Спектрометрия в средней инфракрасной области
Компания ООО «ИТТ» активно расширяет линейку разрабатываемых спектроаналитических приборов. Помимо спектрометров диффузного рассеяния, пропускания, зеркального отражения для УФ-, видимой и БИК- областей, Раман-спектрометров на дифракционной решетке, у нас появилось новое направление разработок – спектрометрия в средней инфракрасной области.
В силу высокой информативности спектров и разнообразия возможностей их получения ИК-спектрометрия уже давно считается одним из важнейших методов анализа. Наблюдаемые полосы поглощения в инфракрасной области спектра содержат преимущественно информацию о внутренних движениях молекул, т.е. колебаниях и вращениях. Почти каждое химическое соединение имеет свой собственный спектр, который невозможно перепутать ни с каким другим, так что вещества можно идентифицировать по «отпечаткам пальцев». Наряду с качественным анализом, ИК спектрометрия при соответствующей калибровке вполне подходит и для проведения количественных измерений.
Классические дисперсионные приборы не отличаются высокой чувствительностью и обладают лишь ограниченной воспроизводимостью по волновым числам и интенсивности поглощения. ИК Фурье-спектрометры не имеют подобных ограничений. Достоинствами ИК Фурье-спектрометрии являются: мультиплексность (все длины вол одновременно регистрируются детектором), высокая светосила, накопление спектров (благодаря экспрессной записи интерферограмм можно за счет аккумуляции значительно улучшить отношение сигнал/шум в спектрах).
За основу приборов нами была взята классическая схема интерферометра Майкельсона.
Рисунок 1 - Схема интерферометра Майкельсона с уголковыми отражателями
Основными элементами конструкции интерферометра являются подвижное и неподвижное зеркала и светоделитель.
Светоделитель расщепляет поступающее от источника излучение на две равные части, которые направляются в разные стороны. Одна часть света попадает на неподвижное зеркало, другая – на подвижное, благодаря которому происходит сканирование. После отражения зеркалами обе части излучения вновь объединяются тем же светоделителем. На оптическом пути между светоделителем, образцом и детектором оказывается излучение от обоих плеч интерферометра. Чтобы устранить вредные блики, возникающие при отражении от поверхностей светоделителя и компенсатора, они имеют просветляющее покрытие, а также задняя поверхность светоделителя и компенсатора выполнена в виде клина с углом в 0.50.
Зеркала интерферометра заменены уголковыми отражателями производства компании PLX, мирового лидера в производстве высокоточных оптических компонентов. Такие отражатели при наклоне посылают падающие на них пучки лучей обратно строго по их первоначальному направлению. За счёт зеркальной прямоугольной призмы, которая является ретрорефлектором происходит двойное прохождение пучков через отражатели, чтобы сделать прибор нечувствительным к поперечному смещению оси подвижного отражателя относительно оси неподвижного отражателя. В такой схеме, кроме того, изменение разности хода вчетверо превышает перемещение подвижного отражателя, что позволяет улучшить разрешение прибора, не увеличивая максимальную оптическую разность хода зеркал.
Рисунок 2 - Уголковый отражатель производства компании PLX
Источники и приемники излучения для нас изготавливаются компанией LED Microsensor NT, осуществляющей полный цикл их производства. Отказ от широкополосного теплового источника излучения в пользу набора светодиодов позволяет обеспечить ультранизкое энергопотребление, значительно сократить время измерений, существенно уменьшить размеры и себестоимость прибора по сравнению с аналогами.
Применение в свето- и фотодиодах линз с заливкой оптически прозрачным стеклом, обеспечивает увеличение оптической мощности в 3-5 раз.
Рисунок 3 - Источник излучения производства компании LED Microsensor NT
Отличительной особенностью разрабатываемых спектрометрических систем является их универсальность, обеспечивающая индивидуальную возможность получения оптимального решения в самых различных областях применения. На данный момент одним из основных направлений, в котором планируется применение разрабатываемых нами ИК-спектрометров, является анализ газообразных веществ и газовых смесей. Анализ газа необходим во многих прикладных задачах, включая контроль окружающей среды, управление производственными процессами, в энергетике, здравоохранении. Этот метод, основанный на абсорбции газов на специфических длинах волн, имеет преимущества над другими методами, поскольку является бесконтактным методом измерения и обладает высокой селективностью.
Многие газы имеют длины волн поглощения в ближнем и среднем инфракрасном диапазоне (NIR и MIR), что объясняется вибрацией молекул газа. Таким образом, применение различных источников и приемников излучения позволяет дистанционно обнаруживать и измерять концентрации различных газов и аэрозолей.
Рисунок 4 - Поглащение газов на различных длинах волн (ист. hamamatsu.com)
Таким образом, ООО «ИТТ» обладает технологическими возможностями и научным потенциалом для создания ИК-спектрометра (в т.ч. Фурье) для дистанционного неразрушающего анализа различных веществ, таких как газы (угарный, углекислый газы, аммиак, оксиды азота, серы, ацетилен, пропан, спирты), органические жидкости (нефтепродукты), а также производить анализ состава твёрдых тел.