PRODUKTNA NOVICA: Osnove delovanja bližnjih infrardečih spektrometrov

V osnovi obstajata dva glavna tipa spektrometrov, t.i. disperzni (tudi monokromatski), ki najpogosteje uporabljajo uklonsko mrežico oziroma prizmo, in t.i. Fourier-transform (FT), ki uporabljajo interferometer.

V disperznem spektrofotometru izvor svetlobe seva svetlobo različnih valovnih dolžin, katero se nato vodi na uklonsko mrežico ali prizmo. Na tej se svetloba razkloni na posamezne valovne dolžine. Vzorec postavimo tako, da ga zadane le del razklonjenega žarka, torej le svetloba določenih valovnih dolžin. S premikanjem uklonske mrežice oziroma prizme lahko nato vzorec obsijemo s preostalimi valovnimi dolžinami svetlobe (slika 1).

Ker je premikanje uklonske mrežice pogosto dolgotrajno in predstavlja edini premični del instrumenta, se veliko proizvajalcev instrumentov odloči samo za izbor določenega območja valovnih dolžin in detektor, ki lahko beleži odziv na več pozicijah hkrati (t.i. PDA detektor, angl. Photo Diode Array). To omogoči beleženje celotnega dela zožanega spektralnega območja hkrati. Meritve so tako hitre, pridobimo pa jih brez uporabe premičnih delov.

Od izbire uklonske mrežice oziroma prizme in detektorja je odvisna tudi resolucija sistema, ki pa je fiksna in je ni mogoče spreminjati. Po navadi je izbrana resolucija tista, ki je najustreznejša za izvedbo analiz – kar v bližnji infrardeči spektroskopiji pogosto pomeni, da je resolucija relativno slaba, saj za merjenje vzorcev ne potrebujemo visoke resolucije. Višja resolucija je predvsem pomembna in zaželjena za umerjanje abscisne osi instrumenta.

Kljub temu, da spektrofotometer ne obsega premikajočih se delov, pa le ti niso popolnoma nedovzetni za spremembe – materiali se malenkost spreminjajo s temperaturo, časom, ipd. Zato ti spektrofotometri še vedno izkazujejo t.i. drsenje v rezultatih (angl. Drift). Drsenje v rezultatih se odraža tako, da s časom vsi pridobljeni rezultati vračajo višje oz. nižje vrednosti od pravih. V daljšem času se seveda razvije tudi večja napaka. Po navadi gre samo za konstantno napako, katero zlahka korigiramo -  analiziramo referenčni vzorec z znanimi vrednostmi in vnesemo ustrezen korekcijski faktor. Težavi v drsenju rezultatov sta v glavnem dve:

• nikoli ne vemo, kdaj rezultatom več ne moremo zaupati, oziroma do katere mere jim lahko zaupamo,
• strošek ter čas, ki je povezan z umerjanjem z referenčnim vzorcem.

Nekateri proizvajalci tovrstnih tipov sistemov tako instrumente umerjajo vsaj nekajkrat letno, nekateri pa so celo vgradili mehanizme za avtomatizirano korekcijo na časovni interval (npr. 2 uri).

Tovrstni instrumenti so pogosto bolj namenske narave – izbrano ožje območje je odvisno od vzorca do vzorca, prav tako je od vzorca do vzorca odvisna optimalna resolucija. Prav tako so ti instrumenti zaradi enostavnejše zasnove praviloma cenovno ugodni in prostorsko majhni.

Slika 1: Shematski prikaz delovanja enostavnega disperznega spektrofotometra

V Fourier-transformirajočem spektrometru izvor prav tako seva svetlobo različnih valovnih dolžin, vendar svetlobo namesto na uklonsko mrežico vodimo na delilnik žarka, ki žarek svetlobe razdeli na dva enakovredna snopa. Ta dva snopa nato vodimo do različno oddaljenih ogledal (vsaj eno ogledalo je premično) in usmerjeno tako, da se žarka ponovno združita na delilniku žarka. Ker ima svetloba lastnosti valovanja pride pri ponovnem združenju žarkov (t.j. interakciji med žarkoma) do interference, konstruktivne ali destruktivne, signal se posledično v odvisnosti od položaja ogledal ojača ali oslabi. Žarek svetlobe nato vodimo na vzorec in potem na detektor (slika 2). Iz signala na detektorju in pozicije ogledal lahko nato s pomočjo matematičnih operacij (t.i. Fourier transformacije) podatke pretvorimo v spekter vzorca. S FT spektrometrom tako z vsako meritvijo posnamemo celotno spektralno območje.

