DE102018000307B4 - Static Fourier transform spectrometer and a method for operating the static Fourier transform spectrometer - Google Patents
Static Fourier transform spectrometer and a method for operating the static Fourier transform spectrometer Download PDFInfo
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Abstract
Statisches Fourier-Transformations-Spektrometer mit einer Strahlungsquelle (4), die eingerichtet ist, in einem Betrieb des statischen Fourier-Transformations-Spektrometers (1) Infrarotstrahlung zu emittieren, die sich im Betrieb entlang eines Strahlengangs (5) des statischen Fourier-Transformations-Spektrometers (1) ausbreitet, der einen Probenpfad (14) und einen Referenzpfad (15) aufweist, einer Probe (7), die lediglich in dem Probenpfad (14) angeordnet ist und somit im Betrieb eine Wechselwirkung mit der Infrarotstrahlung des Probenpfades (14) eingeht, und einem Interferometerabschnitt (3), der eingerichtet ist, ein Probeninterferogramm (27) des Probenpfades (14) nach der Wechselwirkung mit der Probe (7) und ein Referenzinterferogramm (28) des Referenzpfades (15) zu erzeugen, und einen Detektor (11) aufweist, der eingerichtet ist, das Probeninterferogramm (27) und das Referenzinterferogramm (28) gleichzeitig aufzunehmen, wobei das statische Fourier-Transformations-Spektrometer (1) eingerichtet ist, mittels jeweils einer Fourier-Transformation aus dem Probeninterferogramm (27) ein Probenspektrum (20) und aus dem Referenzinterferogramm (28) ein Referenzspektrum (21) zu ermitteln sowie das Probenspektrum (20) mit dem Referenzspektrum (21) zu korrigieren. Static Fourier transformation spectrometer with a radiation source (4), which is set up to emit infrared radiation during operation of the static Fourier transformation spectrometer (1), which during operation along an optical path (5) of the static Fourier transformation Spreads spectrometer (1), which has a sample path (14) and a reference path (15), a sample (7), which is only arranged in the sample path (14) and thus interacts with the infrared radiation of the sample path (14) during operation and an interferometer section (3), which is set up to generate a sample interferogram (27) of the sample path (14) after the interaction with the sample (7) and a reference interferogram (28) of the reference path (15), and a detector ( 11), which is set up to record the sample interferogram (27) and the reference interferogram (28) at the same time, the static Fourier transformation spectrometer (1) ei It is directed to determine a sample spectrum (20) from the sample interferogram (27) and a reference spectrum (21) from the reference interferogram (28) by means of a Fourier transformation and to correct the sample spectrum (20) with the reference spectrum (21).
Description
Die Erfindung betrifft ein statisches Fourier-Transformations-Spektrometer und ein Verfahren zum Betreiben des statischen Fourier-Transformations-Spektrometers.The invention relates to a static Fourier transformation spectrometer and a method for operating the static Fourier transformation spectrometer.
Bei einem Fourier-Transformations-Spektrometer wird eine Probe mit Infrarotstrahlung bestrahlt. Nach dem Durchgang der Infrarotstrahlung durch die Probe wird die Infrarotstrahlung in zwei Teilstrahlen aufgeteilt und die zwei Teilstrahlen werden wieder zusammengeführt, so dass die Infrarotstrahlung ein Interferogramm bildet. Herkömmlich weist das Fourier-Transformations-Spektrometer ein Michelson Interferometer auf, in dem ein Spiegel bewegt wird und somit eine Variation der optischen Weglänge einer der zwei Teilstrahlen erzeugt wird.In a Fourier transform spectrometer, a sample is irradiated with infrared radiation. After the infrared radiation has passed through the sample, the infrared radiation is divided into two partial beams and the two partial beams are brought together again, so that the infrared radiation forms an interferogram. The Fourier transformation spectrometer conventionally has a Michelson interferometer, in which a mirror is moved and a variation of the optical path length of one of the two partial beams is thus generated.
Neben den Fourier-Transformations-Spektrometern mit dem Michelson Interferometer gibt es ein sogenanntes statisches Fourier-Transformations-Spektrometer, das ohne bewegliche Spiegel ausgeführt ist. Bei dem statischen Fourier-Transformations-Spektrometer werden die beiden Teilstrahlen derart auf einem Detektor zusammengeführt, dass entlang einer Dimension des Detektors eine Variation der Differenz der optischen Weglänge der beiden Teilstrahlen erfolgt. Ein solches statisches Fourier-Transformation-Spektrometer ist beispielsweise in
Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein statisches Fourier-Transformations-Spektrometer und ein Verfahren zum Betreiben des statischen Fourier-Transformations-Spektrometer zu schaffen, mit denen Spektren mit einer hohen Genauigkeit messbar sind.The object of the invention is therefore to create a static Fourier transformation spectrometer and a method for operating the static Fourier transformation spectrometer, with which spectra can be measured with a high degree of accuracy.
