Спектроскопия, методы и применение

Что такое спектроскопия?

"Термин оптическая спектроскопия обозначает методы, в которых используется взаимодействие света с веществом..."

Полезные статьи:

Спектометры. Виды, принцип работы

Что такое интерферометры

Все статьи

Введение

Целью спектроскопии часто является обнаружение определенных веществ или измерение их свойств. Например, газовая спектроскопия часто используется для измерения концентраций газовых примесей или температуры газов. 

В других случаях для этих целей используются известные свойства веществ, например, для реализации оптических стандартов частоты. Термин спектрометрия вместо спектроскопии иногда используется для того, чтобы подчеркнуть, что определенные величины измеряются количественным образом.

Существует очень широкий спектр самых разных спектроскопических методов. Многие из них включают один или несколько лазеров и называются лазерной спектроскопией. Из-за огромных возможностей лазеров с точки зрения временной и пространственной когерентности, перестройки ширины линии и длины волны, оптической мощности (особенно пиковой мощности), генерации ультракоротких импульсов. 

Область спектроскопии значительно расширилась с появлением лазеров. Даже до этого времени спектроскопия давала бесценное понимание многих явлений. Например, это позволило исследователям изучить внутреннюю часть Солнца и обнаружить там гелий, еще до того, как он был найден на земле.

История изучения

Вот краткая история изучения спектроскопии:

• 17 век: Исаак Ньютон в 1666 году разложил белый свет на спектр цветов с помощью призм, что стало основой для понимания свойств света.
• 19 век: В 1814 году Йозеф фон Фраунгофер создал первый спектроскоп и открыл линии Фраунгофера в спектре солнечного света, что стало важным шагом в спектроскопии.
• 1868 год: Пьер Жансен открыл гелий в спектре солнечного света во время солнечного затмения, что стало первым обнаружением этого элемента.
• 20 век: Развитие технологий, таких как фотометрия и спектрофотометрия, расширило применение спектроскопии в химии, физике и биологии. Методы инфракрасной и ультрафиолетовой спектроскопии были разработаны в 1930-х годах.
• Современные достижения: С появлением лазеров и компьютерных технологий спектроскопия значительно продвинулась, включая методы масс-спектрометрии и ядерного магнитного резонанса.

Спектроскопия остается важным инструментом в науке и технике, применяясь в астрономии, медицине и экологии.

Методы спектроскопии

Спектральное разложение проходящего света

Можно использовать широкополосный источник света, а затем применить спектральное разложение в системе фотодетекции. Часто высокая спектральная чувствительность достигается путем объединения фотоприемника с каким-либо монохроматором. Например, спектрометр с высоким разрешением позволяет проводить измерения для множества различных узких диапазонов длин волн без точного управления источником света. 

Время измерения может быть большим, если каждая длина волны обрабатывается отдельно и имеется много узких диапазонов длин волн, но некоторые спектрометры могут одновременно регистрировать много длин волн, например, когда они содержат матрицу CCD вместо одного фотодиода.

Особым способом получения спектрального разрешения является использование интерферометра, в котором во время измерения сканируется длина плеча. С узкополосным источником света это привело бы к простым синусоидальным колебаниям выходной мощности. Однако с широкополосным источником получается суперпозиция множества различных колебаний. Используя преобразование Фурье, можно получить спектр. Интерферометрические волнометры имеют аналогичный принцип работы. 

Такие методы называются спектроскопией с преобразованием Фурье. Это часто применяется в инфракрасной области спектра, а затем также называется инфракрасной спектроскопией с преобразованием Фурье. Многие современные инфракрасные спектрометры основаны на таких методах.

Изменение длины волны источника

Во многих случаях спектроскопия проводится с помощью источника света, настраиваемого по длине волны. Затем можно измерить поглощение образца в зависимости от длины волны излучения лазера. Поскольку более сложно создать широко настраиваемый узкополосный лазерный источник, этот метод часто приводит к меньшему диапазону настройки - меньшему, чем диапазон, возможный с простым широкополосным источником света. 

