Quang phổ là vô cùng quan trọng trong hóa học phân tích hiện đại. Nó cho phép các nhà khoa học tìm ra vật liệu là gì và có bao nhiêu bằng cách xem chúng phản ứng như thế nào với bức xạ điện từ. Trong số các công cụ toán học đã hoàn toàn thay đổi quang phổ, biến đổi Fourier (FT) là một nền tảng thực sự. Cho dù nó’ Sử dụng trong quang phổ FTIR, NMR hoặc các phương pháp khác, biến đổi Fourier cho phép thay đổi dữ liệu dựa trên thời gian thô thành biểu đồ dựa trên tần số hữu ích. Bài viết này xem xét cách biến đổi Fourier cải thiện các kỹ thuật quang phổ và cũng cho thấy cách các công ty như PERSEE sử dụng công nghệ này trong thiết bị của họ.
Các nguyên tắc cơ bản của biến đổi Fourier trong quang phổ
Để thực sự có được tác động của nó đối với các phương pháp quang phổ khác nhau, trước tiên bạn cần biết cách biến đổi Fourier hoạt động.
Cơ sở toán học của biến đổi Fourier
Biến đổi Fourier là một công cụ toán học. Nó phá vỡ một tín hiệu phức tạp thành tất cả các sóng sin đơn giản tạo nên nó. Trong quang phổ, điều này giúp biến tín hiệu từ định dạng thời gian hoặc không gian thành định dạng tần số. Định dạng mới này làm cho thông tin quang phổ dễ dàng hơn để có được và hiểu.
Cách biến đổi Fourier chuyển đổi dữ liệu Time-Domain thành Tần số-Domain
Khi thực hiện quang phổ, dữ liệu ban đầu thường là một tín hiệu thay đổi theo thời gian hoặc một chiều tương tự (như vị trí gương trong FTIR). Tín hiệu này được gọi là tín hiệu time domain hoặc interferogram. Nó’ s một hỗn hợp lộn xộn của tất cả các bộ phận tần số khác nhau, vì vậy nó’ Thật khó đọc một mình. Biến đổi Fourier xử lý các tín hiệu này để tạo ra phổ miền tần số. Những biểu đồ này cho thấy rõ ràng các đỉnh hấp thụ phù hợp với các rung động hoặc thay đổi phân tử cụ thể.
Lợi thế của biến đổi Fourier trong phân tích quang phổ
Sử dụng FT trong quang phổ có một số lợi ích tuyệt vời:
Trước hết, nó cho phép phát hiện đồng thời tất cả các bước sóng. Điều này được gọi là lợi thế multiplex.
Nó cũng cung cấp cho bạn kết quả sắc nét hơn và nhạy cảm hơn.
Điều gì’ Hơn nữa, nó cải thiện tỷ lệ tín hiệu với tiếng ồn bằng cách trung bình tín hiệu.
Những lợi ích này rất quan trọng cho phân tích hóa học chính xác. Họ làm cho máy dựa trên FT cần thiết cho cả nghiên cứu và công nghiệp.
Áp dụng biến đổi Fourier trong quang phổ FTIR
Quang phổ hồng ngoại chuyển đổi Fourier (FTIR) là một cách sử dụng rất phổ biến của FT trong hóa học phân tích. Điều này là bởi vì nó là cả hiệu quả và chính xác.
Nguyên tắc đằng sau quang phổ FTIR (Fourier Transform Infrared)
Phổ FTIR kiểm tra bao nhiêu ánh sáng hồng ngoại một mẫu hấp thụ ở các bước sóng khác nhau. Nhưng nó không’ t quét một bước sóng cùng một lúc. Thay vào đó, một thiết bị gọi là interferometer xử lý tất cả các bước sóng cùng một lúc. Quá trình này tạo ra một interferogram. Đây là một tín hiệu phụ thuộc vào một gương di chuyển’ vị trí, và nó’ Về cơ bản là tín hiệu dựa trên thời gian. Biến đổi Fourier sau đó thay đổi interferogram này thành phổ IR thích hợp.
