khimie.ru

На заре развития спектроскопических методов анализа один и тот же спектрометр использовали для исследований в инфракрасной, видимой и ультрафиолетовой областях. Для этого приходилось менять источник излучения, а при наблюдениях в видимом и ультрафиолетовом диапазонах твердые образцы помещали в кюветы, изготовленные из хлорида натрия. Принцип же работы прибора оставался без изменения. Свет от источника излучения проходит через исследуемый образец и достигает регистрирующего устройства. По пути излучение через входную щель попадает во вращаемый монохроматор, где происходит разложение света и с помощью выходной щели выделяется излучение определенной длины волны. С того времени, когда ИК-спектроскопия начала делать первые шаги, химики прилагают все усилия для того, чтобы свести к минимуму ослабление интенсивности излучения, что сильно снижает предел обнаружения спектроскопических методов. По пути от источника к детектору свет теряет много энергии и часть потерь происходит при отсекании светового потока щелью монохроматора.

У конструкторов родилась идея вообще отказаться от применения щелевого монохроматора и «призвать» на помощь математиков. В математике существует прием, известный под названием преобразования Фурье, который позволяет получить спектр образца путем математической обработки спектра образца, полученного при использовании не разложенного света. Основы метода были разработаны уже давно, но до последнего времени применить на практике его не удавалось, потому что все расчеты проводились вручную и занимали очень много времени. Так, расчет одного-единственного спектра был делом непрерывной многолетней работы. Внедрение компьютеров коренным образом изменило положение.

ЭВМ не только взяли на себя работу по расчету спектров и хранению накопленных спектров в памяти, но и значительно облегчили химикам интерпретацию полученных спектроскопических данных. В частности, появилась возможность обходиться очень малыми количествами образцов или работать с образцами, содержащими исследуемый компонент в небольших концентрациях. Изучать такие образцы на обычных приборах сложно, так как интенсивность полос поглощения в спектрах очень низка и их трудно различить на фоне многочисленных «шумов» спектрометра.

Появление шумов связано с регистрацией посторонних эффектов, которые не имеют никакого отношения к свойствам исследуемого образца. Такие эффекты могут быть вызваны совершенно случайными процессами, например колебанием напряжения в сети или воздушными потоками. При конструировании и изготовлении прибора можно предусмотреть устройства, снижающие влияние шумов, однако полностью исключить их воздействие не удается.

По мере совершенствования техники эксперимента влияние шумов в общем-то снижается. Однако одновременно усложняются и задачи, которые необходимо решать, например, криминалистам. Так, бывают ситуации, когда чрезвычайно важные для следствия материалы поступают на экспертизу в химическую лабораторию буквально в микро­скопических количествах; вот химикам и приходится ломать голову над тем, что же все-таки означают сигналы, практи­чески не отличимые от шумов (рис. 1).

 Рис. 1. Спектр, неразличимый из-за сильного фона

Здесь как раз и необходима помощь ЭВМ. Если многократно прописывать один и тот же спектр от крохотного образца, то едва различимые сигналы будут накапливаться в памяти компьютера. В результате спектральные линии исследуемого образца будут появляться в одних и тех же местах спектра и их интенсивность постепенно возрастать. В то же время пики от шумов, возникающих случайно, будут то накладываться, то гасить друг друга. В конечном счете, фоновые колебания могут быть отсечены, а интенсивность спектральных линий образца возрастет и сам спектр поддастся расшифровке (рис. 2).

 Рис. 2. Спектр, показанный на рис. 1, после 500-кратного интегрирования.

ЭВМ понадобилась химику и при расшифровке спектроскопических данных. Так, полученный спектр можно сравнить со спектром, который хранится в памяти компьютера, путем вывода обеих картин на экран дисплея. Предположим, что визуальное сравнение спектров не позволяет сделать однозначный вывод. Тогда один спектр можно вычесть из другого и, если оба вещества окажутся идентичными, на экране появится нулевая линия. Даже если полученный спектр зарегистрирован при исследовании не одного индивидуального соединения, а смеси, из памяти ЭВМ можно вызвать спектры отдельных ее компонентов. Зная соотношение этих компонентов в смеси, можно путем математических преобразований построить еще один спектр и срав­нить вычисленный спектр с зарегистрированным.