फूरियर-परिवर्तन स्पेक्ट्रोस्कोपी

फूरियर-ट्रांसफॉर्म स्पेक्ट्रोस्कोपी एक माप तकनीक है जिसके तहत विकिरण स्रोत के सुसंगतता (भौतिकी) के माप के आधार पर स्पेक्ट्रम (भौतिकी) एकत्र किया जाता है, जिसमें विकिरण, विद्युत चुम्बकीय विकिरण या नहीं के समय-डोमेन या स्पेस-डोमेन माप का उपयोग किया जाता है। इसे ऑप्टिकल स्पेक्ट्रोस्कोपी, इंफ्रारेड स्पेक्ट्रोस्कोपी ([[फूरियर रूपांतरण अवरक्त स्पेक्ट्रोस्कोपी]], एफटी-एनआईआरएस), परमाणु चुंबकीय अनुनाद स्पेक्ट्रोस्कोपी (एनएमआर) और मैग्नेटिक रेजोनेंस स्पेक्ट्रोस्कोपी इमेजिंग (एमआरएसआई) सहित विभिन्न प्रकार की 'स्पेक्ट्रोस्कोपी' पर लागू किया जा सकता है। मास स्पेक्ट्रोमेट्री और इलेक्ट्रॉन स्पिन प्रतिध्वनि स्पेक्ट्रोस्कोपी।

प्रकाश की अस्थायी सुसंगतता को मापने के लिए कई तरीके हैं (देखें: ऑप्टिकल ऑटोसहसंबंध#फील्ड ऑटोसहसंबंध|फील्ड-ऑटोसहसंबंध), जिसमें निरंतर-तरंग और स्पंदित फूरियर-ट्रांसफॉर्म स्पेक्ट्रोमीटर या फूरियर-ट्रांसफॉर्म स्पेक्ट्रोग्राफ शामिल हैं। फूरियर-ट्रांसफॉर्म स्पेक्ट्रोस्कोपी शब्द इस तथ्य को दर्शाता है कि इन सभी तकनीकों में, कच्चे डेटा को वास्तविक आवृत्ति स्पेक्ट्रम में बदलने के लिए फूरियर रूपांतरण की आवश्यकता होती है, और इंटरफेरोमीटर से जुड़े ऑप्टिक्स में कई मामलों में, वीनर-खिनचिन प्रमेय पर आधारित है .

वैचारिक परिचय

उत्सर्जन स्पेक्ट्रम को मापना

300 पिक्सेल: ब्यूटेन मशाल की नीली लौ द्वारा उत्सर्जित प्रकाश का स्पेक्ट्रम। क्षैतिज अक्ष प्रकाश की तरंग दैर्ध्य है, और ऊर्ध्वाधर अक्ष दर्शाता है कि उस तरंग दैर्ध्य पर टॉर्च द्वारा कितना प्रकाश उत्सर्जित होता है।

स्पेक्ट्रोस्कोपी में सबसे बुनियादी कार्यों में से एक प्रकाश स्रोत के स्पेक्ट्रम को चिह्नित करना है: प्रत्येक अलग तरंग दैर्ध्य पर कितना प्रकाश उत्सर्जित होता है। स्पेक्ट्रम को मापने का सबसे सीधा तरीका प्रकाश को एक मोनोक्रोमेटर के माध्यम से पारित करना है, एक उपकरण जो एक निश्चित तरंग दैर्ध्य पर प्रकाश को छोड़कर सभी प्रकाश को अवरुद्ध करता है (अन-अवरुद्ध तरंग दैर्ध्य मोनोक्रोमेटर पर एक घुंडी द्वारा निर्धारित किया जाता है)। फिर इस शेष (एकल-तरंगदैर्घ्य) प्रकाश की तीव्रता मापी जाती है। मापी गई तीव्रता सीधे इंगित करती है कि उस तरंग दैर्ध्य पर कितना प्रकाश उत्सर्जित होता है। मोनोक्रोमेटर की तरंग दैर्ध्य सेटिंग को अलग करके, पूर्ण स्पेक्ट्रम को मापा जा सकता है। यह सरल योजना वास्तव में बताती है कि कुछ स्पेक्ट्रोमीटर कैसे काम करते हैं।