Vai trò của Interferometry và Michelson Interferometer
Một phần quan trọng của FTIR là Michelson Interferometer. Nó chia một chùm ánh sáng hồng ngoại thành hai con đường khác nhau bằng cách sử dụng gương - một ở lại và một di chuyển. Khi các chùm này trở lại với nhau, chúng tạo ra một mô hình can thiệp phụ thuộc vào sự khác biệt về chiều dài đường dẫn. Mô hình này giữ tất cả thông tin quang phổ cho tất cả các bước sóng.
Lợi ích của việc sử dụng biến đổi Fourier trong FTIR
Sử dụng FT làm cho hiệu suất FTIR tốt hơn nhiều theo một số cách:
- Tỷ lệ tín hiệu-tiếng ồn cải thiện: Máy FTIR có thể nhanh chóng trung bình nhiều lần quét. Điều này làm tăng tín hiệu’ độ rõ ràng trong khi cắt giảm tiếng ồn nền. Điều này rất quan trọng để tìm thấy các hợp chất có nồng độ thấp.
- Thu thập dữ liệu nhanh chóng: Hệ thống FTIR thu thập tất cả tần số cùng một lúc, không phải từng tần. Bởi vì điều này, chúng có thể có được phổ hoàn chỉnh chỉ trong vài giây.
- Độ phân giải quang phổ cao: Phân tích Fourier tạo ra kết quả quang phổ độ phân giải cao ngay cả với các thiết lập quang học nhỏ. Điều này rất tuyệt vời để phân biệt các băng hấp thụ rất gần nhau.
Biến đổi Fourier trong quang phổ NMR
Trong khi FTIR nhìn vào rung động phân tử, quang phổ cộng hưởng từ hạt nhân (NMR) sử dụng từ trường để kiểm tra môi trường nguyên tử. Đây là một lĩnh vực khác mà FT là một sự giúp đỡ lớn.
Tổng quan về quang phổ cộng hưởng từ hạt nhân (NMR)
NMR phân tích cách các hạt nhân có xoay (như hydro-1) phản ứng với các xung tần số vô tuyến bên trong từ trường mạnh mẽ. Những phản ứng này cho chúng ta manh mối về một phân tử’ Cấu trúc, chuyển động và cách nó tương tác với những thứ khác.
Bộ sưu tập tín hiệu Time-Domain và vai trò của Free Induction Decay (FID)
Sau khi bị tấn công bởi xung RF, hạt nhân phát ra dao động mờ dần. Điều này được gọi là Free Induction Decay (FID). FID này là một tín hiệu miền thời gian, và nó chứa thông tin tần số về các môi trường hóa học khác nhau bên trong phân tử.
Chuyển đổi thành miền tần số bằng cách sử dụng biến đổi Fourier
Áp dụng biến đổi Fourier chuyển đổi dữ liệu FID này thành phổ miền tần số. Những phổ này cho chúng ta sự thay đổi hóa học, đó là nhãn đặc biệt cho các môi trường nguyên tử khác nhau. Chúng cũng cung cấp cho chúng ta hằng số ghép nối, cho chúng ta biết về các tương tác giữa các hạt nhân gần đó.
Xác định chuyển hóa học và xác định liên tục nối
Sự thay đổi hóa học giúp xác định các nhóm chức năng hoặc sự sắp xếp liên kết trong các phân tử. Tuy nhiên, hằng số nối cung cấp thông tin cấu trúc như góc liên kết và cách các nguyên tử được kết nối. Điều này là cơ bản trong việc xác định cấu trúc phân tử hữu cơ.
Các ứng dụng rộng hơn của biến đổi Fourier trong các kỹ thuật quang phổ khác
Ngoài FTIR và NMR, sức mạnh của biến đổi Fourier cũng được sử dụng trong một vài công cụ quang phổ tiên tiến khác.
