбции также используется при изучении внезолярных планет . Обнаружение экстразолярных планет с помощью транзитной фотометрии также измеряет их спектр поглощения и позволяет определить атмосферную композицию планеты, ^{[ 7 ]} температура, давление и высота масштаба и, следовательно, позволяют также определить массу планеты. ^{[ 8 ]}

Атомная и молекулярная физика

Теоретические модели, в основном квантовые механические модели, позволяют связаны спектры поглощения атомов и молекул, связанные с другими физическими свойствами, такими как электронная структура , атомная или молекулярная масса , и молекулярная геометрия . Следовательно, измерения спектра поглощения используются для определения этих других свойств. Например, микроволновая спектроскопия позволяет определить длины связей и углов с высокой точностью.

Кроме того, спектральные измерения могут быть использованы для определения точности теоретических прогнозов. Например, сдвиг ягненка , измеренный в спектре атомного водорода, не ожидалось, в момент его измерения. Его открытие стимулировало и направляло развитие квантовой электродинамики , а измерения сдвига ягненка теперь используются для определения постоянной тонкой структуры .

Экспериментальные методы

Основной подход

Наиболее простым подходом к спектроскопии абсорбции является генерация излучения с источником, измерить эталонный спектр этого излучения с детектором , а затем повторно измерить спектр образца после размещения интересующего материала между источником и детектором. Затем эти измеренные спектры могут быть объединены, чтобы определить спектр поглощения материала. Один только спектр выборки недостаточно для определения спектра поглощения, поскольку на него будут влиять условия эксперимента - спектр источника, спектры поглощения других материалов между источником и детектором и зависимые от длины волны характеристики детектора. Однако эталонный спектр будет влиять таким же образом, однако, благодаря этим экспериментальным условиям, и, следовательно, комбинация дает спектр поглощения одного материала.

Для покрытия электромагнитного спектра используется широкий спектр радиационных источников. Для спектроскопии, как правило, желательно, чтобы источник покрывал широкую полосу длин волн, чтобы измерить широкую область спектра поглощения. Некоторые источники по своей природе испускают широкий спектр. Примеры их включают глобусы или другие черные источники тела в инфракрасных, ртутных лампах в видимых и ультрафиолетовых и рентгеновских трубках . Одним из недавно разработанных, новым источником излучения широкого спектра является синхротронное излучение , которое охватывает все эти спектральные области. Другие источники радиации генерируют узкий спектр, но длина волны излучения может быть настроена для покрытия спектрального диапазона. Примеры их включают клистроны в микроволновой области и лазеры в инфракрасной, видимой и ультрафиолетовой области (хотя не все лазеры имеют настраиваемые длины волн).

Детектор, используемый для измерения радиационной мощности, также будет зависеть от процентного диапазона длины волны. Большинство детекторов чувствительны к довольно широкому спектральному диапазону, и выбранный датчик часто больше зависит от чувствительности и требований к шуму данным измерениям. Примеры детекторов, общие при спектроскопии, включают гетеродиновые приемники в микроволновой печи, болометры в миллиметровой волне и инфракрасных, ртутных кадмий-теллуриде и других охлажденных полупроводниковых детекторов в инфракрасных, а также фотодиодах и фотомультирированных труб в видимых и ультрафиолетах.

Если и источник, и детектор охватывают широкую спектральную область, то также необходимо ввести средства разрешения длины волны излучения, чтобы определить спектр. Часто спектрограф используется для пространственно отделения длины волн излучения, чтобы мощность на каждой длине волны может быть измерена независимо. Также часто используется интерферометрия для определения спектра - инфракрасная спектроскопия преобразования Фурье является широко используемой реализацией этого метода.

Две другие проблемы, которые необходимо учитывать при настройке эксперимента по спектроскопии поглощения, включают оптику, используемую для направления излучения, и средства удержания или содержания материала образца (называемой кюветой или клеткой). Для большинства измерений ультрафиолетового ультрафиолета и NIR необходимо использование точных кварцевых кювет. В обоих случаях важно выбирать материалы, которые имеют относительно мало собственного поглощения в диапазоне длины волны. Поглощение других материалов может мешать или маскировать поглощение из образца. Например, в нескольких диапазонах длины волны необходимо измерить выборку в вакууме или в благородной газовой среде, потому что газы в атмосфере имеют мешающие особенности поглощения.

