Введение
Спектроскопия, основанная на данных во временной или пространственной области, – это метод измерения, при котором спектры формируются на основе измерений когерентности источника излучения, с использованием измерений во временной или пространственной области, будь то электромагнитное излучение или нет. Она может применяться к различным типам спектроскопии, включая оптическую спектроскопию, инфракрасную спектроскопию (FTIR, FT NIRS), ядерный магнитный резонанс (ЯМР) и магнитно-резонансную спектроскопическую визуализацию (MRSI), масс-спектрометрию и электронный парамагнитный резонанс. Существуют различные методы измерения временной когерентности света (см.: полевая автокорреляция), включая спектрометры и спектрографы преобразования Фурье с непрерывным и импульсным режимами работы. Термин "спектроскопия преобразования Фурье" отражает тот факт, что во всех этих методах требуется преобразование Фурье для получения спектра из исходных данных, а во многих оптических схемах с интерферометрами – основывается на теореме Винера — Хинчина.
Fourier transform spectroscopy is a measurement technique whereby spectra are collected based on measurements of the coherence of a radiative source, using time domain or space domain measurements of the radiation, electromagnetic or not. It can be applied to a variety of types of spectroscopy including optical spectroscopy, infrared spectroscopy (FTIR, FT NIRS), nuclear magnetic resonance (NMR) and magnetic resonance spectroscopic imaging (MRSI), mass spectrometry and electron spin resonance spectroscopy. There are several methods for measuring the temporal coherence of the light (see: field autocorrelation), including the continuous wave and the pulsed Fourier transform spectrometer or Fourier transform spectrograph. The term "Fourier transform spectroscopy" reflects the fact that in all these techniques, a Fourier transform is required to turn the raw data into the actual spectrum, and in many of the cases in optics involving interferometers, is based on the Wiener–Khinchin theorem.
Измерение спектра излучения
Одна из самых основных задач в спектроскопии — характеризовать спектр источника света: какое количество света излучается на каждой различной длине волны. Самый прямой способ измерения спектра — пропускать свет через монохроматор, прибор, который блокирует весь свет, за исключением света на определенной длине волны (неблокированная длина волны устанавливается ручкой на монохроматоре). Затем измеряется интенсивность оставшегося (одноволнового) света. Измеренная интенсивность напрямую указывает, сколько света излучается на этой длине волны. Изменяя настройку длины волны монохроматора, можно измерить полный спектр. Эта простая схема фактически описывает принцип работы некоторых спектрометров. Спектроскопия преобразования Фурье — менее интуитивный способ получения той же информации. Вместо того чтобы пропускать к детектору только одну длину волны за раз, эта техника пропускает пучок, содержащий множество различных длин волн света одновременно, и измеряет общую интенсивность пучка. Затем пучок модифицируется, чтобы содержать другую комбинацию длин волн, что дает вторую точку данных. Этот процесс повторяется многократно. После этого компьютер обрабатывает все эти данные и, работая в обратном направлении, определяет количество света на каждой длине волны. Если говорить конкретнее, между источником света и детектором находится определенная конфигурация зеркал, которая пропускает некоторые длины волн, но блокирует другие (из-за волновой интерференции). Пучок модифицируется для каждой новой точки данных путем перемещения одного из зеркал, что изменяет набор пропускаемых длин волн. Как уже упоминалось, для преобразования исходных данных (интенсивность света для каждого положения зеркала) в желаемый результат (интенсивность света для каждой длины волны) требуется компьютерная обработка. Оказывается, требуемая обработка представляет собой распространенный алгоритм, называемый преобразованием Фурье (отсюда и название «спектроскопия преобразования Фурье»). Исходные данные иногда называют «интерферограммой». Ввиду существующих требований к компьютерному оборудованию и способности света анализировать очень малые количества вещества, часто бывает полезно автоматизировать многие аспекты подготовки образцов. Это позволяет лучше сохранять образец и значительно облегчает воспроизводимость результатов. Оба этих преимущества важны, например, в ситуациях тестирования, которые впоследствии могут повлечь за собой судебные разбирательства, например, при анализе наркотических веществ.
Измерение спектра поглощения
Метод спектроскопии преобразования Фурье также может использоваться для спектроскопии поглощения. Основным примером является "ФТИР-спектроскопия", широко распространенный метод в химии. В общем случае, цель спектроскопии поглощения – измерить, насколько хорошо образец поглощает или пропускает свет на каждой длине волны. Хотя спектроскопия поглощения и спектроскопия излучения различны по принципу, на практике они тесно связаны: любая методика спектроскопии излучения может быть также использована для спектроскопии поглощения. Сначала измеряется спектр излучения широкополосного источника света (это называется "фоновым спектром"). Затем измеряется спектр излучения того же источника, проходящего через образец (это называется "спектром образца"). Образец поглощает часть света, что приводит к различию между спектрами. Отношение "спектра образца" к "фоновому спектру" напрямую связано со спектром поглощения образца. Следовательно, метод "спектроскопии преобразования Фурье" может использоваться как для измерения спектров излучения (например, спектр излучения звезды), так и спектров поглощения (например, спектр поглощения жидкости).