Das erfindungsgemäße statische Fourier-Transformations-Spektrometer weist eine Strahlungsquelle, die eingerichtet ist, in einem Betrieb des statischen Fourier-Transformations-Spektrometers Infrarotstrahlung zu emittieren, die sich im Betrieb entlang eines Strahlengangs des statischen Fourier-Transformations-Spektrometers ausbreitet, der einen Probenpfad und einen Referenzpfad aufweist, eine Probe, die lediglich in dem Probenpfad angeordnet ist und somit im Betrieb eine Wechselwirkung mit der Infrarotstrahlung des Probenpfades eingeht, und einen Interferometerabschnitt auf, der eingerichtet ist, ein Probeninterferogramm des Probenpfades nach der Wechselwirkung mit der Probe und ein Referenzinterferogramm des Referenzpfades zu erzeugen, und einen Detektor aufweist, der eingerichtet ist, das Probeninterferogramm und das Referenzinterferogramm gleichzeitig aufzunehmen, wobei das statische Fourier-Transformations-Spektrometer eingerichtet ist, mittels jeweils einer Fourier-Transformation aus dem Probeninterferogramm ein Probenspektrum und aus dem Referenzinterferogramm ein Referenzspektrum zu ermitteln sowie das Probenspektrum mit dem Referenzspektrum zu korrigieren.The static Fourier transformation spectrometer according to the invention has a radiation source which is set up to emit infrared radiation in an operation of the static Fourier transformation spectrometer, which in operation propagates along a beam path of the static Fourier transformation spectrometer which has a sample path and has a reference path, a sample which is only arranged in the sample path and thus enters into an interaction with the infrared radiation of the sample path during operation, and an interferometer section which is set up, a sample interferogram of the sample path after the interaction with the sample and a reference interferogram of the Generate reference path, and has a detector which is set up to record the sample interferogram and the reference interferogram simultaneously, the static Fourier transformation spectrometer being set up by means of a Fourier transformation determine a sample spectrum from the sample interferogram and a reference spectrum from the reference interferogram, and correct the sample spectrum with the reference spectrum.
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Betreiben des statischen Fourier-Transformations-Spektrometers weist die Schritte auf: a2) Einbringen einer Probe lediglich in den Probenpfad; b) Ausbreiten von Infrarotstrahlung entlang des Strahlengangs, so dass die Probe eine Wechselwirkung mit der Infrarotstrahlung des Probenpfades eingeht; c) Erzeugen eines Probeninterferogramms des Probenpfades nach der Wechselwirkung mit der Probe und eines Referenzinterferogramms des Referenzpfades sowie gleichzeitiges Aufnehmen des Probeninterferogramms und des Referenzinterferogramms; d) Ermitteln eines Probenspektrums aus dem Probeninterferogramm und eines Referenzspektrums aus dem Referenzinterferogramm mittels jeweils einer Fourier-Transformation; e) Korrigieren des Probenspektrums mit dem Referenzspektrum.The method according to the invention for operating the static Fourier transformation spectrometer has the steps: a2) introducing a sample only into the sample path; b) spreading infrared radiation along the beam path so that the sample interacts with the infrared radiation of the sample path; c) generating a sample interferogram of the sample path after the interaction with the sample and a reference interferogram of the reference path and simultaneous recording of the sample interferogram and the reference interferogram; d) determining a sample spectrum from the sample interferogram and a reference spectrum from the reference interferogram by means of a Fourier transformation in each case; e) Correcting the sample spectrum with the reference spectrum.
Überraschenderweise wurde gefunden, dass mit dem erfindungsgemäßen statischen Fourier-Transformations-Spektrometer und dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Betreiben des statischen Fourier-Transformations-Spektrometer die korrigierten Probenspektren mit einer hohen Genauigkeit messbar sind. Dabei wurde eine so hohe Genauigkeit erreicht, die fast so hoch wie einem herkömmlichen Fourier-Transformations-Spektrometer mit einem Michelson Interferometer ist.Surprisingly, it was found that the corrected sample spectra can be measured with a high degree of accuracy using the static Fourier transformation spectrometer according to the invention and the method according to the invention for operating the static Fourier transformation spectrometer. The accuracy achieved was almost as high as that of a conventional Fourier transform spectrometer with a Michelson interferometer.
