Волоконные зонды для ИК-Фурье спектрометрии

На основе новых кристаллов и нанокристаллическихИК-световодов [82, 83] автором совместно с коллегами разработаны зонды для ИК-Фурье спектрометрии: зонд с петлей, зонд с зеркалом, зонд с алмазом; волоконно-оптическая приставка.

Изготовленные зонды были протестированы на ИК-Фурье спектрометре Shimadzu IRPrestige-21 (рис. 5.61). Результаты испытаний показали возможность использования всех типов зондов для работы с жидкими, газообразными и твердыми образцами в спектральном диапазоне от 1,28 до 15,38 мкм. Верхний длинноволновый диапазон в данном случае занижен по сравнению с максимально возможным, поскольку наибольшая чувствительность при количественном определении содержания веществ методом ИК-спектроскопии достигается при использовании в спектрометре KPT-детектора, рабочий диапазон которого как раз ограничен длиной волны 15,38 мкм.

1 2 Рис. 5.61. Оптоволоконный зонд с петлей для ИК-Фурье спектрометра (1); ИК-зонд в действии (2).

Погрешность измерения содержания ацетона в смеси (х) при 1% < х < 100% в наихудшем случае близка к 1% (табл. 5.16), тогда как при х < 1% погрешность возрастает до значений более 10%. Эти данные были получены для одинарной петли (датчик зонда), при этом минимальная детектируемая концентрация ацетона составила 4,1−10 ² моль/л.

Рис. 5.62. Участок ИК-спектра поглощения смеси «ацетон — этиловый спирт», соответствующий поглощению группы С=0 — 33,3% (1); ацетона; - 9,09 % (2) ацетона; - 0,66% ацетона (3).

Таблица 5.16

Погрешность определения содержания ацетона в «неизвестных» образцах

Далее представлены экспериментальные результаты определения количественного содержания ацетона в спирте (рис. 5.62, 5.63) с использованием изготовленного оптоволоконного зонда. Методика эксперимента заключалась в том, что по ряду калибровочных растворов с известным содержанием ацетона строили калибровочую кривую в программном обеспечении ИК-спектрометра, после чего определяли заранее известные концентрации растворов, содержание ацетона (х) в которых находилось в трех диапазонах: 0% < х < 1%, 1% < х < 10%, 10%<�д:< 100%.

Рис. 5.63. Калибровочная кривая системы «ацетон — этиловый спирт»; г = 0,999 975.

Поскольку действие зонда-петли основано на эффекте эванэсценции — частичного вытекания мод за пределы материала световода и их последующего возвращения — в той части датчика, которая имеет искривление, логичным является предположение, что увеличение площади поверхности петли должно привести к увеличению интенсивности получаемого аналитического сигнала. Для подтверждения данного предположения была изготовлена двойная петля, на которой сняли спектр минимально определявшегося одинарной петлей количества ацетона — 4,1 • 10 ² моль/л. Эксперимент показал усиление интенсивности в 2,5 раза на пике С=0 группы. При этом минимальная детектируемая концентрация снизилась до 1,1 • 10 ² моль/л. Результаты измерений по волновому числу 1709,21 см⁴ приведены на рис. 5.64.

Также проведен эксперимент по определению чувствительности при анализе раствора трикарбонил-циклооктотстрасна железа в этиловом спирте. Минимально определенная концентрация C₈H₈Fe (CO)₃ — 0,003 моль/л (рис. 5.65.).

Рис. 5.64. Сравнение интенсивности полос поглощения зондов с одинарной и двойной петлей в системе «ацетон — этиловый спирт» при определении 0,33 об. % ацетона.

Рис. 5.65. Спектры поглощения раствора C_sH_sFe (CO)₃ в этиловом спирте, снятые на двойной петле Согласно проведенному эксперименту, с помощью новых оптоволоконных зондов возможно определение количественного содержания органических веществ (на примере ацетона) до уровня десятых долей процента с точностью до 0,5%. Конструкция и комплектующие зонда могут меняться в зависимости от характеристик образца и рабочей среды (агрессивность, температура, агрегатное состояние): зонды с алмазной призмой позволяют работать с сыпучими, жидкими и пастообразными образцами при высоких температурах и агрессивности; зонды с зеркалом и петлей применимы для анализа жидкостей при средних и нормальных температурах и минимальной агрессивности среды (рис. 5,66; 5.67).

Агрессивность исследуемой среды

Рис. 5.66. Типы зондов, необходимые для анализа образцов в различных агрегатных состояниях и степенью агрессивности.

Рис. 5.67. Сборка инфракрасных волоконно-оптических систем.