फूरियर-ट्रांसफ़ॉर्म स्पेक्ट्रोस्कोपी समान जानकारी प्राप्त करने का एक कम सहज तरीका है। एक समय में केवल एक तरंग दैर्ध्य को डिटेक्टर से गुजरने की अनुमति देने के बजाय, यह तकनीक एक बार में प्रकाश की कई अलग-अलग तरंग दैर्ध्य वाली किरण को पार करती है, और कुल किरण की तीव्रता को मापती है। इसके बाद, किरण को तरंग दैर्ध्य के एक अलग संयोजन को शामिल करने के लिए संशोधित किया जाता है, जिससे दूसरा डेटा बिंदु मिलता है। यह प्रक्रिया कई बार दोहराई जाती है. बाद में, एक कंप्यूटर यह सारा डेटा लेता है और पीछे की ओर काम करके यह अनुमान लगाता है कि प्रत्येक तरंग दैर्ध्य पर कितना प्रकाश है।

अधिक विशिष्ट होने के लिए, प्रकाश स्रोत और डिटेक्टर के बीच, दर्पणों का एक निश्चित विन्यास होता है जो कुछ तरंग दैर्ध्य को गुजरने की अनुमति देता है लेकिन दूसरों को अवरुद्ध करता है (तरंग हस्तक्षेप के कारण)। दर्पणों में से किसी एक को घुमाकर प्रत्येक नए डेटा बिंदु के लिए बीम को संशोधित किया जाता है; यह उन तरंग दैर्ध्य के सेट को बदल देता है जिनसे होकर गुज़रा जा सकता है।

जैसा कि उल्लेख किया गया है, कच्चे डेटा (प्रत्येक दर्पण स्थिति के लिए प्रकाश की तीव्रता) को वांछित परिणाम (प्रत्येक तरंग दैर्ध्य के लिए प्रकाश की तीव्रता) में बदलने के लिए कंप्यूटर प्रसंस्करण की आवश्यकता होती है। आवश्यक प्रसंस्करण एक सामान्य एल्गोरिदम बन जाता है जिसे फूरियर ट्रांसफॉर्म कहा जाता है (इसलिए नाम, फूरियर-ट्रांसफॉर्म स्पेक्ट्रोस्कोपी)। कच्चे डेटा को कभी-कभी इंटरफेरोग्राम भी कहा जाता है। मौजूदा कंप्यूटर उपकरण आवश्यकताओं और प्रकाश की बहुत कम मात्रा में पदार्थ का विश्लेषण करने की क्षमता के कारण, नमूना तैयार करने के कई पहलुओं को स्वचालित करना अक्सर फायदेमंद होता है। नमूने को बेहतर ढंग से संरक्षित किया जा सकता है और परिणामों को दोहराना बहुत आसान है। उदाहरण के लिए, ये दोनों लाभ महत्वपूर्ण हैं, उन परीक्षण स्थितियों में जिनमें बाद में कानूनी कार्रवाई हो सकती है, जैसे कि दवा के नमूने शामिल हों।

अवशोषण स्पेक्ट्रम को मापना

फूरियर-रूपांतरित करके वास्तविक स्पेक्ट्रम में बदला जा सकता है। केंद्र में शिखर ZPD स्थिति (शून्य पथ अंतर) है: यहां, सभी प्रकाश माइकलसन इंटरफेरोमीटर से होकर गुजरते हैं क्योंकि इसकी दोनों भुजाओं की लंबाई समान है।

फूरियर-ट्रांसफॉर्म स्पेक्ट्रोस्कोपी की विधि का उपयोग अवशोषण स्पेक्ट्रोस्कोपी के लिए भी किया जा सकता है। प्राथमिक उदाहरण फूरियर-ट्रांसफॉर्म इन्फ्रारेड स्पेक्ट्रोस्कोपी है, जो रसायन विज्ञान में एक सामान्य तकनीक है।

सामान्य तौर पर, अवशोषण स्पेक्ट्रोस्कोपी का लक्ष्य यह मापना है कि एक नमूना प्रत्येक अलग-अलग तरंग दैर्ध्य पर प्रकाश को कितनी अच्छी तरह अवशोषित या प्रसारित करता है। यद्यपि अवशोषण स्पेक्ट्रोस्कोपी और उत्सर्जन स्पेक्ट्रोस्कोपी सिद्धांत रूप में भिन्न हैं, वे व्यवहार में निकटता से संबंधित हैं; उत्सर्जन स्पेक्ट्रोस्कोपी की किसी भी तकनीक का उपयोग अवशोषण स्पेक्ट्रोस्कोपी के लिए भी किया जा सकता है। सबसे पहले, ब्रॉडबैंड लैंप के उत्सर्जन स्पेक्ट्रम को मापा जाता है (इसे बैकग्राउंड स्पेक्ट्रम कहा जाता है)। दूसरा, नमूने के माध्यम से चमकने वाले उसी लैंप के उत्सर्जन स्पेक्ट्रम को मापा जाता है (इसे नमूना स्पेक्ट्रम कहा जाता है)। नमूना कुछ प्रकाश को अवशोषित करेगा, जिससे स्पेक्ट्रा अलग हो जाएगा। नमूना स्पेक्ट्रम और पृष्ठभूमि स्पेक्ट्रम का अनुपात सीधे नमूने के अवशोषण स्पेक्ट्रम से संबंधित है।