Bei der Wechselwirkung der Probe mit der Infrarotstrahlung kann es sich beispielsweise um eine Transmission, eine Reflexion, eine Streuung, eine Remission oder um eine abgeschwächte Totalreflexion (englisch: attenuated total reflexion, ATR) handeln.The interaction of the sample with the infrared radiation can be, for example, transmission, reflection, scattering, remission or attenuated total reflection (English: attenuated total reflection, ATR).
Es ist bevorzugt, dass der Detektor eine Probenfläche, die eingerichtet ist, das Probeninterferogramm aufzunehmen, und eine Referenzfläche aufweist, die eingerichtet ist, das Referenzinterferogramm aufzunehmen, wobei die Probenfläche dreimal bis zehnmal so groß wie die Referenzfläche ist. Es wurde überraschenderweise gefunden, dass mit diesem Flächenverhältnis das Signal zu Rausch Verhältnis besonders hoch ist, wodurch die korrigierten Probenspektren eine besonders hohe Genauigkeit haben.It is preferred that the detector has a sample area that is set up to record the sample interferogram and a reference area that is set up to record the reference interferogram, the sample area being three to ten times as large as the reference area. It was surprisingly found that the signal to noise ratio is particularly high with this area ratio, as a result of which the corrected sample spectra have a particularly high accuracy.
Der Probenpfad und der Referenzpfad sind bevorzugt im Bereich der Probe räumlich getrennt voneinander angeordnet. Dadurch lässt sich die Probe vorteilhaft derart in dem Probenpfad anordnen, dass kein Ende der Probe in dem Strahlengang angeordnet ist, was nachteilig zu der Bildung von Interferenzen führen würde. Die Interferenzen würden die Genauigkeit der korrigierten Probenspektren vermindern. The sample path and the reference path are preferably arranged spatially separated from one another in the region of the sample. As a result, the sample can advantageously be arranged in the sample path such that no end of the sample is arranged in the beam path, which would disadvantageously lead to the formation of interference. The interference would reduce the accuracy of the corrected spectra.
Alternativ ist bevorzugt, dass der gesamte Strahlengang von der Strahlungsquelle bis einschließlich der Probe ungetrennt angeordnet ist. Hierbei handelt es sich um einen vorteilhaft einfachen Aufbau des statischen Fourier-Transformations-Spektrometers, der sich auch besonders einfach justieren lässt.Alternatively, it is preferred that the entire beam path from the radiation source up to and including the sample is arranged in a non-separated manner. This is an advantageously simple structure of the static Fourier transformation spectrometer, which can also be adjusted particularly easily.
Es ist bevorzugt, dass das statische Fourier-Transformations-Spektrometer einen ATR-Kristall aufweist, der in dem Probenpfad angeordnet ist, wobei die Probe die Oberfläche des ATR-Kristalls kontaktiert, so dass sich im Betrieb die Infrarotstrahlung unter Totalreflektion an der Grenzfläche zwischen dem ATR-Kristall und der Probe ausbreitet. Weil die bei der Totalreflektion entstehenden evaneszenten Wellen nur eine geringe Eindringtiefe in die Probe haben, erzeugt Wasser nur eine geringe Absorption. Dadurch eignet sich der ATR-Kristall besonders für wässrige Proben, so dass die wässrigen Proben mit einer besonders hohen Genauigkeit messbar sind.It is preferred that the static Fourier transformation spectrometer has an ATR crystal which is arranged in the sample path, the sample contacting the surface of the ATR crystal, so that in operation the infrared radiation is reflected at the interface between the and total reflection ATR crystal and the sample spreads. Because the evanescent waves generated by the total reflection have only a small depth of penetration into the sample, water produces only a low absorption. This makes the ATR crystal particularly suitable for aqueous samples, so that the aqueous samples can be measured with a particularly high level of accuracy.
