IR spektrométerek csoportosítása Tartomány szerint Terahertz Távoli IR (FIR) Középső vagy analitikai IR (MIR; rutin alkalm. ma többnyire FT) Közeli IR (NIR; sokszor láthatóval együtt, általában diszperziós) Felépítés szerint Nem-diszperzív (IR szenzorok) Szűrős Diszperziós (hagyományos prizmás vagy rácsos) Egy detektor (egy csatornás, szimplex) Több detektor (több csatornás, multiplex) Lézer (sok típus, pl. hangolható félvezető dióda) Fourier-transzformációs (FT-IR) Fényút szerint Egyutas (FT készülékek döntő többsége) Kétutas (minta és háttér/ref., diszperziós készülékek többsége)

Nem diszperzív IR szenzorok

Szűrős készülékek

Diszperziós IR spektrométerek

Lézer IR spektroszkópia Számos technikailag és elvileg eltérő lehetőség (lsd. Lézerek a kémiában speci) Egy példa a sok közül: hangolható diódalézer-spektroszkópia (TDS)                                                                                           Lézer Detektor http://www.chem.ualberta.ca/~jaeger/research/ir/tdls.htm

Fourier-transzformációs IR készülékek

Fourier-transzformációs IR készülékek Detektor Lencse Forrás Fix tükör Mozgó tükör DX Sugárosztó (féligáteresztő tükör) A Michaelson-interferométer ← Fourier-transzformáció (FT) / inverz-FT → DX/ mm n/ cm1 ~ I 2DX=nl erősítés 2DX=(n+1/2)l kioltás

A Fourier-transzformáció f(x)g(x) 1,00l l 1,10l 1,05l

A Fourier-transzformáció Monokromatikus fény, egyszerű összefüggés: Polikromatikus fény, Fourier-transzformáció: Folytonos, végtelen elméleti interferogram helyett a valóságban diszkrét és véges mintavétel: integrálás → összegzés gyors diszkrét Fourier-transzformáció (DFT)

A „lebegés” 1,10l l 1,05l +

Felbontás (FTIR) spektrum interferogram Hosszabban felvett interferogram → nagyobb felbontás

Spektrumtartomány mintavétel: megkülönböztethetetlenek megkülönböztethetők I n 2n interferogram DX Sűrűbb mintavétel → nagyobb spektrumtartomány

Nullafeltöltés Az interferogram kiegészítése 0-kal. (Mintha tovább vettük volna fel a az interferogramot, csak „zajt” vittünk be.) FT után interpolációhoz hasonló hatás

Apodizáció FT FT után simításhoz hasonló hatás

Fáziskorrekció a b A fázis (komplex spektrum) létrejöttének okai: Az interferogram középpontjához nem egzaktul 0 úthossz különbség tartozik (hullámhossz-független) Egyoldalas (vagy nem szimmetrikus) interferogram Zaj az interferogram felvételénél Komplex spektrum: Legegyszerűbb korrekció (szorzatspektrum): Mertz-féle fáziskorrekció: a b

Fáziskorrekció b a

Interferencia kiszűrése Filmek, vékony küvetták határrétegei között többszörös reflexió miatt interferencia léphet fel:

Brewster-szög ΘB = arctan(n2/n1)

Interferencia kiszűrése Polarizált fény használata (Brewster-szög)

Interferencia kiszűrése Digitális szűrés

A step-scan technika Időfelbontásos (pl. kinetikai) vizsgálatok: probléma: a teljes interferogram felvételéhez idő kell megoldás: impulzus technika + az interferogram pontonkénti felvétele X I t

GC-FTIR detektálás Probléma: sok interferogramot kell FT-ni, adattárolás Megoldás: Gram-Schmidt módszer

GC-FTIR detektálás

Interferométerek

Speciális interferométerek Bruker IFS 120HR

Speciális interferométerek fix fix

Atmospheric Chemistry Experiment (ACE) satellite

Atmospheric Chemistry Experiment (ACE) satellite Felbontás: 0,02 cm1 Össztömeg: 41 kg http://www.ace.uwaterloo.ca/ACE_FTS.htm

Canada-France-Hawaii Telescope (CFHT, Mauna Kea) „cat’s eye”

McMath-Pierce Solar Telescope (National Solar Observatory, Tucson)

Fourier-transzformációs IR készülékek - összefoglalás Mérési pontok száma véges, ezért Fourier-transzformáció helyett diszkrét (gyors) Fourier-transzformáció (és nem egzakt nullpont, ezért cos→exp): Fourier-transzformáció következményei: A mozgó tükör nagyobb maximális kitérése (Dxmax) növeli a felbontást. A mérési pontok sűrűsége a spektrumtartomány szélességet határozza meg. Az FTIR készülékek fő előnyei a diszperziós készülékekhez képest: Egyszerűbb felépítés Nincs rés  nagyobb intenzitás  jobb jel/zaj viszony (Jacquinot-előny) Minden mérési pont az összes l-ról ad információt  „virtuálisan” hosszabb mérési idő  jobb jel/zaj viszony (multiplex vagy Fellget-előny) Belső kalibráció (Dx mérését HeNe lézer végzi) FT előtti, és a FT-hoz kapcsolódó fontosabb műveletek: apodizáció nulla-feltöltés fáziskorrekció FT utáni, felhasználó-függő műveletek: alapvonal-korrekció, simítás, stb…

