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Spectromètre infrarouge
Le spectromètre infrarouge est un instrument qui utilise les caractéristiques d'absorption des substances au rayonnement infrarouge de différentes longueurs d'onde pour analyser la structure moléculaire et la composition chimique.. Un spectromètre infrarouge est généralement composé d'une source lumineuse, un monochromateur, un détecteur, et un système d'information de traitement informatique. Selon les différents appareils spectroscopiques, il peut être divisé en type de dispersion et type d'interférence. Pour le spectrophotomètre infrarouge à balance nulle optique à double chemin optique de type dispersion, lorsque l'échantillon absorbe une certaine fréquence de rayonnement infrarouge, le niveau d'énergie vibratoire des transitions moléculaires, et la lumière de la fréquence correspondante dans le faisceau transmis est affaiblie, aboutissant à une référence. La différence d'intensité entre le trajet lumineux et le rayonnement correspondant du trajet lumineux de l'échantillon, de manière à obtenir le spectre infrarouge de l'échantillon mesuré.
1. Théorie
La partie infrarouge du spectre électromagnétique peut être divisée en lumière proche infrarouge, lumière infrarouge moyenne, et la lumière infrarouge lointaine selon sa relation avec le spectre visible. Lumière infrarouge lointain (à propos 400-10 cm⁻¹) est adjacent aux micro-ondes et a une faible énergie, qui peut être utilisé pour la spectroscopie de rotation. Lumière infrarouge moyenne (environ 4000-400 cm⁻¹) peut être utilisé pour étudier les vibrations fondamentales et les structures rotation-vibration associées. Lumière proche infrarouge à plus haute énergie (14000-4000 cm⁻¹) peut exciter des harmoniques et des vibrations harmoniques. La spectroscopie infrarouge fonctionne sur la base que les liaisons chimiques ont des fréquences différentes en raison des niveaux d'énergie vibratoire. La fréquence de résonance ou de vibration dépend de la forme des surfaces équipotentielles moléculaires, la masse atomique, et finalement le couplage vibratoire associé. Pour que les modes vibrationnels d’une molécule deviennent actifs dans l’infrarouge, il doit y avoir un changement dipolaire permanent. Spécifiquement, dans l'approximation de l'oscillateur harmonique de Born-Oppenheimer, Par exemple, lorsque l'énergie hamiltonienne moléculaire correspondant à l'état fondamental électronique est approchée par un oscillateur harmonique proche de l'état d'équilibre de la géométrie moléculaire, la surface potentielle de l'état fondamental de l'énergie électronique moléculaire est déterminée par le mode d'oscillation naturelle, qui détermine la fréquence de résonance. Cependant, la fréquence de résonance est liée à la force de la liaison et aux masses atomiques aux deux extrémités de la liaison après une approximation. De cette façon, les fréquences de vibration peuvent être associées à des modèles clés spécifiques. Les molécules diatomiques simples n'ont qu'un seul type de liaison, et ça s'étire. Des molécules plus complexes peuvent avoir de nombreuses liaisons, et des vibrations peuvent se produire en conjugaison, entraînant une absorption infrarouge à certaines fréquences caractéristiques pouvant être associées à des groupes chimiques. Le groupe CH₂, que l'on retrouve souvent dans les composés organiques, peut vibrer de six manières: “étirements symétriques et asymétriques,” “balancement de ciseaux,” “balancement à gauche et à droite,” “se balancer de haut en bas,” et “torsion.”
2. Principe
Le diagramme schématique du spectromètre infrarouge à transformée de Fourier, connu sous le nom de spectromètre infrarouge de troisième génération, est le suivant: Il utilise un interféromètre de Michelson pour interférer avec deux faisceaux de lumière infrarouge polychromatique dont la différence de chemin optique change à une certaine vitesse., former une lumière d'interférence, puis interagir avec l'échantillon. Le détecteur envoie le signal d'interférence obtenu à l'ordinateur pour le traitement mathématique de la transformation de Fourier., et restitue l'interférogramme dans un spectre.
3. Classification
Il est généralement divisé en deux catégories: l'un est une numérisation raster, qui est rarement utilisé; l'autre est le balayage de l'interféromètre de Michelson, appelée spectroscopie infrarouge à transformée de Fourier, qui est le plus utilisé. Le balayage du réseau utilise un spectroscope pour diviser la lumière de détection (lumière infrarouge) en deux poutres, un faisceau comme lumière de référence et l'autre faisceau comme lumière de sonde pour irradier l'échantillon. Alors, la longueur d'onde de la lumière infrarouge est séparée par un réseau et un monochromateur, et scanné et détecté un par un. Les intensités des longueurs d'onde sont enfin intégrées dans un spectre. La spectroscopie infrarouge à transformée de Fourier utilise un interféromètre de Michelson pour diviser la lumière de détection (lumière infrarouge) en deux poutres, qui sont réfléchis vers le séparateur de faisceau sur le miroir mobile et le miroir fixe. Les deux faisceaux sont une lumière cohérente à large bande et interféreront. La lumière infrarouge cohérente est irradiée sur l'échantillon, collecté par le détecteur, et les données d'interférogramme infrarouge contenant les informations d'échantillon sont obtenues. Une fois les données transformées de Fourier par l'ordinateur, le spectre infrarouge de l'échantillon est obtenu. La spectroscopie infrarouge à transformée de Fourier présente les caractéristiques d'une vitesse de balayage rapide, haute résolution, répétabilité stable, etc., et est largement utilisé.
4. Champ d'application
– Effectuer l'identification des composés et l'analyse structurelle des composés inconnus.
– Réaliser des analyses quantitatives de composés pour étudier la relation transitoire entre les cinétiques de réactions chimiques, transition cristalline, transition de phase, tension du matériau, et structure.
– Détection continue des processus industriels et de la pollution de l'air.
– Surveillance de la silice libre dans l'industrie charbonnière.
– Santé et quarantaine, pharmacie, nourriture, protection de l'environnement, sécurité publique, pétrole, industrie chimique, revêtement optique, communication optique, science des matériaux, et bien d'autres domaines.
– Détection de l'industrie de la bijouterie, mesure de l'hydroxyle du quartz cristallin, analyse de la composition des polymères, analyse de drogue, etc..
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