Аннотация
Буй Т. А., Шаповалов В. В., Шаповалова Т. В. – Компьютерная система управления инфракрасным спектрофотометром SPECORD 75 IR. Для исследования продуктов пиролиза органического сырья с целью получения активных углей разработана и практически реализована компьютерная система управления и сбора спектральной информации на базе спектрофотометра SPECORD 75 IR. В разработке использован модуль аналогового ввода МВА 8 и программа управления MasterScada.
Инфракрасная спектроскопия (ИК-спектроскопия) по своей информационной значимости занимает одно из первых мест при исследовании газообразных, жидких и твердых веществ наряду с масс-спектрометрией, ядерным магнитным резонансом и рентгеноструктурным анализом. При получении сопоставимой информации стоимость инфракрасных спектрофотометров, при относительно высокой стоимости, в несколько раз, а иногда и на порядки, меньше приборов вышеперечисленных методов. По этой причине ИК-спектрофотометры являются необходимыми и, относительно, доступными приборами химических, биологических и экологических лабораторий [1]. ИК спектры обусловлены внутримолекулярным колебаниям атомов, связанных химическими связями в молекулярные структуры [2]. Метод ИК-спектроскопии основан на поглощении ИК-излучения атомами и функциональными группами составляющих молекулы вещества.
Зависимость интенсивности поглощенного излучения от длины волны воздействующего на вещество света представляет собой спектр, в данном случае ИК-спектр. Практически ИК-спектр представляют в координатах волновое число?интенсивность. Поглощение излучения происходит, когда разность энергии между разными состояниями взаимодействующей системы атомов совпадает с энергией излучения, в результате чего молекула переходит в некоторое возбужденное состояние.
В молекулярной структуре можно выделить различные уровни энергии, обусловленные колебаниями атомов вдоль химической связи: валентные – симметричные и антисимметричные, деформационные, связанные с изменением углов между атомами – ножничные, маятниковые, веерные, крутильные. Кроме того в спектрах проявляются слабоинтенсивные обертоны, объясняемые моделью ангармонического осциллятора. Особенностью взаимодействия ИК излучения с веществом является то, что одинаковые функциональные группы «проявляют» себя при примерно при одинаковых длинах волн независимо от того в состав каких молекул они входят, что привело к появлению представления о групповых колебаниях значительно облегчающих идентификацию веществ. Так, например связь С?Н проявит себя полосой поглощения около 3000 см-1. В основном молекулы разных сложных веществ имеют полосы поглощения в диапазоне волновых чисел 4000-400 см-1. Чем сложнее вещество, тем больше полос поглощения будет в его ИК-спектре.
ИК спектрофотометры, в которых информация о поочередно, вырезаемых щелью спектральных интервалах регистрируется последовательно во времени, называют сканирующими и энергия излучения воспринимается одноканальным приемником. Безусловно, сканирующие приборы уступают по функциональным возможностям ИК-спектрфотометрам с преобразованием Фурье [3], но для большинства обычных исследований вполне применимы. Высокая разрешающая способность Фурье приборов по волновому числу становится бесполезной при работе с конденсированными системами, где тепловой шум, например, кристаллической решетки, может значительно превышать разрешающую способность прибора. К сканирующим приборам относится SPECORD 75 IR (Carl Zeiss), который отличается прекрасной оптической и механической частями, но обладает по нынешнему временинеудовлетворительным представлением и хранением результатов. На рис.1 представлены компоненты разрабтанной нами программы управления ИК-спектрофотометром, которая включает сбор информации с модуля МВА8, расчет волнового числа и его калибровка, расчет интенсивности полос поглощения, организация вывода твердой копии спектра, сохранение графической и числовой информации в в виде двух типов файлов.
Рисунок 1 – Блок программы контроля и управления SPECORD 75 IR
Измерительная информация об интенсивности полос поглощения снималась с аналогового выхода спектрофотометра, а исходная информация для расчета волнового числа – с прецизионного многооборотного потенциометра, подключенного с механизму развертки спектра. На рис.2 представлен интерфейс программы управления и сбора информации. В центре располагается графическое окно, на котором отражается записываемый ИК-спектр. Соответствующие управляющие компоненты интерфейса позволяют осуществить создание файлов с сохранением информации в виде таблиц и графиков Excel, а также отчетов MasterScada, в которых реализуется выборка максимумов полос поглощения. Визир волнового числа позволяет получить численную информацию о положении полос поглощения и их интенсивности в процессе съемки спектра. Предусмотрены режимы перехода системы управления в режим калибровки волновых чисел, настройки диапазона измерений.
Рисунок 2 – Интерфейс программы управления ИК-спектрофотометром
В заключении следует отметить, что разработанная программа управления и соответствующий интерфейс вполне могут быть использованы и для использования в других исследовательских установках, где необходимо в получение информации в координатах Х-Y., причем в интерфейсе достаточно изменить лишь название элементов, а количество информационных каналов практически не ограниченио.
Список использованной литературы
1. К. Накамото. ИК спектры и спектры КР неорганических и координационных соединений. М.: Мир, 1991. – 536 с.
2. В. Шмитд. Оптическая спектроскопия для химиков и биологов. М.: Техносфера, 2007. – 368 с
3. Б. Н. Тарасевич. Основы ИК спектроскопии с преобразованием Фурье. Подготовка проб в ИК спектроскопии. М.: МГУ, 2012. – 22 стр.