Sử dụng quang phổ Raman
Phổ Raman nghiên cứu các chế độ rung bằng cách nhìn vào ánh sáng phân tán, không phải ánh sáng hấp thụ như IR.
Nâng cao độ nhạy và độ phân giải với FT-Raman: Các dụng cụ FT-Raman sử dụng các phương pháp can thiệp tương tự như trong FTIR để tăng độ nhạy Raman. Điều này đặc biệt hữu ích khi làm việc với các mẫu huỳnh quang hoặc những thứ phân tán ánh sáng Raman yếu.
Ứng dụng quang phổ khối lượng
Phổ đo khối lượng xác định các hợp chất sử dụng tỷ lệ khối lượng-sạc. Nó cũng được thúc đẩy từ các phương pháp xử lý tín hiệu tiên tiến như FT.
Xử lý tín hiệu và độ phân giải đỉnh cao thông qua phân tích Fourier: Các dụng cụ như Orbitraps dựa vào dao động ion dựa trên thời gian. Chúng được chuyển đổi bằng cách sử dụng FFT thành phổ khối lượng rất chính xác. Kỹ thuật này cải thiện độ phân giải rất nhiều mà không làm cho thời gian quét dài hơn đáng kể.
Sử dụng trong tomography kết hợp quang học và các kỹ thuật hình ảnh khác
Các phương pháp chụp ảnh như Optical Coherence Tomography (OCT) cũng sử dụng phân tích Fourier. Họ sử dụng nó để xây dựng hình ảnh độ phân giải sâu từ dữ liệu interferometric. Điều này cho thấy nó linh hoạt như thế nào, ngay cả bên ngoài quang phổ thông thường.
Lợi thế của quang phổ dựa trên biến đổi Fourier so với các phương pháp truyền thống
Các phương pháp phân tán trường cũ quét một bước sóng tại một thời điểm. Ngược lại, các phương pháp dựa trên FT cung cấp những lợi ích tuyệt vời.
- Phát hiện đa bước sóng đồng thời: Lợi thế multiplex cho phép các hệ thống này chụp tất cả dữ liệu quang phổ cùng một lúc. Điều này cắt giảm rất nhiều thời gian quét và cải thiện độ tin cậy của kết quả từ mẫu này sang mẫu tiếp theo.
- Khả năng và hiệu quả cao hơn: Các hệ thống dựa trên FT có thể đo rất nhanh mà không hy sinh độ chính xác. Điều này làm cho chúng hoàn hảo cho các phòng thí nghiệm bận rộn cần kết quả nhanh chóng với ít công việc thực tế.
- Nâng cao độ chính xác và khả năng tái tạo: Các dụng cụ dựa trên FT có ít bộ phận di chuyển hơn các hệ thống quét và tốt hơn trong việc lọc tiếng ồn. Kết quả là họ cung cấp kết quả nhất quán nhiều lần. Điều này cực kỳ quan trọng để đáp ứng các quy định và kiểm soát chất lượng.
Persee: Nhà sản xuất các dụng cụ phân tích
Đối với các phòng thí nghiệm tìm kiếm thiết bị quang phổ đáng tin cậy, PERSEE là một nhà sản xuất cung cấp các dụng cụ được xây dựng với công nghệ biến đổi Fourier.
Nền tảng công ty và sự hiện diện toàn cầu
PERSEE có hơn ba thập kỷ kinh nghiệm và phục vụ khách hàng trên toàn thế giới, bao gồm cả châu Á-Thái Bình Dương, châu Âu, châu Phi, Nam Mỹ, Bắc Mỹ và Trung Đông. Công ty được biết đến trên toàn thế giới với các sản phẩm sáng tạo và chất lượng cao được làm để phù hợp với nhu cầu của khách hàng.
