Infračervený spektrometr je zařízení pro záznam infračervených absorpčních, transmisních nebo reflexních spekter látek.
Typický disperzní IR spektrometr funguje následovně. Záření z polychromatického zdroje prochází kyvetou se vzorkem a poté vstupuje do monochromátoru , což je hranol nebo difrakční mřížka. Dále infračervené záření, rozložené na spektrum, prochází úzkou štěrbinou, která umožňuje vybrat požadovaný spektrální rozsah a nasměrovat jej do detektoru, kde je určena jeho intenzita. Průchod celým spektrálním rozsahem se dosahuje otáčením hranolu nebo difrakční mřížky: v tomto případě do štěrbiny postupně vstupuje záření o různých vlnových délkách , což umožňuje zaznamenat spektrum [1] .
Typicky má disperzní zařízení dvoupaprskové optické schéma. Registruje intenzitu nejen paprsku procházejícího vzorkem, ale i referenčního paprsku, který prochází prázdnou kyvetou nebo kyvetou naplněnou čistým rozpouštědlem. Poté oba paprsky střídavě dopadají na monochromátor a detektor, kde se porovnávají jejich intenzity. Strukturálně je toho dosaženo pomocí kulatého zrcadla, ve kterém jsou některé sektory zrcadleny a některé jsou prázdné. Taková struktura zrcadla umožňuje buď průchod paprsku ze vzorku do detektoru, nebo odraz srovnávacího paprsku na detektor a díky rotaci zrcadla se tyto fáze rychle střídají. Podíl dělení intenzity paprsku ze vzorku intenzitou srovnávacího paprsku dává požadovanou hodnotu prostupu T ( anglicky transmittance , %) [1] .
Hlavním prvkem infračerveného spektrometru s Fourierovou transformací je Michelsonův interferometr , který pracuje následovně. Paprsek koherentního světla dopadá na rozdělovač paprsků, což má za následek dva paprsky přibližně stejné intenzity. Poté se každý z těchto paprsků odráží od svého zrcadla a vrací se do rozdělovače paprsků, kde se paprsky spojují, vytvářejí interferenci a dopadají na detektor. Jedno ze zrcadel v interferometru je pohyblivé: jeho poloha se neustále mění, díky čemuž vzniká měnící se dráhový rozdíl . V závislosti na velikosti dráhového rozdílu jsou paprsky spojeny fázově nebo protifázi, což vede ke kladné nebo záporné interferenci [2] .
Při průchodu monochromatického záření interferometrem má signál tvar sinusoidy, jejíž frekvence je úměrná vlnovému číslu. IR spektrometry však využívají polychromatické infračervené záření, takže sinusoidy různých frekvencí se překrývají a vytvářejí komplexní obrazec nazývaný interferogram. Interferogram lze převést na infračervené spektrum pomocí Fourierovy transformace [2] .
Vzorek se v těchto zařízeních nachází mezi interferometrem a detektorem, na rozdíl od disperzních spektrometrů, kde je vzorek umístěn mezi zdrojem a monochromátorem. Fourier-IR spektrometry navíc obvykle pracují v jednopaprskovém režimu: postupně se zaznamenávají dvě spektra (se vzorkem a bez něj) a jejich rozdíl udává absorpční spektrum vzorku [2] .
Optické prvky infračerveného spektrometru (kyvety, čočky, u disperzního přístroje i hranol) musí být pro IR záření transparentní. Protože sklo a křemen tento požadavek nesplňují, používají se jiné optické materiály [3] .
Optické vlastnosti některých materiálů používaných v IR spektroskopii [3]| Materiál | Oblast průhlednosti (50 %) | Poznámky | |
|---|---|---|---|
| mikron | cm -1 | ||
| křemenné sklo | 0,25-3,3 | 40 000-3000 | |
| LiF | 0,12–7,0 | 83 000-1400 | Málo rozpustný ve vodě |
| CaF2 _ | 0,13-11,0 | 77 000-900 | Relativně nerozpustný ve vodě, odolný vůči většině kyselin a zásad |
| NaCl KCl |
0,25-16 0,30-20 |
40 000-625 33 333-500 |
Rozpustný v alkoholu a vodě, levně, používá se na IR okna |
| AgCl AgBr |
0,4-30 0,45-30 |
25 000-333 22 222-333 |
Nerozpustný ve vodě, rozpustný v kyselinách, citlivý na UV záření |
| KBr | 0,23-25 | 43 500-400 | Necháme dobře rozpustit ve vodě, etanolu a glycerinu, je ho trochu — na vzduchu, je hygroskopický |
| CsBr | 0,24-40 | 41 666-250 | Rozpustný ve vodě a kyselinách, velmi hygroskopický |
| ZnSe | 0,5-20 | 20 000-500 | Relativně nerozpustný ve vodě, odolný vůči kyselinám a zásadám, vhodný pro ATR |
| Ge | 2-18 | 5000-555 | Nerozpustný ve vodě, rozpustný v horké kyselině sírové a čpavku, vhodný pro ATR |
| KRS-5 | 0,6-38 | 16 666-263 | Málo rozpustný ve vodě, rozpustný v alkáliích, nehygroskopický, toxický, vhodný pro ATR |
K registraci infračerveného záření ve spektrometrech se používají metody, které umožňují rychle a přesně určit teplotu. Dřívější přístroje k tomuto účelu používaly termočlánky nebo Golayův článek . Působení posledně jmenovaného je založeno na expanzi plynu: komora naplněná xenonem a uzavřená na jedné straně pružnou membránou je ohřívána dopadajícím infračerveným zářením. Plyn při zahřátí expanduje a deformuje membránu, jejíž poloha je fixována pomocí světelného ukazovátka [4] .