푸리에 변환 분광법

푸리에 변환 분광법은 방사선의 시간 영역 또는 공간 영역 측정을 사용하여 방사선원의 일관성 측정에 기초하여 스펙트럼을 수집하는 측정 기법이다. 전자기적 또는 전자기적 또는 비자기적 방사선의 시간 영역 또는 공간 영역 측정을 사용한다.광학분광학, 적외선분광학(FTIR, FT-NIRS), 핵자기공명분광학(NMR), 자기공명분광학(MRSI),^[1] 질량분석학, 전자스핀공명분광학 등 다양한 유형의 분광학에 적용할 수 있다.

빛의 시간적 일관성을 측정하는 방법에는 연속파 및 펄스 푸리에 변환 분광계 또는 푸리에 변환 분광계를 포함한 여러 가지가 있습니다(장 자동 상관 참조)."Fourier-transform Spectroopy"라는 용어는 이러한 모든 기술에서 원시 데이터를 실제 스펙트럼으로 변환하기 위해 푸리에 변환이 필요하며 간섭계를 포함하는 광학의 많은 경우 Wiener-Kinchin 정리에 기초하고 있다는 사실을 반영한다.

개념 소개

방출 스펙트럼 측정

분광학에서 가장 기본적인 작업 중 하나는 광원의 스펙트럼을 특징짓는 것이다: 각각의 다른 파장에서 얼마나 많은 빛이 방출되는가.스펙트럼을 측정하는 가장 간단한 방법은 특정 파장의 빛을 제외한 모든 빛을 차단하는 장치인 흑백기를 통과하는 것입니다(차단되지 않은 파장은 흑백기의 노브로 설정됩니다).그런 다음 이 남은 (단파장) 빛의 강도가 측정됩니다.측정된 강도는 그 파장에서 얼마나 많은 빛이 방출되는지를 직접적으로 나타냅니다.단색기의 파장 설정을 변경함으로써 풀 스펙트럼을 측정할 수 있다.이 간단한 도식은 사실 일부 분광계가 어떻게 작동하는지 설명합니다.

푸리에 변환 분광법은 동일한 정보를 얻는 덜 직관적인 방법입니다.이 기술은 한 번에 하나의 파장만 검출기에 통과시키는 것이 아니라 많은 다른 파장의 빛을 포함한 빔을 한 번에 통과시켜 총 빔 강도를 측정합니다.다음으로 빔은 파장의 다른 조합을 포함하도록 수정되어 제2의 데이터 포인트를 부여한다.이 과정은 여러 번 반복됩니다.그 후, 컴퓨터는 이 모든 데이터를 가지고 각각의 파장에 얼마나 많은 빛이 있는지 추론하기 위해 역방향으로 작동한다.

좀 더 구체적으로 말하면, 광원과 검출기 사이에는 (파장 간섭으로 인해) 일부 파장은 통과시키지만 다른 파장은 차단하는 특정 미러 구성이 있다.빔은 미러 중 하나를 이동하여 새 데이터 포인트마다 수정됩니다. 이렇게 하면 통과할 수 있는 파장 세트가 변경됩니다.

전술한 바와 같이, 가공되지 않은 데이터(미러 위치별 광도)를 원하는 결과(파장별 광도)로 변환하기 위해서는 컴퓨터 처리가 필요하다.필요한 처리는 푸리에 변환이라고 불리는 일반적인 알고리즘으로 판명되었습니다(따라서 "푸리에 변환 분광학"이라고 부릅니다).원시 데이터를 "간섭도"라고 부르기도 합니다.기존의 컴퓨터 기기 요건과 매우 적은 양의 물질을 분석할 수 있는 빛의 능력 때문에 샘플 준비의 많은 측면을 자동화하는 것이 종종 유리합니다.샘플을 더 잘 보존할 수 있고 결과를 더 쉽게 복제할 수 있습니다.예를 들어, 이 두 가지 혜택은 약물 ^[2]검체와 같은 나중에 법적 조치를 수반할 수 있는 테스트 상황에서 중요하다.

흡수 스펙트럼 측정

푸리에 변환 분광법은 흡수 분광법에도 사용할 수 있다.주된 예는 화학의 일반적인 기술인 "FTIR 분광법"이다.