Тем не менее, метод обеспечивает превосходное разрешение, а также быстрый сбор данных с низким уровнем шума, поскольку можно получить относительно сильный сигнал детектора. Обратите внимание, что вся доступная оптическая мощность сосредоточена на определенной интересующей длине волны, а не распределена по всему диапазону измерений.

Поскольку оптическая мощность часто несколько меняется в зависимости от длины волны (также со временем), высокая точность требует контроля этой мощности. Это можно сделать, например, в двухлучевых спектрометрах, где свет от источника разделяется на два луча. Только один луч (образец луча), но не эталонный луч, пропускается через исследуемую среду, и измеряются мощности или интенсивности обоих лучей. Особенно высокая чувствительность может быть получена с помощью сбалансированных фотоприемников, где непосредственно измеряется разница фототоков от двух лучей.

Использование нелинейных эффектов

Когда используются источники света высокой интенсивности (обычно лазеры), для спектроскопии можно использовать различные нелинейные оптические эффекты. Насыщение поглощения используется в лазерной спектроскопии без Доплера. Рамановская спектроскопия уже упоминалась выше. Двухфотонное поглощение используется уже давно. Другим важным примером является когерентная антистоксова рамановская спектроскопия, где две входные волны генерируют обнаруженный сигнал с немного более высокой оптической частотой посредством четырехволнового микширования. Различные другие нелинейные эффекты, такие как Рассеяние Бриллюэна можно использовать с другими методами.

Устранение эффектов Доплера

Атомы и молекулы в газах могут проявлять значительное доплеровское уширение своих линий поглощения из-за их теплового движения. Однако существуют различные методы доплеровской спектроскопии. Например, это может включать встречное распространение лазерных лучей, когда зондирующий луч в одном направлении выбирает определенный класс скорости через насыщение поглощения, а другой луч обнаруживает это насыщение.

Терагерцовая спектроскопия

Относительно новой областью является терагерцовая спектроскопия, где вместо света используется терагерцевое излучение (с частотами, например, от сотен гигагерц до нескольких терагерц). Хотя лазеры не могут напрямую излучать терагерцовое излучение, их можно использовать в разных волнах для генерации такого излучения. Например, с помощью методов электрооптической выборки или нелинейного преобразования частоты. 

Кроме того, лазеры с ультракороткими импульсами полезны для обнаружения терагерцовых волн с временным разрешением. Поскольку многие оптически непрозрачные материалы обладают значительной прозрачностью для терагерцового излучения, терагерцовая спектроскопия может использоваться для широкого спектра исследований в науке и технике. В настоящее время он используется для определения местоположения неисправностей в деталях самолета и при проверке безопасности.

Частотные гребенки

В некоторых методах современной лазерной спектроскопии используются частотные гребенки, генерируемые лазерами с блокировкой мод . Поскольку такая частотная гребенка содержит некоторое количество точно равноудаленных линий в спектре, все ее частотные компоненты известны. За исключением некоторого шума. Если зафиксированы только два параметра (возможно, стабилизированные с помощью некоторых методов обратной связи), то расстояние между гребенками, которое связано с частотой следования импульсов, и несущая – частота смещения огибающей. 

Поэтому частотные гребенки могут служить для чрезвычайно точных измерений частоты в широком диапазоне длин волн, если они производятся с высокой оптической полосой пропускания (иногда более октавы) и с надлежащей стабилизацией частоты. Существуют различные важные приложения в частотной метрологии (в частности, сверхточные оптические часы) и других областях.

Спектроскопия с временным разрешением

Спектроскопия может также включать измерения с временным разрешением с чрезвычайно высоким временным разрешением. В спектроскопии с накачкой используется ультракороткий импульс накачки, за которым следует зондирующий импульс с переменной временной задержкой от нескольких фемтосекунд до нескольких наносекунд. 