Slika 2: Shematski prikaz delovanja Michelsonovega interferometra

Fourier-transformirajoči instrumenti tako vsebujejo premični del, torej interferometer, ki je srce instrumenta. Da se kar čimbolj zmanjša vpliv raznih premikov in sprememb na snop svetlobe, nekateri proizvajalci uporabljajo zrcala, ki so sestavljena kot notranji rob kocke (angl. cube corner mirrors), katera so neobčutljiva na manjše vibracije, premike, spremembe (slika 3). Na ta način kljub premičnemu delu v instrumentu lahko dosežejo tudi trajno kalibracijo sistema – in s tem instrument tudi ne izkazuje drsenja v rezultatih, rezultatom tako lahko venomer zaupamo. Nekateri proizvajalci namesto ogledal v interferometru uporabljajo premikajoč kristal trikotne oblike, odvisno od pozicije tega kristala je torej odvisna debelina kristala, skozi katerega potuje svetloba, in s Fourier-jevo transformacijo teh podatkov pridobimo spekter.

Slika 3: Shematski prikaz odboja svetlobe od ravnega zrcala (levo) in zrcala, sestavljenega kot notranji rob kocke (desno).

Za zagotavljanje dolgih življenjskih dob premičnih delov se pogosto proizvajalci obvežejo tudi k dolgim garancijskim dobam – npr. podjetje Bruker ponuja 10-letno garancijsko dobo na premične dele interferometra.

Od prepotovane poti premičnega zrcala (oz. premičnih zrcal) je odvisna spektralna resolucija. To pomeni, da z isto konfiguracijo sistema lahko dosežemo različne resolucije, oziroma si za merjenje vzorca izberemo poljubno resolucijo. Prav zaradi spremenljive resolucije pa lahko zlahka umerimo tudi abscisno os teh spektrometrov, saj lahko za umerjanje uporabimo veliko boljšo resolucijo, kot bi bila smiselna za merjenje vzorcev. To je pomembno predvsem, ko želimo kalibracije iz enega instrumenta prenesti na drugega – saj se morajo instrumenti obnašati čimbolj enako.

Dodatna razlika med FT in disperznimi instrumenti je potreba FT instrumentov po laserju. Laser ti instrumenti potrebujejo zato, da iz njegovega signala izračunajo položaj zrcala v vsakem trenutku. Dandanes se v instrumentih uporabljajo laserji z zelo dolgimi življenjskimi dobami, prav tako se nanje ponujajo dolge garancijske dobe (npr. 10 let).

Glavni prednosti disperznih infrardečih spektrofotometrov sta predvsem praviloma nižji strošek nakupa (pogosto z več vzdrževalnimi stroški zaradi umerjanja) in prostorsko manjši sistem. Glavne prednosti FT spektrometrov pa so izboljšana točnost v x-osi, boljša dolgotrajna stabilnost (mogoča je tudi trajna kalibriranost sistema), spremenljiva resolucija in podatek o celotnem območju infrardeče svetlobe v eni meritvi, hkrati. Prav zaradi slednjih dveh prednosti imajo FT spektrometri širšo aplikativnost. Z njimi lahko tako z enim spektrometrom analiziramo vse tipe vzorcev – tekoče, trdne, motne, bistre, … medtem ko so disperzni sistemi pogosto namenski in primerni za analizo ožjega nabora vzorcev.

Na spodnjih povezavah predstavljamo nekaj možnih načinov uporabe Brukerjevih FT-NIR spektrometrov. V osnovi se portfolio deli zgolj na instrumente namenjene delu v laboratorijskemu okolju (Tango-R/T in MPAII) in instrumente namenjene procesnim aplikacijam (MatrixF-II in BEAM).