Кіріспе

Уақыт немесе кеңістік домендегі деректерге негізделген спектроскопия – бұл сәулелену көзінің когеренттілігін өлшеу арқылы спектрлерді жинау әдісі, онда электр магниттік немесе басқа да сәулеленудің уақыт немесе кеңістік бойынша өлшемдері қолданылады. Оны спектроскопияның түрлі салаларында қолдануға болады, соның ішінде оптикалық спектроскопия, инфрақызыл спектроскопия (FTIR, FT NIRS), ядролық магниттік резонанс (NMR), магниттік резонанстық спектроскопиялық бейнелеу (MRSI), массалық спектрометрия және электрондық спиндік резонанс спектроскопиясы. Жарықтың уақытша когеренттілігін өлшеудің бірнеше әдісі бар (қараңыз: өрістік автокорреляция), оның ішінде үздіксіз толқынды және импульстік Фурье түрлендіру спектрометрін немесе Фурье түрлендіру спектрографы. "Фурье түрлендіру спектроскопиясы" термині осы әдістердің барлығында шикі деректерді нақты спектрге түрлендіру үшін Фурье түрлендіруі қажеттігін көрсетеді, ал көптеген оптикалық жағдайларда, интерферометрлерді қолдануда Винер-Хинчин теоремасына негізделген.

Эмиссиялық спектрді өлшеу

Спектроскопияның ең негізгі міндеттерінің бірі – жарық көзінің спектрін сипаттау: әр түрлі толқын ұзындығында қанша жарық шығарылады. Спектрді өлшеудің ең қарапайым жолы – жарықты монохроматор арқылы өткізу, ол белгілі бір толқын ұзындығындағы жарықтан басқа барлық жарықты тоқтатып тұратын құрал (тоқтатылмаған толқын ұзындығы монохроматордағы тұтқамен орнатылады). Содан кейін, қалған (бір толқын ұзындығы) жарықтың қарқындылығы өлшенеді. Өлшенген қарқындылық сол толқын ұзындығында қанша жарық шығатынын тікелей көрсетеді. Монохроматордың толқын ұзындығын өзгерту арқылы толық спектрді өлшеуге болады. Бұл қарапайым схема кейбір спектрометрлердің жұмыс істеу принципін сипаттайды. Фурье түрлендіру спектроскопиясы – осы ақпаратты алудың интуитивті емес тәсілі. Бұл техника бір уақытта бір ғана толқын ұзындығын детекторға жібермей, бір мезгілде көптеген түрлі толқын ұзындығы бар сәулені өткізіп, сәуленің жалпы қарқындылығын өлшейді. Содан кейін сәуле толқын ұзындығының басқа комбинациясын қамтитын етіп өзгертіледі, нәтижесінде екінші дерек нүктесі алынады. Бұл процесс көп рет қайталанады. Кейін компьютер бұл деректерді өңдеп, әр толқын ұзындығында қанша жарық бар екенін анықтайды. Нақтырақ айтқанда, жарық көзі мен детектор арасында кейбір толқын ұзындықтарын өткізіп, ал басқаларын тоқтатып тұратын (толқындық интерференцияға байланысты) айналардың белгілі бір конфигурациясы бар. Әрбір жаңа дерек нүктесі үшін айналардың біреуін жылжыту арқылы сәуле өзгертіледі, бұл өткізілуі мүмкін толқын ұзындықтарының жиынтығын өзгертеді. Жоғарыда айтылғандай, бастапқы деректерді (әр айнаның орналасуы үшін жарық қарқындылығы) қажетті нәтижеге (әр толқын ұзындығы үшін жарық қарқындылығы) айналдыру үшін компьютерлік өңдеу қажет. Бұл өңдеуге Фурье түрлендіруі деп аталатын кең таралған алгоритм қолданылады (сондықтан оған «Фурье түрлендіру спектроскопиясы» деген ат берілген). Шикі деректер кейде «интерферограмма» деп аталады. Компьютерлік жабдықтың талаптары мен жарықтың өте аз мөлшердегі затты талдау мүмкіндігіне байланысты, үлгіні дайындаудың көптеген кезеңдерін автоматтандыру тиімді. Бұл үлгіні жақсы сақтап қалуға және нәтижелерді оңай қайталауға мүмкіндік береді. Бұл екі артықшылық та маңызды, мысалы, есірткі заттарының үлгілерін зерттеу сияқты, кейіннен сотқа жүгінуге әкелуі мүмкін жағдайларда.