일반적으로 흡수 분광법의 목적은 샘플이 각각의 다른 파장에서 빛을 얼마나 잘 흡수하거나 전달하는지를 측정하는 것입니다.흡수 분광법과 발광 분광법은 원리는 다르지만 실제로는 밀접한 관련이 있다. 발광 분광법을 위한 모든 기술은 흡수 분광법에도 사용될 수 있다.첫째, 광대역 램프의 방출 스펙트럼을 측정한다(이를 "배경 스펙트럼"이라고 한다).둘째, 시료를 통해 빛나는 동일한 램프의 발광 스펙트럼을 측정한다(이것을 "시료 스펙트럼"이라고 한다).샘플은 빛의 일부를 흡수하여 스펙트럼이 달라지게 한다."표본 스펙트럼" 대 "배경 스펙트럼"의 비율은 표본의 흡수 스펙트럼과 직접 관련이 있다.

따라서, 「Fourier-transform Spectroopy」의 기술은, 발광 스펙트럼(예를 들면 별의 발광 스펙트럼)과 흡수 스펙트럼(예를 들면 액체의 흡수 스펙트럼)의 양쪽 모두를 측정할 수 있다.

연속파 Michelson 또는 푸리에 변환 분광기

Michelson 분광기는 Michelson-Morley 실험에 사용된 기기와 유사하다.광원으로부터의 빛은 반실버 미러에 의해 2개의 빔으로 분할됩니다.하나는 고정 미러에 반사되고 다른 하나는 가동 미러에 반사되어 시간 지연이 발생합니다.푸리에 변환 분광계는 가동 미러를 가진 Michelson 간섭계일 뿐입니다.빔이 간섭하여 각 시간 지연 설정에서 빛의 시간적 일관성을 측정할 수 있으므로 시간 영역을 공간 좌표로 효과적으로 변환합니다.가동 미러의 많은 이산 위치에서 신호를 측정함으로써 빛의 시간적 일관성의 푸리에 변환을 사용하여 스펙트럼을 재구성할 수 있다.Michelson 분광기는 매우 밝은 선원의 매우 높은 스펙트럼 분해능 관측을 할 수 있다.미켈슨 또는 푸리에 변환 분광기는 적외선 천문학에 단화소 검출기만 있던 시기에 적외선 애플리케이션에 널리 사용되었습니다.Michelson 분광계 이미징이 가능하지만 일반적으로 구성하기 쉬운 Fabry-Péro 계측기로 대체되었다.

스펙트럼 추출

$간섭계{\displaystyle }$p(\$displaystyle$ p$)$ 및$$ 파수${\displaystyle \stackrel{}{}}\delta {\displaystyle \stackrel{}{}}$ ~ $=$ /$$(\$displaystyle {\nu$ }}= $1/\displayda)$의 경로 길이 차이(지연이라고도 함)의 함수로서의 강도는 다음과 같습니다.

${\displaystyle I(p,\tilde {nu }}}}=I({\tilde\nu }}[1+\cos\left(2\pi)],}$

${\displaystyle 여기}$서 I${\displaystyle (}$ ${\displaystyle \stackrel{}{~}}$~$$)({$style$ I$(\$tilde {\$nu }})$는 결정되는 스펙트럼입니다.I${\displaystyle }$( ${\displaystyle \stackrel{}{~}}$ ~$$) { $displaystyle$ I ( { \ $tilde${ $nu }$ } )는 간섭계 전에 샘플로 변조할 필요가 없습니다.실제로 대부분의 FTIR 분광계는 광학 경로에서 간섭계 다음에 샘플을 배치합니다.검출기의 총 명암은

${\displaystyle {begin{aligned}I(p)&=left(p,\int _{0}^{\infty})I(p,{\tilde {nu }}}dilde(\nu }}\right)\\&=\left(p,\int _{0}^{\infty}}I({\tilde {nu }})[1+\cos(2\pi {nu }}p)], ddd(\tilde {nu }}}}\text{\text{})}p의 원하는 모든 값.\end { aligned}}$

이것은 푸리에 코사인 변환일 뿐입니다.측정량${\displaystyle }I{\displaystyle }$ (${\displaystyle p}$ $)\displaystyle$I ($p$의 관점에서 원하는 결과를 얻을 수 있습니다.

${\displaystyle I({\tilde {nu }}=4\int _{0}^{\infty}\left[I(p)-{\frac {1}{2}}\right]\cos(2\tilde {nu }}p), dp}.$

펄스 푸리에 변환 분광계

펄스 푸리에 변환 분광계는 투과율 기술을^{[definition needed]} 사용하지 않는다.펄스 FT 분광법의 가장 일반적인 설명에서 샘플은 주기적인 응답을 일으키는 통전 이벤트에 노출된다.분광계의 필드 조건에 따라 주기적인 응답 주파수는 분석 물질의 측정된 특성을 나타냅니다.

