Инфракрасная спектроскопия — раздел спектроскопии, изучающий взаимодействие инфракрасного излучения (ИК-излучения) с веществами. Это аналитический метод, который используется для изучения молекул и их структур. Он основан на взаимодействии инфракрасного излучения с веществом. Когда молекулы поглощают инфракрасное излучение, они переходят в более высокие энергетические состояния, что приводит к колебаниям и вращениям молекул. Метод позволяет идентифицировать химические соединения, определять их концентрацию и изучать молекулярные взаимодействия. Инфракрасная спектроскопия широко применяется в химии, биологии, материаловедении и других областях.
ИК излучение – это подвид электромагнитного излучения
Электромагнитное излучение – это электромагнитные волны, возбуждаемые различными излучающими объектами, заряженными частицами, атомами, молекулами, антеннами и пр.
Различают: гамма-излучение, рентгеновское, ультрафиолетовое излучение, видимый свет, инфракрасное излучение, радиоволны и низкочастотные электромагнитные колебания
ИК-излучение подразделяется на:
1. Ближний инфракрасный диапазон (NIR)
Ближний инфракрасный диапазон (NIR, Near infrared) — это область инфракрасного излучения, которая находится за пределами видимого спектра, но видимая с помощью специальных приборов. Диапазон охватывает излучение с длиной волны 0,75–1,4 мкм.
Инфракрасное излучение NIR-диапазона используется в различных областях, например:
- Контроль объектов на конвейере, например, подсчёт птенцов без видимых вспышек света.
- Инспекция нагретых материалов (литейные ковши, трубопрокат, контроль на прогар, нагревательные элементы)
- Проверка мутных жидкостей — многие из них становятся прозрачными в ИК-излучении, что позволяет обнаруживать посторонние предметы и включения.
- Контроль печати маркировки, срока годности и штрих-кода.
- Лазерная идентификация объёмных объектов.
- Контроль за здоровьем растений — здоровые листья лучше отражают NIR-диапазон.
Приборы, которые используют для работы в ближнем инфракрасном диапазоне:
- Камеры с NIR-сенсорами — они позволяют видеть изображение на длине волны от 650 до 1400 нм.
- Приборы ночного видения на основе электронно-оптического преобразователя (ЭОП), которые используют активную ближнюю инфракрасную подсветку.
- Спектрометры ближнего ИК-диапазона — например, NIR-512 с охлаждаемым детектором, который используется для измерения характеристик перестраиваемых лазеров
2. Средний инфракрасный диапазон (MWIR)
Средний инфракрасный диапазон (MWIR) — это область инфракрасного спектра, охватывающая излучение с длинами волн от 3 до 8 микрометров (мкм). MWIR расположен между более короткими длинами волн ближнего инфракрасного диапазона и более длинными — длинноволнового инфракрасного диапазона.
Технология MWIR используется в различных приложениях, например:
- Тепловизионные камеры. Они получают изображения на основе тепла, излучаемого объектами, что применяется в ночном видении, видеонаблюдении и промышленных инспекциях.
- Дистанционное зондирование. MWIR используется для мониторинга окружающей среды, сельского хозяйства и геологических исследований. Некоторые материалы имеют уникальные спектральные характеристики в этом диапазоне, что позволяет их идентифицировать.
- Защита и безопасность. Датчики MWIR применяются в приложениях обороны и безопасности для обнаружения, идентификации и сопровождения целей.
Технические характеристики:
- Связь с температурой. Интенсивность MWIR-излучения, испускаемого объектом, напрямую связана с его температурой.
- Поглощение атмосферными газами. Излучение MWIR частично поглощается атмосферными газами, в частности водяным паром и углекислым газом, что может влиять на производительность датчиков в определённых условиях.
3. Дальний инфракрасный диапазон (FIR)
Дальний инфракрасный диапазон (FIR) — это область инфракрасного спектра электромагнитного излучения, которая охватывает длины волн от 15 мкм (микрометров) до 1 мм.
Особенности дальнего инфракрасного диапазона:
- Соответствует частотному диапазону примерно от 20 ТГц до 300 ГГц.