Die optischen Pfadlängen des Probenpfades und des Referenzpfades sind bevorzugt gleich lang. Dadurch ist die Genauigkeit der korrigierten Probenspektren besonders hoch. Es ist bevorzugt, dass der Strahlengang mehrere der Probenpfade aufweist, in denen verschiedene Proben angeordnet sind. Dadurch können vorteilhaft mehrere der Proben gleichzeitig vermessen werden. Der Detektor weist bevorzugt eine zweidimensionale Matrix an infrarotsensitiven Elementen auf. Hier können die Größen der Probenfläche und der Referenzfläche über die Anzahl der infrarotsensitiven Elemente gewählt werden, denn die Anzahl der infrarotsensitiven Elemente ist proportional zu der Größe der jeweiligen Fläche. Alternativ weist der Detektor bevorzugt einen Zeilendetektor für den Referenzpfad und jeweils einen Zeilendetektor für jeden der Probenpfade auf.The optical path lengths of the sample path and the reference path are preferably of the same length. As a result, the accuracy of the corrected spectra is particularly high. It is preferred that the beam path has several of the sample paths in which different samples are arranged. As a result, several of the samples can advantageously be measured simultaneously. The detector preferably has a two-dimensional matrix of infrared-sensitive elements. The size of the sample area and the reference area can be selected here via the number of infrared-sensitive elements, because the number of infrared-sensitive elements is proportional to the size of the respective area. Alternatively, the detector preferably has a line detector for the reference path and a line detector for each of the sample paths.
Bevorzugt weist das Verfahren den Schritt auf: a0) Wählen einer Probenfläche eines Detektors, die eingerichtet ist, das Probeninterferogramm aufzunehmen, dreimal bis zehnmal so groß wie eine Referenzfläche des Detektors, die eingerichtet ist, das Referenzinterferogramm aufzunehmen. In dem Fall, dass der Detektor die zweidimensionale Matrix an den infrarotsensitiven Elementen aufweist, können die Größe der Probenfläche und die Größe der Referenzfläche entsprechend der Anzahl der infrarotsensitiven Elemente gewählt werden.The method preferably has the step: a0) selecting a sample area of a detector which is set up to record the sample interferogram is three to ten times larger than a reference area of the detector which is set up to record the reference interferogram. In the event that the detector has the two-dimensional matrix on the infrared-sensitive elements, the size of the sample area and the size of the reference area can be selected in accordance with the number of infrared-sensitive elements.
Es ist bevorzugt, dass das Verfahren die Schritte aufweist: f) Durchführen der Schritte b) bis d) ohne dass die Probe in dem Probenpfad angeordnet ist; g) Berechnen mindestens eines Korrekturfaktors, um das in Schritt f) ermittelte Probenspektrum und das in Schritt f) ermittelte Referenzspektrum derart aufeinander zu skalieren, dass ein Unterschied zwischen der Intensität des Probenspektrums und der Intensität des Referenzspektrums minimiert wird; und wobei in Schritt e) der Korrekturfaktor herangezogen wird. Mit dem Korrekturfaktor kann vorteilhaft ein ungleichmäßiges Ausleuchten des Detektors durch die Strahlungsquelle korrigiert werden, was zu einer gesteigerten Genauigkeit für die korrigierten Probenspektren führt.It is preferred that the method has the steps: f) performing steps b) to d) without the sample being arranged in the sample path; g) calculating at least one correction factor in order to scale the sample spectrum determined in step f) and the reference spectrum determined in step f) such that a difference between the intensity of the sample spectrum and the intensity of the reference spectrum is minimized; and wherein in step e) the correction factor is used. With the correction factor, an uneven illumination of the detector by the radiation source can advantageously be corrected, which leads to an increased accuracy for the corrected sample spectra.
Bevorzugt weist das Verfahren die Schritte auf: a1) Anordnen eines ATR-Kristalls in dem Probenpfad und Durchführen der Schritte b) bis e) ohne dass die Probe die Oberfläche des ATR-Kristalls kontaktiert; h) Wiederholen des Schritts a1) und Vergleichen der in den Schritten a1) und h) korrigierten Probenspektren. Dadurch lässt sich vorteilhaft eine Alterung des ATR-Kristalls oder eine Materialablagerung auf dem ATR-Kristall erkennen.The method preferably has the steps: a1) arranging an ATR crystal in the sample path and performing steps b) to e) without the sample contacting the surface of the ATR crystal; h) repeating step a1) and comparing the sample spectra corrected in steps a1) and h). This advantageously shows aging of the ATR crystal or material deposition on the ATR crystal.
Es ist bevorzugt, dass das Verfahren den Schritt aufweist: a0) Anordnen einer Referenzprobe in dem Referenzpfad. Dadurch können Unterschiede der Probe im Vergleich zu der Referenzprobe mit einer besonders hohen Genauigkeit gemessen werden. Wird beispielsweise eine besonders reine Referenzprobe in dem Referenzpfad angeordnet, können Verunreinigungen der Probe besonders genau und zudem schnell erkannt werden.It is preferred that the method has the step: a0) arranging a reference sample in the reference path. In this way, differences between the sample and the reference sample can be measured with particularly high accuracy. If, for example, a particularly pure reference sample is arranged in the reference path, contamination of the sample can be detected particularly precisely and moreover quickly.