Влияние импульса накачки на образец и, следовательно, на зондирующий импульс можно измерить как функцию временной задержки, которая часто регулируется просто с помощью переменной оптической линии задержки Альтернативой является использование двух лазеров с блокировкой режимов с немного отличающимися частоты повторения импульсов, так что диапазон временных задержек сканируется непрерывно.

Физические свойства

Поглощение света

В спектроскопии могут использоваться различные взаимодействия между светом и веществом. Наиболее часто используемым взаимодействием является поглощение света. Например, атомы и молекулы обладают различными характеристиками поглощения, так что их можно легко отличить, если измеряется зависимость поглощения от длины волны. 

Особенно в средней инфракрасной области спектра молекулы имеют относительно сильные и узкие линии поглощения, связанные с их колебательными и вращательными модами. Это позволяет обнаруживать широкий спектр веществ с очень высокой чувствительностью. Примером применения является обнаружение крошечных концентраций загрязнителей воздуха.

Другие эффекты поглощения

Обычно измеряемый эффект в спектроскопии заключается в уменьшении оптической мощности из-за поглощения. Однако есть и другие возможности. Например, в фотоакустической спектроскопии используется генерация звука путем поглощения света от источника с модуляцией мощности. Поглощенный свет приводит к некоторому нагреву, что вызывает расширение газа и, таким образом, генерирует звуковую волну, которую можно обнаружить с помощью чувствительного микрофона.

Излучение или рассеяние света

Вещество также может быть возбуждено, чтобы излучать или рассеивать свет с характерными особенностями. Это уже возможно при простом нагревании или освещении солнечным светом. Например, спектрометр на спутнике может записывать спектры рассеянного света с поверхности земли, чтобы различать камни, растения, поверхности озер и т. д.

В астрономии анализируются оптические спектры света от далеких звезд и галактик, которые несут информацию о температурах, химическом составе, скорости движения. В лабораториях часто используется газовый разряд для возбуждения атомов или молекул таким образом, что они излучают свет.

Многие передовые спектроскопические методы используют освещение образца лазерным источником. Поглощенный свет может не только приводить к нагреву, но и возбуждать атомы или молекулы, которые затем излучают флуоресцентный свет. 

Можно записывать спектр излучаемого света и / или силу возбуждения в зависимости от длины волны света накачки. Оба метода могут привести к высокоспецифичному обнаружению определенных веществ или позволяют измерять определенные микроскопические свойства материалов.

Изменения оптической фазы

В некоторых спектроскопических методах используются изменения оптической фазы. Как правило, представляющее интерес взаимодействие происходит в одном плече интерферометра. Результирующие изменения фазы могут быть чувствительно обнаружены, поскольку они преобразуются в изменения мощности на выходе интерферометра. Изменения фазы, возникающие в результате линий поглощения, также имеют значение в спектроскопии с частотной модуляцией.

Применение

Спектроскопия — это мощный инструмент, используемый в различных областях науки и техники для анализа материалов и изучения их свойств. Вот несколько основных применений спектроскопии:

• Химический анализ: Спектроскопия позволяет определять состав веществ, их концентрацию и структуру. Это особенно полезно в химии и фармацевтике для анализа лекарств и химических соединений.
• Астрономия: Астрономы используют спектроскопию для изучения света, излучаемого звездами и галактиками. Это помогает определять их химический состав, температуру, скорость и расстояние до них.
• Биология и медицина: В биохимии спектроскопия применяется для анализа белков, ДНК и других биомолекул. В медицине она используется, например, в спектроскопии инфракрасного излучения для диагностики заболеваний.
• Экология и окружающая среда: Спектроскопические методы помогают анализировать загрязнители в воздухе, воде и почве, а также изучать изменения в экосистемах.
• Материаловедение: Спектроскопия помогает исследовать физические и химические свойства материалов, включая их структуру и взаимодействие с различными формами излучения.
• Нанотехнологии: В этой области спектроскопия используется для изучения наноматериалов и их свойств, что важно для разработки новых технологий.

Таким образом, спектроскопия является универсальным инструментом, который находит применение в самых различных областях науки и техники.