Infravörös sugárforrások Típus Módszer Anyag Példa Sugárzási tartomány (cm1) Megjegyzés Termikus (feketetest) sugárzás Ellenállás-fűtés Wolfram infralámpa 4 000 10 000 NiCr Kantál fűtőszálak 2 000  5 000 SiC Globár 200 10 000 Leggyakoribb IR spektroszkópiás forrás Kerámia Nernst-izzó Előmelegítést igényel Másodlagos fűtés Fém patronos f. 1 000  2 500 IRS izzó 400  2 500 Sug. égő 500 10 000 Fűtés kisüléssel Szén Ívkisüléses szénlámpa 400  5 000 Vonalas sugárzók Gázkisülés Hg Hg-lámpa szélessávú háttérsugárzás is! Xe Xe-lámpa Hg: szélessávú háttérsugárzás is! Stimulált emisszió Lézer CO2 CO2 lézer 900  1 100 szűk tartományon belül hangolhatók félvezető dióda lézer

Infravörös sugárforrások Feketetest-sugárzás Wien-törvénye: lmax= b/T b= 2,897 7685(51) × 10–3 m K

IR detektorok Termikus Kvantumos (félvezető) Pneumatikus Piro-elektromos „Intrinsic” „Extrinsic” Termopárok „Tiszta” félvezetők „Szennyezett” félvezetők, pl. Si, Ge Termo-elektro-mos effektus pl. J-, K-, N-, stb. típus Bolométerek Kristály hőelnyelése hatására töltés a felületén Hőmérsékletfüggő ellenállású vezető + IR adszorbens réteg Foto-konduktív Foto-voltaikus Mikrofon Golay-cella Vezető-képesség változása, PbS, MCT Elektromos áram keltése, InSb, MCT Fotoakusztikus spektroszkópia Hőtáguló gáz (Xe) tartályára szerelt tükör + fényforrás és fotocella Infravörös kamerák Egyéb: fotoemissziós, kvantumkút

IR detektorok: fotoelektromos detektorok Előnyök: viszonylag olcsó, szobahőmérsékleten használható, nem „kényes”, szűrőkkel együtt könnyen változtatható és széles spektrumtartomány Hátrányok: kevéssé érzékeny, lassabb, mint a felvezető detektorok Főbb típusok: TGS (triglicin-szulfát) DTGS (deutero-triglicin-szulfát) – magasabb Curie-hőmérséklet (D)ATGS (L-alaninnal „szennyezett” (D)TGS) DATGSP, DATGSAs

IR detektorok: félvezető detektorok

IR detektorok: félvezető detektorok fotovoltaikus dióda fordított dióda

IR detektorok: félvezető detektorok

IR detektorok: félvezető detektorok Előnyök: gyors, érzékeny Hátrányok: drága, kriogén (általában LN2) hűtést igényel Főbb típusok: MCT (HgCdTe), InSb, Ge, InSb / MCT szendvics

IR detektorok: összehasonlítás

Hubble Space Telescope – Nicmos

IR ablakanyagok Anyag Tartomány (cm1) Törésmutató (l=2 µm) Tulajdonság AgBr 22 000286 2,30 A soft crystal; insoluble in water; darkens upon exposure to UV radiation; will cold flow. AgCl 10 000360 2,07 Soft crystal that is insoluble in water; darkens upon exposure to UV radiation; will cold flow. Al2O3 (Zafír) 50 0001 650 1,7 Glass-like. Sapphire (Al2O3) is an extremely hard material which is useful for UV, NIR and IR applications through 5 microns. AMTIR (GeAsSe üveg) 11 000625 2,5 AMTIR (Amorphous Material Transmitting IR) is a glass; insoluble in water, resistant to corrosion. BaF2 67 000740 1,46 A hard, brittle crystal; insoluble in water; good resistance to fluorine and fluorides; no fog. CaF2 77 0001 110 1,42 A strong crystal; resists most acids and alkalis; withstands high pressure; insoluble in water; no fog. CdTe 20 000400 2,67 Lower thermal conductity than ZnSe (used with CO2 lasers). Attacked by oxidizers. Also known as Irtran-6. Kalkogenid (AsSeTe üveg) 4 000900 2,8 Good for Mid-IR fiber optics; chemically inert. CsI 40 000200 1,74 Soft crystal; soluble in water; hydroscopic; offers an extended transmission range. Because this material is so soft and extremely hygroscopic, it is very difficult to polish. Gyémánt 25 00033 2,37 Phonon bands around 1900-2600, except in Type IIa diamonds. Very useful for high-pressure or corrosive work. GaAs 7 000650 3,33 Hard crystal, can be made amorphous Ge 5 500600 4,00 A hard, brittle crystal; insoluble in water; well suited for ATR. KBr 40 000400 1,53 Very soft, water soluble crystal; low cost and good transmission range; fogs. KRS-5 (TlBr/TlI) 20 000250 A soft crystal, deforms under pressure; good ATR material. Soluble in bases and insoluble in acids. Toxic. LiF 95 0001 700 1,4 Best VUV transmitter available MgF2 87 0001 250 1,35   NaCl 40 000625 1,52 (HD) Polietilén 60030 1,54 Excellent for Far-IR, very cheap, attacked by few solvents, difficult to clean Pyrex 30 0004 000 1,473 Labware glass Si 83 300660 3000 („szennyezés”-f.) 3,40 A hard and brittle crystal; inert; ideal material for far-IR. SiO2 (Kvarc) 65 0002 700 A hard crystal, clear in the visible ZnS (Cleartran) 17 000833 2,2 A water-free form of ZnS. Insoluble in water. Also known as Irtran-2 ZnSe 17 000720 A hard and brittle crystal; inert; ideal material for ATR. Also known as Irtran-1.