Фурье спектроскопиянинг асослари

ИНФРАҚИЗИЛ ФУРЬЕ СПЕКТРОСКОПИЯ

Инфрақизил спектроскопияда ишлатиб келинган соҳа (7800-400 см^-1) ҳозирги вақтда торлик қила бошлади. Спектрнинг узоқ ИҚ соҳаси деб аталадиган 400 см^-1 дан то 20-10 см^-1 гача чўзилган қисмида молекула учун жуда кўп фойдали маълумотлар мавжуд. Бу соҳада ёруғлик манбаларининг самарасизлиги ва детекторлар сезгирлигининг пастлиги учун оддий усуллар билан сигнал-шовқин нисбатнинг яхшиланишига эришиш жуда қийин. Фурье спектроскопиянинг пайдо бўлиши узоқ инфрақизил соҳани ҳам фойдаланса бўладиган қилди ва бутун ИҚ спектроскопиянинг салмоқли ривожланишига олиб келди.

Узоқ ИҚ соҳада ютилиш фурье спектроскопияси ишлатилади. Фурье спектроскопияда ишлатиладиган асбоблар, бир-бирига перпендикуляр бўлган иккита йўналишда ёруғлик тезлигини таққослаш орқали «эфир ҳаракати»ни сезиш соҳасида ўтказган тажрибаларда Майкельсон фойдаланган классик схемага асосланган. Ёруғлик манбаидан келаётган параллел нурлар дастаси ёруғликни бўлувчи пластинка B, ҳамда M₁ ва M₂ кўзгулардан иборат интерферометрга йўналтирилади. Ёруғликни бўлувчи пластинка шаффоф материалдан (масалан, калий бромиддан) тайёрланиб, унинг сирти тушаётган ёруғликни 50% ни қайтарадиган қилиб қопланади. Шундай қилиб, ёруғликнинг тенг ярми М₁, иккинчи ярми эса М₂ кўзгуларга йўналтирилади. Манбадан борётган ёруғликнинг нури билан ойналардан қайтган ёруғлик дасталари бўлувчи пластинкада яна қўшилади (бундай ҳолда тўлиқ ёруғликнинг ярми пластинкадан қайтиб орқага, яъни манбага тушади, лекин бу аҳамиятли эмас) ва ундан ўтиб детекторга тушади.



7-расм. Фурье спектрометрнинг интерферометрик ячейкаси

Маълумки агар манба монохроматик ёруғлик чиқараётга бўлса, натижаловчи ёруғликнинг интенсивлиги, ВМ₁ ва ВМ₂ ёруғлик йўлларининг узунлигига боғлиқ равишда, уни ташкил қилувчи иккита дастанинг интерференцияси ҳисобига ё кучаяди ё сусаяди (Майкельсон тажрибаларининг моҳияти ҳам шунда). Агар бу йўлларнинг узунликлари бир хил ёки бутун (сондаги) тўлқин узунлигига фарқ қилса, ҳосил бўлувчи интерференция интенсивликнинг кучайишига, агар оптик йўллар узунликларининг фарқи тоқ сондаги ярим тўлқин узунлигига тенг бўлса, интенсивликнинг сўнишига олиб келади. Шунинг учун М₂ кўзгу, В пластинкага ёки ундан орқага қараб силлиқ ҳаракат қилганда, детекторга интенсивлиги бўйича ўзгарувчи ёруғлик келиб тушади. Агар манба, частоталари ва бўлган иккита турли хил монохроматик ёруғлик чиқараётган бўлса, М₁ ва М₂ кўзгулар томонидан ҳосил қилинган интерференцион манзараларнинг қўшилиши натижасида бу частоталарнинг тебраниши рўй беради (юзага келади). Кўзгу М₂ ҳаракат қилганда детектор интенсивликнинг анча мураккаб (юқоридагидек битта монохроматик ёруғлик бўлган ҳолга қараганда) ўзгаришини қайд қилади, аммо натижаловчи сигнал билан Фурье алмаштириш ўтказиб манба чиқараётган ёруғлик частоталарини ва интенсивликларини бирданига олиш мумкин. Ҳатто манба «оқ ёруғлик» чиқарган ҳолларда ҳам интерференцион манзара бўйича бошланғич спектрал тақсимот тикланиши мумкин.