펄스 푸리에 변환 분광법의 예시

자기분광학(EPR, NMR)에서는 강한 주위 자기장에서의 마이크로파 펄스(EPR) 또는 무선주파 펄스(NMR)를 통전 이벤트로 사용한다.이로 인해 자분이 주변 장으로 비스듬히 회전하여 회전합니다.그러면 회전 속도가 검출기 코일에 주기적인 전류를 유도합니다.각 스핀은 분석 물질에 대한 정보를 나타내는 고유한 회전 빈도(전계 강도에 상대적인)를 나타냅니다.

푸리에 변환 질량 분석에서 통전 이벤트는 사이클로트론의 강한 전자기장에 하전된 샘플을 주입하는 것입니다.이 입자들은 원을 그리며 이동하며 원의 한 점에 고정된 코일에 전류를 유도합니다.각 이동입자는 시료 내의 질량을 나타내는 특징적인 사이클로트론 주파수장비를 나타낸다.

자유 유도 붕괴

펄스 FT 분광법은 유사하지만 별개의 신호 세트를 쉽게 디콘볼루션할 수 있는 단일 시간 의존 측정이 필요하다는 장점을 제공합니다.그 결과 발생하는 복합신호는 자유유도감쇠라고 불리는데, 이는 일반적으로 샘플 주파수의 불균형으로 인해 신호가 감쇠하거나 측정되는 성질의 엔트로피 손실로 인해 회복 불가능한 신호의 손실이 발생하기 때문입니다.

펄스원에 의한 나노스케일 분광법

펄스 선원은 근접장 광학 현미경 기술을 스캔할 때 푸리에 변환 분광법 원리를 사용할 수 있게 한다.특히 나노 크기의 공간 분해능을 가진 샘플의 스펙트럼 분석을 위해 날카로운 프로브 팁으로부터의 산란을 사용하는 나노-FTIR에서 펄스 적외선 레이저로부터의 고출력 조명은 ^[4]프로브의 비교적 작은 산란 효율(종종 1% 미만)을 보충한다.

푸리에 변환 분광계의 정상 형태

푸리에 변환 분광계의 주사 형태 외에 정지 또는 ^[5]자가 주사 형태가 다수 있습니다.간섭계 출력의 분석은 일반적인 스캔 간섭계의 분석과 비슷하지만 공개된 분석에서 보듯이 상당한 차이가 적용됩니다.일부 고정 형태는 Felgett 다중 장점을 유지하며, 검출기 소음 한계가 적용되는 스펙트럼 영역에서의 사용은 FTS의 스캔 형식과 유사하다.광자 잡음 제한 영역에서 정상 간섭계의 적용은 스펙트럼 영역 및 적용에 대한 특정 고려사항에 의해 결정된다.

펠렛 어드밴티지

푸리에 변환 분광학의 가장 중요한 장점 중 하나는 이 방법의 초기 옹호자인 P. B. 펠렛에 의해 나타났다.다중 원리로도 알려진 Felgett 우위성은 측정 노이즈가 검출기 노이즈에 의해 지배될 때 스펙트럼을 획득할 때 푸리에 변환 분광계와 같은 다중 분광계가 신호 대 노이즈를 상대적으로 개선한다고 명시하고 있다.e 등가 주사 단색기와 비교하여 m의 제곱근 순서에 대한 비율. 여기서 m은 스펙트럼을 구성하는 샘플 점의 수.단, 검출기가 샷 노이즈 우위에 있는 경우 소음은 전력의 제곱근에 비례하므로 넓은 박스카 스펙트럼(연속 광대역 선원)의 경우 소음은 m의 제곱근에 비례하므로 Felgett의 장점이 정확하게 상쇄된다.라인 방출원의 경우 상황은 더욱 악화되고 강한 방출 성분으로부터의 샷 노이즈가 세펙트럼의 더 희미한 성분을 압도하기 때문에 분명한 '멀티플렉스 단점'이 있습니다.숏 노이즈는 푸리에 변환 분광법이 자외선(UV)과 가시 스펙트럼에 대해 인기가 없었던 주된 이유이다.

「 」를 참조해 주세요.

레퍼런스

외부 링크

• 푸리에 변환 분광계의 작동 방식 설명
• Michelson 또는 Fourier 변환 분광기
• 인터넷 진동분광학 저널– FTIR 구조
• 푸리에 변환 분광학 주제 회의 및 테이블 상판 전시