तदनुसार, फूरियर-ट्रांसफॉर्म स्पेक्ट्रोस्कोपी की तकनीक का उपयोग उत्सर्जन स्पेक्ट्रा (उदाहरण के लिए, किसी तारे का उत्सर्जन स्पेक्ट्रम), और अवशोषण स्पेक्ट्रा (उदाहरण के लिए, किसी तरल का अवशोषण स्पेक्ट्रम) दोनों को मापने के लिए किया जा सकता है।

निरंतर-तरंग माइकलसन या फूरियर-परिवर्तन स्पेक्ट्रोग्राफ

फूरियर-ट्रांसफॉर्म स्पेक्ट्रोमीटर सिर्फ एक माइकलसन इंटरफेरोमीटर है, लेकिन दो पूरी तरह से प्रतिबिंबित दर्पणों में से एक चल रहा है, जिससे बीम में से एक में एक परिवर्तनीय विलंब (प्रकाश के यात्रा समय में) शामिल किया जा सकता है।

माइकलसन स्पेक्ट्रोग्राफ माइकलसन-मॉर्ले प्रयोग में प्रयुक्त उपकरण के समान है। स्रोत से प्रकाश को आधे-चांदी वाले दर्पण द्वारा दो किरणों में विभाजित किया जाता है, एक को एक स्थिर दर्पण से और एक को एक चल दर्पण से प्रतिबिंबित किया जाता है, जो समय विलंब का परिचय देता है - फूरियर-ट्रांसफॉर्म स्पेक्ट्रोमीटर एक चल दर्पण के साथ सिर्फ एक माइकलसन इंटरफेरोमीटर है . किरणें हस्तक्षेप करती हैं, जिससे प्रकाश की अस्थायी सुसंगतता (भौतिकी) को प्रत्येक अलग-अलग समय विलंब सेटिंग पर मापा जा सकता है, जिससे समय डोमेन को प्रभावी ढंग से एक स्थानिक समन्वय में परिवर्तित किया जा सकता है। चल दर्पण के कई अलग-अलग स्थानों पर सिग्नल की माप करके, प्रकाश के अस्थायी सुसंगतता (भौतिकी) के फूरियर रूपांतरण का उपयोग करके स्पेक्ट्रम का पुनर्निर्माण किया जा सकता है। माइकलसन स्पेक्ट्रोग्राफ बहुत उज्ज्वल स्रोतों के बहुत उच्च वर्णक्रमीय रिज़ॉल्यूशन अवलोकन में सक्षम हैं।

माइकलसन या फूरियर-ट्रांसफॉर्म स्पेक्ट्रोग्राफ उस समय इन्फ्रा-रेड अनुप्रयोगों के लिए लोकप्रिय था जब इन्फ्रा-रेड खगोल विज्ञान में केवल एकल-पिक्सेल डिटेक्टर थे। इमेजिंग माइकलसन स्पेक्ट्रोमीटर एक संभावना है, लेकिन सामान्य तौर पर इमेजिंग फैब्री-पेरोट उपकरणों द्वारा प्रतिस्थापित किया गया है, जिनका निर्माण करना आसान है।

स्पेक्ट्रम निकालना

इंटरफेरोमीटर में पथ लंबाई अंतर (जिसे मंदता के रूप में भी दर्शाया गया है) के एक फ़ंक्शन के रूप में तीव्रता $p$ और वेवनंबर ${\tilde {\nu }}=1/\lambda$ है

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

कहाँ $I({\tilde {\nu }})$ निर्धारित किया जाने वाला स्पेक्ट्रम है। ध्यान दें कि यह आवश्यक नहीं है $I({\tilde {\nu }})$ इंटरफेरोमीटर से पहले नमूने द्वारा संशोधित किया जाना है। वास्तव में, अधिकांश फूरियर-ट्रांसफॉर्म इन्फ्रारेड स्पेक्ट्रोस्कोपी ऑप्टिकल पथ में इंटरफेरोमीटर के बाद नमूना रखती है। डिटेक्टर पर कुल तीव्रता है