Агар ёруғликнинг йўлига детектордан олдин намуна ўрнатилса, унинг ютиши манбанинг спектрал тақсимотида «ўпирилишлар»нинг ҳосил бўлишига олиб келади. Фурье-алмаштириш натижасида бундай интерферограммадан нормал ютилиш спектри олинади. Бундай спектрни олиш қуйидагича амалга оширилади. М₂ кўзгу қандайдир вақт мобайнида (масалан, 1 с.) 1 сантиметрга яқин масофага равон силжийди, бу вақт орасида детекторда ҳосил бўлаётган сигнал (интерферограмма) кўп каналли анализаторда қайд қилинади (масалан, кўзгу ҳаракат қилаётганидан бошлаб ҳар мингдан бир секундда детектор сигналини ҳисоблаш амалга оширилади ва бу маълумотлар навбат билан анализаторнинг 1000 каналидан биттасига киритилади). Йиғилган маълумотлар устида Фурье-алмаштириш амалиёти бажарилгандан сўнг компьютер олинган сигнални 1000 қисмга бўлиб яна анализаторнинг ўша 1000 каналига юборади. Шундан кейин «ҳақиқий» спектр ихтиёрий шаклда ёзиб олиш учун тайёр бўлади.
Фурье спектроскопиянинг асосий устунлиги унинг тезкорлигидир. Тўлиқ спектр, скан қилиш вақтида, яъни бир секунд мобайнида компьютерга ёзиб олинган интерферограмманинг ичида бўлади. Бунинг устига маълумотларни ишлаб чиқиш ва тўлиқ спектрни қуриш учун кетган вақтни масалан, яна 15 секундни қўшганда кетган умумий вақт ҳам, одатдаги усуллар билан шундай ажратиб кўрсатишга эга бўлган спектрни олиш учун кетадиган ўртача 10 минут билан таққослаганда ниҳоятда қисқа бўлади. Вақт бўйича белгиланган ажратиб кўрсатишга эришиш учун спектрни ҳамма қисмларини тегишли вақт оралиғида қайд қилиш жуда муҳим. Одатдаги усуллар билан спектрнинг ҳар бир қисми кетма-кет қайд қилинади, интерферометрияда эса бутун спектр бир вақтда қайд қилинади, кейин эса ишлаб чиқилади. Оддий усулларга қараганда бундай ёндошишнинг устунлиги кўриниб турибди.
Фурье спектроскопия усули бундан ташқари қуйидаги устунликларга эга:
1. Оддий асбобларда ёруғлик албатта унинг тирқишига фокусланади ва айнан шу тирқишнинг тасвири детекторга туширилади. Асбоб тирқишининг кенглиги жуда кичик бўлганда ажратиб кўрсатиши яхши бўлган спектр олиш мумкин, чунки фақат шундай шароитдагина детекторга спектрнинг тор соҳаси тушади. Лекин тирқишнинг торайиши ҳисобига асбобдан ўтаётган ёруғлик энергиясининг камайиши, кучайтириш коэффициети юқори ва шунга мос равишда шовқин даражаси катта бўлган кучайтиргичлар қўллашни тақоза қилади. Фурье спектрометрларда параллел нурлар дастаси ишлатилганлиги учун ёруғликни фокуслашга ҳожат йўқ (агар ёруғлик дастасининг юзаси намуна ва детектор юзаларидан катта бўлмаса), ҳеч қандай тирқишнинг зарурати йўқ ва манбадан келаётган бутун энергия асбоб орқали ўтади. Бунинг натижасида эса кучайтириш коэффициенти катта бўлган кучайтиргичлар ишлатишга ҳам ҳожат йўқ, ажратиб кўрсатиш қобилияти эса фақат кўзгу йўлининг узунлиги ва компьютер хотирасининг ҳажми билан аниқланади. Айнан шу сабабга кўра, Фурье спектроскопия биринчи навбатда спектрнинг одатдаги усуллар билан ўрганиш қийин бўлган узоқ ИҚ соҳасини тадқиқ қилишда ишлатилади.
2. Фурье спектроскопиянинг ажратиб кўрсата олиши бутун спектр бўйича доимий бўлган ҳолда, одатдаги спектрометрларда бу катталик ёруғлик дастасининг призма ёки дифракцион панжарага қандай бурчак билан тушаётганига боғлиқдир. Демак ананавий асбобларда ажратиб кўрсата олиш қобилияти частотага боғлиқ равишда ўзгаради ва спектрнинг четларида бу кўрсатгич ёмонлашади.
3. Фурье спектроскопияда компьютернинг ишлатилиши жуда кўп амалларни автоматлаштиришга имкон яратади. Масалан, сигнал/шовқин нисбатни яхшилаш учун, битта намунанинг спектрини бир неча марта олиб компьютернинг хотирасига йиғиш мумкин. Спектрни тадқиқотчи учун қулай кўринишга келтириш мумкин. Масалан, эритувчига тегишли полосаларни ўчириш, нуль чизиқ силжишини тўғрилаш, намуна солинган кювета ойналари ютишини ҳисобга олиш, спектрнинг тегишли қисмини кенгайтириш каби ишларни амалга ошириш мумкин. Компьютер ютилиш полосалари максимумларининг ва намуна концентрациясининг қийматларини бирданига олишга имкон беради.