Конкретные подходы

Смотрите также

Ссылки

^ Кумар, Пранав (2018). Основы и методы биофизики и молекулярной биологии . Нью -Дели: Pathfinder Publication. п. 33. ISBN 978-93-80473-15-4 .
^ Современная спектроскопия (в мягкой обложке) Дж. Майкла Холласа ISBN 978-0-470-844416-8
^ Симметрия и спектроскопия: введение в вибрационную и электронную спектроскопию (в мягкой обложке) Даниэль С. Харрис, Майкл Д. Бертолуччи ISBN 978-0-486-66144-5
^ Спектры атомов и молекул Питера Ф. Бернатха ISBN 978-0-19-517759-6
^ Джеймс Д. Ингл -младший и Стэнли Р. Крауч, Спектрохимический анализ , Prentice Hall, 1988, ISBN 0-13-826876-2
^ «Газообразные загрязнители - инфракрасная спектроскопия преобразования Фурье» . Архивировано из оригинала 2012-10-23 . Получено 2009-09-30 .
^ Khalafinejad, S.; Эссен, С. Фон; Hoeijmakers, HJ; Чжоу, Г.; Клокова, Т.; Шмитт, JHMM; Dreizler, S.; Lopez-Morales, M.; Husser, T.-O. (2017-02-01). «Экзопланетный атмосферный натрий, выявленная орбитальным движением». Астрономия и астрофизика . 598 : A131. Arxiv : 1610.01610 . Bibcode : 2017a & A ... 598a.131k . doi : 10.1051/0004-6361/201629473 . ISSN 0004-6361 . S2CID 55263138 .
^ де Вит, Жюльен; Сигер, С. (19 декабря 2013 г.). «Ограничение массы экзопланеты из спектроскопии передачи». Наука . 342 (6165): 1473–1477. Arxiv : 1401.6181 . Bibcode : 2013sci ... 342.1473d . doi : 10.1126/science.1245450 . PMID 24357312 . S2CID 206552152 .

Внешние ссылки

[1] Кумар, Пранав (2018). Основы и методы биофизики и молекулярной биологии . Нью -Дели: Pathfinder Publication. п. 33. ISBN 978-93-80473-15-4 .

[2] Современная спектроскопия (в мягкой обложке) Дж. Майкла Холласа ISBN 978-0-470-844416-8

[3] Симметрия и спектроскопия: введение в вибрационную и электронную спектроскопию (в мягкой обложке) Даниэль С. Харрис, Майкл Д. Бертолуччи ISBN 978-0-486-66144-5

[4] Спектры атомов и молекул Питера Ф. Бернатха ISBN 978-0-19-517759-6

[5] Джеймс Д. Ингл -младший и Стэнли Р. Крауч, Спектрохимический анализ , Prentice Hall, 1988, ISBN 0-13-826876-2

[6] «Газообразные загрязнители - инфракрасная спектроскопия преобразования Фурье» . Архивировано из оригинала 2012-10-23 . Получено 2009-09-30 .

[Khd-7] Khalafinejad, S.; Эссен, С. Фон; Hoeijmakers, HJ; Чжоу, Г.; Клокова, Т.; Шмитт, JHMM; Dreizler, S.; Lopez-Morales, M.; Husser, T.-O. (2017-02-01). «Экзопланетный атмосферный натрий, выявленная орбитальным движением». Астрономия и астрофизика . 598 : A131. Arxiv : 1610.01610 . Bibcode : 2017a & A ... 598a.131k . doi : 10.1051/0004-6361/201629473 . ISSN 0004-6361 . S2CID 55263138 .

[8] де Вит, Жюльен; Сигер, С. (19 декабря 2013 г.). «Ограничение массы экзопланеты из спектроскопии передачи». Наука . 342 (6165): 1473–1477. Arxiv : 1401.6181 . Bibcode : 2013sci ... 342.1473d . doi : 10.1126/science.1245450 . PMID 24357312 . S2CID 206552152 .

[ 1 ]

[ 2 ]

[ 3 ]

[ 4 ]

[ 5 ]

[ 6 ]

[ 7 ]

[ 8 ]