${\begin{aligned}I(p)&=\int _{0}^{\infty }I(p,{\tilde {\nu }})d{\tilde {\nu }}\\&=\int _{0}^{\infty }I({\tilde {\nu }})[1+\cos(2\pi {\tilde {\nu }}p)]\,d{\tilde {\nu }}.\end{aligned}}$

यह सिर्फ एक साइन और कोसाइन रूपांतरण है। व्युत्क्रम हमें मापी गई मात्रा के संदर्भ में हमारा वांछित परिणाम देता है $I(p)$:

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

स्पंदित फूरियर-परिवर्तन स्पेक्ट्रोमीटर

एक स्पंदित फूरियर-ट्रांसफॉर्म स्पेक्ट्रोमीटर ट्रांसमिशन तकनीकों को नियोजित नहीं करता है. स्पंदित एफटी स्पेक्ट्रोमेट्री के सबसे सामान्य विवरण में, एक नमूना एक ऊर्जावान घटना के संपर्क में आता है जो आवधिक प्रतिक्रिया का कारण बनता है। आवधिक प्रतिक्रिया की आवृत्ति, जैसा कि स्पेक्ट्रोमीटर में फ़ील्ड स्थितियों द्वारा नियंत्रित होती है, विश्लेषण के मापा गुणों का संकेत है।

स्पंदित फूरियर-ट्रांसफॉर्म स्पेक्ट्रोमेट्री के उदाहरण

चुंबकीय स्पेक्ट्रोस्कोपी (इलेक्ट्रॉन अनुचुंबकीय अनुनाद , नाभिकीय चुबकीय अनुनाद ) में, एक मजबूत परिवेश चुंबकीय क्षेत्र में एक माइक्रोवेव पल्स (ईपीआर) या रेडियो फ्रीक्वेंसी पल्स (एनएमआर) को ऊर्जावान घटना के रूप में उपयोग किया जाता है। यह चुंबकीय कणों को परिवेशीय क्षेत्र के एक कोण पर मोड़ देता है, जिसके परिणामस्वरूप घुमाव होता है। घूमती हुई स्पिनें एक डिटेक्टर कॉइल में एक आवधिक धारा उत्पन्न करती हैं। प्रत्येक स्पिन घुमाव की एक विशिष्ट आवृत्ति (क्षेत्र की ताकत के सापेक्ष) प्रदर्शित करता है जो विश्लेषणकर्ता के बारे में जानकारी प्रकट करता है।

फूरियर-ट्रांसफ़ॉर्म मास स्पेक्ट्रोमेट्री में, ऊर्जावान घटना साइक्लोट्रॉन के मजबूत विद्युत चुम्बकीय क्षेत्र में चार्ज किए गए नमूने का इंजेक्शन है। ये कण वृत्तों में घूमते हैं और अपने वृत्त में एक बिंदु पर एक निश्चित कुंडल में विद्युत धारा उत्पन्न करते हैं। प्रत्येक यात्रा करने वाला कण एक विशिष्ट साइक्लोट्रॉन आवृत्ति-क्षेत्र अनुपात प्रदर्शित करता है जो नमूने में द्रव्यमान को प्रकट करता है।

मुक्त प्रेरण क्षय

स्पंदित एफटी स्पेक्ट्रोमेट्री एकल, समय-निर्भर माप की आवश्यकता का लाभ देती है जो समान लेकिन विशिष्ट संकेतों के एक सेट को आसानी से विघटित कर सकती है। परिणामी समग्र सिग्नल को मुक्त प्रेरण क्षय कहा जाता है, क्योंकि आम तौर पर नमूना आवृत्ति में असमानताओं के कारण सिग्नल क्षय हो जाएगा, या मापी जा रही संपत्ति के एन्ट्रोपिक नुकसान के कारण सिग्नल की अप्राप्य हानि होगी।

स्पंदित स्रोतों के साथ नैनोस्केल स्पेक्ट्रोस्कोपी

स्पंदित स्रोत नियर-फील्ड स्कैनिंग ऑप्टिकल माइक्रोस्कोप|स्कैनिंग नियर-फील्ड ऑप्टिकल माइक्रोस्कोपी तकनीकों में फूरियर-ट्रांसफॉर्म स्पेक्ट्रोस्कोपी सिद्धांतों के उपयोग की अनुमति देते हैं। विशेष रूप से नैनो-एफटीआईआर में, जहां एक तेज जांच-टिप से प्रकीर्णन का उपयोग नैनोस्केल स्थानिक रिज़ॉल्यूशन के साथ नमूनों की स्पेक्ट्रोस्कोपी करने के लिए किया जाता है, स्पंदित अवरक्त लेजर से एक उच्च-शक्ति रोशनी अपेक्षाकृत छोटे प्रकीर्णन क्रॉस सेक्शन (अक्सर <1%) के लिए बनाती है ) जांच का.