Абсорбция спектрін өлшеу

Фурье трансформациясы спектроскопиясының әдісі сору спектроскопиясында да қолданылуы мүмкін. Басты мысал – химияда кең таралған "FTIR спектроскопиясы". Жалпы алғанда, сору спектроскопиясының мақсаты – әр түрлі толқын ұзындығында сынаманың жарықты қаншалықты жақсы жұтып алуы немесе өткізіп жіберуі өлшеу болып табылады. Сору және шығарылым спектроскопиясы принцип бойынша ерекшеленсе де, практикада тығыз байланысты; шығарылым спектроскопиясының кез келген әдісі сору спектроскопиясы үшін де қолданылуы мүмкін. Біріншіден, кең спектрлі шамның шығарылым спектрі өлшенеді (бұл "негізгі спектр" деп аталады). Екіншіден, сынама арқылы сәуле жіберілген сол шамның шығарылым спектрі өлшенеді (бұл "сынама спектрі" деп аталады). Сынама жарықтың бір бөлігін сіңіріп алып, спектрлердің өзгеше болуына себеп болады. "Сынама спектрінің" "негізгі спектрге" қатынасы тікелей сынаманың сору спектрімен байланысты. Осыған сәйкес, "Фурье трансформациясы спектроскопиясы" әдісін шығарылым спектрлерін (мысалы, жұлдыздың шығарылым спектрін) және сору спектрлерін (мысалы, сұйықтықтың сору спектрін) өлшеу үшін де пайдалануға болады.

Тұрақты толқындық Микельсон немесе Фурье трансформациясы спектрографы

Микельсон спектрографы Микельсон-Морли экспериментінде қолданылған құралға ұқсас. Жарық көзінен шыққан сәуле жартылай күмісделген айна арқылы екі сәулеге бөлінеді, біреуі тұрақты айнадан, екіншісі жылжымалы айнадан шағылысады, бұл уақыт кешігуін тудырады. Фурье түрлендіру спектрометрі – жылжымалы айнасы бар Микельсон интерферометрінің өзі. Сәулелер бір-біріне кедергі келтіреді, бұл жарықтың әр түрлі уақыт кешігуі параметрлерінде уақыт когеренттілігін өлшеуге мүмкіндік береді, нәтижесінде уақыт домені кеңістіктік координатқа айналады. Жылжымалы айнаның көптеген дискретті орналасуларында сигналды өлшеу арқылы, жарықтың уақыт когеренттілігінің Фурье түрлендіруін қолдана отырып, спектрді қайта құруға болады. Микельсон спектрографтары өте жарық көздерді өте жоғары спектрлік ажыратымдылықпен бақылауға қабілетті. Микельсон немесе Фурье түрлендіру спектрографы инфрақызыл астрономиясында инфрақызыл сәулелерді анықтау үшін тек бір пикселдік детекторлар қолданылған кезде кеңінен қолданылды. Микельсон спектрометрлерін бейнелеуге болады, бірақ көбінесе олар жасауға оңайырақ болғандықтан Фабри-Перо құралдарымен алмастырылды.

Фурье трансформациясының импульстік спектрометрі

Импульстік Фурье түрлендіру спектрометрі өткізу қабілетіне негіделген әдістерді қолданбайды. Импульстік Фурье түрлендіру спектрометриясының ең жалпы сипаттамасында, сынама белсенді әрекетке ұшырайды, ол периодтық жауапты тудырады. Спектрометрдегі өріс жағдайларымен анықталатын периодтық жауаптың жиілігі, зерттелетін заттың өлшенген қасиеттерін көрсетеді.