Im Folgenden wird anhand der beigefügten schematischen Zeichnungen die Erfindung näher erläutert.
-
1 zeigt eine erste Ausführungsform des statischen Fourier-Transformations-Spektrometers in einer ersten Draufsicht. -
2 zeigt die erste Ausführungsform in einer zweiten Draufsicht. -
3 zeigt eine Draufsicht auf eine zweite Ausführungsform des statischen Fourier-Transformations-Spektrometers. -
4 zeigt eine Draufsicht auf eine dritte Ausführungsform des statischen Fourier-Transformations-Spektrometers. -
5 zeigt eine Draufsicht auf eine vierte Ausführungsform des statischen Fourier-Transformations-Spektrometers. -
6 zeigt von einem Detektor des statischen Fourier-Transformations-Spektrometers aufgenommene Messdaten. -
7 bis10 zeigen von dem statischen Fourier-Transformations-Spektrometer ermittelte Spektren sowie deren Korrekturen. -
11 zeigt einen Versuch, bei dem die Probenfläche und die Referenzfläche des Detektors variiert wurden.
-
1 shows a first embodiment of the static Fourier transform spectrometer in a first plan view. -
2 shows the first embodiment in a second plan view. -
3 shows a top view of a second embodiment of the static Fourier transform spectrometer. -
4 shows a top view of a third embodiment of the static Fourier transform spectrometer. -
5 shows a top view of a fourth embodiment of the static Fourier transform spectrometer. -
6 shows measurement data recorded by a detector of the static Fourier transformation spectrometer. -
7 to10 show spectra determined by the static Fourier transformation spectrometer and their corrections. -
11 shows an experiment in which the sample area and the reference area of the detector were varied.
Wie es aus
Das statische Fourier-Transformations-Spektrometer
Insbesondere
Zudem weist der Interferometerabschnitt
Der Detektor
Wie es aus
In einem Schritt d) werden das Probenspektrums
In einem Schritt e) wird das Probenspektrum
Um die unterschiedliche Intensität in dem Probenpfad
Im Folgenden wurde ein Versuch durchgeführt, bei dem das Verhältnis der Größen der Probenfläche
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 11
- Statisches Fourier-Transformations-SpektrometerStatic Fourier transform spectrometer
- 22
- Probenabschnittsample section
- 33
- Interferometerabschnittinterferometer
- 44
- Strahlungsquelleradiation source
- 55
- Strahlengangbeam path
- 66
- Sammeloptikcollection optics
- 77
- Probesample
- 88th
- Spaltebenecleavage plane
- 99
- erste Linsefirst lens
- 1010
- zweite Linsesecond lens
- 1111
- Detektordetector
- 1212
- Strahlteilerbeamsplitter
- 1313
- Spiegelmirror
- 1414
- Probenpfadsample path
- 1515
- Referenzpfadreference path
- 1616
- Variation der optischen WeglängendifferenzVariation of the optical path length difference
- 1717
- GasmesszelleGas cell
- 18a18a
- gekrümmter Spiegelcurved mirror
- 18b18b
- gekrümmter Spiegelcurved mirror
- 1919
- ATR-KristallATR crystal
- 2020
- Probenspektrumsample spectrum
- 2121
- Referenzspektrumreference spectrum
- 2222
-
mit Referenzspektrum 21 korrigiertes ProbenspektrumSample spectrum corrected with
reference spectrum 21 - 2323
- FTIR SpektrumFTIR spectrum
- 2424
- in Schritt f) ermitteltes ProbenspektrumSample spectrum determined in step f)
- 2525
- in Schritt f) ermitteltes ReferenzspektrumReference spectrum determined in step f)
- 2626
-
mit Referenzspektrum 21 und Korrekturfaktor korrigiertes ProbenspektrumSample spectrum corrected with
reference spectrum 21 and correction factor - 2727
- ProbeninterferogrammProbeninterferogramm
- 2828
- Referenzinterferogrammreference interferogram
- 2929
- Probenflächesample area
- 3030
- Referenzflächereference surface
- 3131
- Zwischenflächeinterface
- xx
- -Richtung-Direction
- yy
- -Richtung-Direction
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| WO2019141689A1 (en) | 2019-07-25 |
| DE102018000307A1 (en) | 2019-07-18 |
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