Dòng sản phẩm chính bao gồm FTIR8000 và FTIR8100 Series
Sản phẩm chính - The Dòng FTIR8000 và mới hơn Dòng FTIR8100- là các giải pháp quang phổ hồng ngoại hiệu suất cao. Chúng đi kèm với các máy can thiệp tiên tiến và phần mềm được thiết kế cho cả các dự án nghiên cứu và phân tích hàng ngày.
Cam kết với sự đổi mới, chất lượng và hỗ trợ khách hàng
PERSEE dành riêng cho sản xuất xuất sắc. Bên cạnh đó, công ty cũng tiếp tục đầu tư vào R& D. Điều này đảm bảo rằng các tính năng thế hệ tiếp theo, như chẩn đoán dựa trên AI và quy trình làm việc kết nối với đám mây, sẽ trở thành tiêu chuẩn trong sản phẩm của họ.
Tóm tắt và Key Takeaways
Biến đổi Fourier bây giờ là một công cụ cần thiết trong nhiều lĩnh vực của hóa học phân tích. Nó’ được sử dụng từ các nghiên cứu rung với quang phổ FTIR để tìm ra cấu trúc với NMR, và thậm chí mở rộng đến các công nghệ hình ảnh như OCT. Khả năng chuyển đổi hiệu quả các tín hiệu phức tạp dẫn đến thu thập dữ liệu nhanh hơn với độ phân giải tốt hơn so với các phương pháp cũ. Các công ty như PERSEE sử dụng sức mạnh này bằng cách xây dựng nó thành các nền tảng dụng cụ linh hoạt. Chúng được thực hiện cho cả thử nghiệm chính xác trong lĩnh vực và nghiên cứu học thuật cấp cao.
Câu hỏi thường gặp:
Q1: Tại sao FTIR tốt hơn IR phân tán truyền thống?
Trả lời: So với IR truyền thống, quét từng bước sóng riêng lẻ với máy đơn màu hoặc lưới, FTIR chụp tất cả các bước sóng cùng một lúc bằng cách sử dụng máy can thiệp. Nó tạo ra quét cực kỳ nhanh hơn, tỷ lệ tín hiệu-tiếng ồn tốt hơn vì lợi thế multiplex và độ phân giải cao hơn. Vì vậy, nó’ là tuyệt vời ngay cả cho việc phân tích một lượng nhỏ mẫu hoặc chất hấp thụ kém.
Q2: Biến đổi Fourier có thể được áp dụng bên ngoài quang phổ hồng ngoại không?
A: Vâng! Nó’ là một phần quan trọng của hệ thống FTIR, nhưng biến đổi Fourier cũng đóng một vai trò lớn trong quang phổ NMR (để phân tích tín hiệu FID) và quang phổ Raman (trong thiết lập FT-Raman). Bạn’ Bạn cũng sẽ tìm thấy nó trong quang phổ khối lượng (như trong Orbitraps) và trong hình ảnh tomography kết hợp quang học. Nói rộng hơn, nó’ Sử dụng bất cứ nơi nào thay đổi tín hiệu giữa thời gian và tần số làm cho dữ liệu dễ đọc hơn hoặc cải thiện độ phân giải trong các thiết bị khoa học.
Q3: Các thiết bị FTIR của PERSEE có phù hợp với các ứng dụng công nghiệp không?
A: Chắc chắn. Dòng FTIR8000/8100 của PERSEE được sản xuất không chỉ cho các phòng thí nghiệm đại học mà còn cho các nơi công nghiệp cần hiệu suất vững chắc trong điều kiện khó khăn. Phần mềm của họ dễ sử dụng và hỗ trợ các quy trình làm việc để tuân thủ quy định. Đồng thời, phần cứng bền đảm bảo các dụng cụ ổn định trong dài hạn, ngay cả trong khi sử dụng không ngừng phổ biến trong phòng thí nghiệm QC dược phẩm hoặc nhà máy hóa dầu.