Импульстік Фурье трансформациясы спектрометриясының мысалдары

Магниттік спектроскопияда (ЭПР, ЯМР) күшті сыртқы магнит өрісінде микротолқын импульсі (ЭПР) немесе радиожиілік импульсі (ЯМР) энергия беру оқиғасы ретінде қолданылады. Бұл магниттік бөлшектерді сыртқы өріске бұрыштап бұрып, айналысқа келтіреді. Айналып отырған спиндер детектор катушкасында периодтық ток тудырады. Әрбір спиннің (өріс күшіне қатысты) өзіндік айналу жиілігі болады, ол талданатын зат туралы мәліметтерді ашады. Фурье түрлендірулі массалық спектрометрияда энергия беру оқиғасы – зарядталған сынаманың циклотронның күшті электромагниттік өрісіне енгізілуі. Бұл бөлшектер шеңбер бойымен қозғалып, олардың шеңберінің бір нүктесінде орналасқан катушкада ток тудырады. Әрбір қозғалатын бөлшектің циклотрон жиілігі мен өріс арақатынасы сипаттамалық болып келеді, бұл сынамадағы массаларды анықтайды.

Еркін индукциялық ыдырауы

Импульстік FT спектрометриясының артықшылығы – ұқсас, бірақ нақтырақ ерекшеленетін сигналдар жиынтығын оңай бөліп шығаруға мүмкіндік беретін, уақытқа байланысты бір ғана өлшеуді қажет етуі. Соның нәтижесінде пайда болатын күрделі сигнал, еркін индукциялық ыдырау деп аталады, себебі әдетте сигнал, сынама жиілігінің біркелкі болмауынан немесе өлшенетін қасиеттің энтропиялық жоғалуынан туындаған сигналдың қайта қалпына келмейтін жоғалуы салдарынан ыдырайды.

Импульстік көздермен наношарықты спектроскопия

Импульстік көздер Фурье түрлендіру спектроскопиясы принциптерін сканерлеуге арналған жақын өрістік оптикалық микроскопия техникаларында қолдануға мүмкіндік береді. Атап айтқанда, нано-FTIR-де, мұнда өткір зонд ұшынан шашырау наноөлшемді кеңістіктік ажыратымдылығы бар үлгілердің спектроскопиясын жүргізу үшін пайдаланылады, импульсті инфрақызыл лазерлерден алынған жоғары қуатты жарық зондтың салыстырмалы түрде төмен шашырау тиімділігін (көбінесе < 1%) толықтырады.

Фурье трансформациясы спектрометрлерінің стационарлық түрлері

Фурье трансформациясы спектрометрлерінің сканерленетін түрлерінен өзге, стационарлық немесе өздігінен сканерленетін түрлері де бар. Интерферометрлік сигналды талдау әдеттегі сканерленетін интерферометрді талдауға ұқсас болғанымен, жарияланған талдауларда көрсетілгендей, маңызды айырмашылықтар бар. Кейбір стационарлық түрлер Фелгеттің көптеуірлік артықшылығын сақтайды, ал оларды қолдануы детектор шуы шектеулі спектрлік аймақта FTS-тің сканерленетін түрлеріне ұқсас. Фотон шуы шектеулі аймақта стационарлық интерферометрлерді қолдану спектрлік аймақ пен қолданылу ерекшеліктерімен анықталады.

Фелгет артықшылығы

Фурье трансформациясы спектроскопиясының ең маңызды артықшылықтарының бірін П. Б. Фелгет, осы әдістің ерте жақтасы көрсетті. Фелгетт артықшылығы, сондай-ақ мультиплекс принципі деп белгілі, спектрді алу кезінде өлшеу шуы детектор шуымен басым болған жағдайда (детекторға түсетін сәулелену қуатына тәуелсіз), Фурье трансформациясы спектрометрі сияқты мультиплекс спектрометр, эквивалентті сканерлеу монохроматорымен салыстырғанда сигнал-шу қатынасын √m есеге жақсартады, мұнда m – спектрді құрайтын өлшемдер саны. Дегенмен, егер детекторда ату шуы басым болса, шу қуаттың квадрат түбіріне пропорционалды болады. Сондықтан, кең таспалы спектр үшін (жалғасқан кең жолақты көз) шу √m-ге пропорционалды болып, Фелгетт артықшылығын толығымен жояды. Сызықтық эмиссия көздері үшін жағдай одан да нашарлайды және анық "мультиплекс кемшілігі" пайда болады, себебі күшті эмиссиялық компоненттен туындаған ату шуы спектрдің нашар компоненттерін жауып тастайды. Ату шуы – Фурье трансформациясы спектрометриясының ультракүлгін (УК) және көрінетін спектрлерде кеңінен қолданылмауының басты себебі.