- Более длинные волны спектра FIR перекрываются с диапазоном терагерцевого излучения.
Дальний инфракрасный диапазон используется в различных областях, например:
- Астрономия. Инфракрасные телескопы позволяют наблюдать за небесными объектами, определять протозвёзды и различать прохладные объекты.
- Тепловидение. Камеры, чувствительные к инфракрасному излучению, используются для обнаружения и изображения нагретых объектов.
- Метеорология. Спутники делают инфракрасные изображения, по которым определяют высоту облаков, температуру поверхности воды и земли.
- Промышленность. ИК-излучение используют для сушки и нагрева материалов и изделий.
Источники дальнего инфракрасного излучения:
- Солнце. Около 50% его излучения лежит в ИК-области.
- Инфракрасные лампы. Они используются для обогрева помещений, сушки и нагрева предметов.
- Газовые излучатели. Например, на основе инфракрасного газового излучения (углекислый газ, азот или аргон).
ИК-анализаторы – приборы, которые для анализа проб используют инфракрасное излучение.
Работа ИК-спектрометра:
- Источник излучения испускает инфракрасное излучение
- При помощи Монохроматора из инфракрасного излучения выделяется определенная длина волны. Она проходит через Оптическую систему (система зеркал и делителя луча)
- Волна проходит через пробу
- При помощи Приемника излучения (детектор) происходит регистрация поглощенного пробой или отраженного от пробы ИК излучения
- Данный сигнал преобразуется Компьютером. Проводится расчет итогового значения (ИК спектр)
ИК-Фурье спектрометр
Данный тип анализаторов имеет Фурье-преобразователь, который позволяет проводить анализ сразу нескольких показателей
Превосходство ИК-анализа:
- Видоспецифическое определение веществ. Разные вещества имеют свои структуры, поэтому каждое вещество по-своему реагирует на возбуждение, формируя характерный только для него спектр. Таким образом, у каждого вещества спектр поглощения индивидуален, как и отпечатки пальцев у человека
- Не требуются реактивы
Для Фурье спектрометров:
- Можно определить, как спектр одного конкретного вещества, так и суммарный спектр смеси (несколько веществ)
- И наоборот, из суммарного спектра мы можем вычесть известные нам спектры и получить спектр неизвестного вещества
Преимущество дорогих ИК-анализаторов над дешевыми:
- Источник излучения (Лампа) должен соответствовать требуемому диапазону длины волны
- Для анализа в диапазоне 400–2500 нм (ближняя ик-область) применяются Вольфрамовые лампы
- Для анализа в диапазоне 2–25 мкм (средняя ик-область) применяются Керамические излучатели
- Для анализа до 25000 нм (широкий спектр) применяются Штифты Нернста и глобары
- Спектральная стабильность и разрешение источника излучения
- Лампа должна испускать стабильное излучение - критична для воспроизводимости результатов
- Диапазон испускания длин волн лампы должен соответствовать диапазону восприятия детектора
- Детектор ИК-анализатора должен обладать следующими характеристиками
- Чувствительность. Диапазон длин волн восприятия детектора должен соответствовать диапазону испускания лампы
- Детектируемость. Детектор обнаруживает слабые сигналы в присутствии постороннего шума
- Стабильность и надёжность. Учитывают стабильность и надёжность детектора с течением времени и в различных условиях окружающей среды.
- Калибровки ИК-анализатора должны выдавать стабильные результаты с минимальными погрешностями
Как создаются точные калибровки для анализа зерна?
- Нужно собрать достаточное количество образцов с разными возможными значениями показателей, где будет максимальная вариативность.
- Провести анализ этих образцов стандартизированным методом (ГОСТ) на каждый показатель, который мы хотим, чтобы выдавал наш ИК-анализатор
- Когда мы знаем референтные значения показателей, мы снимаем их спектр
- Обучаем наше программное обеспечение какие спектры каким значениям соответствуют
‼️Бесплатная консультация по всем вопросам касательно подбора и поставки необходимого лабораторного оборудования 👉 у специалистов КОЛБЫ
📞 +7 473 200 9136
📩 info@kolba24.ru