Непрерывный волновой спектрограф с трансформацией Фурье или Микельсона
Спектрограф Майкельсона аналогичен инструменту, использованному в эксперименте Майкельсона-Морли. Свет от источника разделяется на два луча полупрозрачным зеркалом, один отражается от неподвижного зеркала, а другой – от подвижного, что вносит временную задержку. Спектрометр преобразования Фурье – это, по сути, интерферометр Майкельсона с подвижным зеркалом. Лучи интерферируют, позволяя измерять временную когерентность света при каждой различной настройке временной задержки, эффективно преобразуя временную область в пространственную координату. Проводя измерения сигнала во многих дискретных положениях подвижного зеркала, можно реконструировать спектр, используя преобразование Фурье временной когерентности света. Спектрографы Майкельсона способны к наблюдениям с очень высоким спектральным разрешением для очень ярких источников. Спектрограф преобразования Фурье или Майкельсона был популярен для инфракрасных приложений в то время, когда инфракрасная астрономия располагала только однопиксельными детекторами. Создание спектрометров Майкельсона возможно, но в целом они были вытеснены приборами Фабри-Перо, которые проще в изготовлении.
Импульсный спектрометр с трансформацией Фурье
В импульсном спектрометре преобразования Фурье не используются методы измерения пропускания. В наиболее общем описании импульсной ФТ-спектрометрии образец подвергается воздействию, вызывающему периодический отклик. Частота этого периодического отклика, определяемая условиями в спектрометре, характеризует измеряемые свойства анализируемого вещества.
Примеры импульсной спектрометрии форьевой трансформации
В магнитной спектроскопии (EPR, NMR) в качестве энергетического события используется микроволновой импульс (EPR) или радиочастотный импульс (NMR) в сильном внешнем магнитном поле. Это отклоняет магнитные частицы от направления внешнего поля, вызывая их прецессию. Прецессирующие спины затем индуцируют периодический ток в катушке детектора. Каждый спин демонстрирует характеристическую частоту прецессии (зависящую от напряженности поля), которая предоставляет информацию об анализируемом веществе. В масс-спектрометрии с преобразованием Фурье энергетическим событием является введение заряженного образца в сильное электромагнитное поле циклотрона. Эти частицы движутся по окружности, индуцируя ток в неподвижной катушке в одной точке своей траектории. Каждая движущаяся частица демонстрирует характеристическое соотношение циклотронной частоты и напряженности поля, позволяющее определить массы в образце.
Свободный индукционный распад
Импульсная FT-спектрометрия имеет преимущество, заключающееся в том, что требует единственного измерения, зависящего от времени, которое позволяет легко разделить набор схожих, но различных сигналов. Полученный составной сигнал называется свободным индукционным затуханием, поскольку сигнал обычно затухает из-за неоднородностей частоты образца или просто из-за необратимой потери сигнала, связанной с энтропийной потерей измеряемого свойства.
Наномасштабная спектроскопия с импульсными источниками
Импульсные источники позволяют применять принципы спектроскопии преобразования Фурье в методах сканирующей оптической микроскопии ближнего поля. Особенно это актуально для нано-FTIR, где рассеяние от острого наконечника зонда используется для проведения спектроскопии образцов с наноразрешением, а высокая мощность импульсных инфракрасных лазеров компенсирует относительно низкую эффективность рассеяния (часто менее 1%) зонда.
Стационарные формы спектрометров с трансформацией Фурье
В дополнение к сканирующим формам спектрометров преобразования Фурье, существует ряд стационарных или самосканируемых конструкций. Хотя анализ интерферометрического сигнала аналогичен анализу, проводимому в типичном сканирующем интерферометре, существуют значительные различия, как показано в опубликованных исследованиях. Некоторые стационарные конструкции сохраняют преимущество мультиплексирования Фелджетта, и их применение в спектральном диапазоне, ограниченном шумом детектора, сопоставимо с применением сканирующих форм спектрометра преобразования Фурье. В диапазоне, ограниченном фотонным шумом, применение стационарных интерферометров определяется специфическими требованиями к спектральному диапазону и области применения.
Преимущество Фелджетта
Одно из самых важных преимуществ спектроскопии преобразования Фурье было показано П. Б. Фелгеттом, одним из первых сторонников этого метода. Преимущество Фелгетта, также известное как принцип мультиплексирования, заключается в том, что при получении спектра, когда шум измерений определяется шумом детектора (не зависящим от мощности падающего излучения), мультиплексный спектрометр, такой как спектрометр преобразования Фурье, обеспечивает относичное улучшение отношения сигнал/шум по сравнению с эквивалентным сканирующим монохроматором, порядка квадратного корня из m, где m – количество точек, составляющих спектр. Однако, если детектор подвержен доминированию дробового шума, то шум будет пропорционален квадратному корню мощности. Следовательно, для спектра с широкой полосой пропускания (непрерывного широкополосного источника) шум пропорционален квадратному корню из m, что полностью нивелирует преимущество Фелгетта. Для источников линейчатого излучения ситуация еще хуже, и наблюдается явный "мультиплексный недостаток", поскольку дробовой шум от сильной эмиссионной компоненты маскирует более слабые компоненты спектра. Дробовой шум является основной причиной, по которой спектрометрия преобразования Фурье никогда не получила широкого распространения для ультрафиолетового (УФ) и видимого спектров.