फूरियर-ट्रांसफॉर्म स्पेक्ट्रोमीटर के स्थिर रूप

फूरियर-ट्रांसफॉर्म स्पेक्ट्रोमीटर के स्कैनिंग रूपों के अलावा, कई स्थिर या स्व-स्कैन किए गए फॉर्म भी हैं। जबकि इंटरफेरोमेट्रिक आउटपुट का विश्लेषण विशिष्ट स्कैनिंग इंटरफेरोमीटर के समान है, महत्वपूर्ण अंतर लागू होते हैं, जैसा कि प्रकाशित विश्लेषणों में दिखाया गया है। कुछ स्थिर रूप फेलगेट मल्टीप्लेक्स लाभ को बरकरार रखते हैं, और वर्णक्रमीय क्षेत्र में उनका उपयोग जहां डिटेक्टर शोर सीमाएं लागू होती हैं, एफटीएस के स्कैनिंग रूपों के समान है। फोटॉन-शोर सीमित क्षेत्र में, स्थिर इंटरफेरोमीटर का अनुप्रयोग वर्णक्रमीय क्षेत्र और अनुप्रयोग के लिए विशिष्ट विचार से तय होता है।

फेलगेट लाभ

Main article: Fellgett's advantage

फूरियर-ट्रांसफ़ॉर्म स्पेक्ट्रोस्कोपी के सबसे महत्वपूर्ण लाभों में से एक पी.बी. फेलगेट द्वारा दिखाया गया था, जो विधि के शुरुआती समर्थक थे। फेलगेट लाभ, जिसे मल्टीप्लेक्स सिद्धांत के रूप में भी जाना जाता है, बताता है कि स्पेक्ट्रम प्राप्त करते समय जब माप शोर डिटेक्टर शोर पर हावी होता है (जो डिटेक्टर पर विकिरण की घटना की शक्ति से स्वतंत्र होता है), एक मल्टीप्लेक्स स्पेक्ट्रोमीटर जैसे कि फूरियर-ट्रांसफॉर्म स्पेक्ट्रोमीटर एम के वर्गमूल के क्रम के समतुल्य स्कैनिंग मोनोक्रोमेटर की तुलना में सिग्नल-टू-शोर अनुपात में सापेक्ष सुधार उत्पन्न होगा, जहां एम स्पेक्ट्रम में शामिल नमूना बिंदुओं की संख्या है। हालाँकि, यदि डिटेक्टर शॉट-शोर पर हावी है, तो शोर शक्ति के वर्गमूल के समानुपाती होगा, इस प्रकार एक व्यापक बॉक्सकार स्पेक्ट्रम (निरंतर ब्रॉडबैंड स्रोत) के लिए, शोर एम के वर्गमूल के समानुपाती होता है, इस प्रकार सटीक रूप से ऑफसेट होता है फ़ेलगेट का लाभ। लाइन उत्सर्जन स्रोतों के लिए स्थिति और भी खराब है और एक अलग 'मल्टीप्लेक्स नुकसान' है क्योंकि एक मजबूत उत्सर्जन घटक से शॉट शोर स्पेक्ट्रम के कमजोर घटकों को अभिभूत कर देगा। शॉट शोर मुख्य कारण है कि फूरियर-ट्रांसफॉर्म स्पेक्ट्रोमेट्री पराबैंगनी (यूवी) और दृश्यमान स्पेक्ट्रा के लिए कभी लोकप्रिय नहीं थी।

यह भी देखें

• एप्लाइड स्पेक्ट्रोस्कोपी
• फोरेंसिक रसायन शास्त्र
• फोरेंसिक पॉलिमर इंजीनियरिंग
• नाभिकीय चुबकीय अनुनाद
• समय विस्तार फैलाने वाला फूरियर रूपांतरण
• अवरक्त स्पेक्ट्रोस्कोपी
• धातु कार्बोनिल्स की इन्फ्रारेड स्पेक्ट्रोस्कोपी
• नैनो-FTIR
• फेलगेट का लाभ

बाहरी संबंध

• Description of how a Fourier transform spectrometer works
• The Michelson or Fourier transform spectrograph
• Internet Journal of Vibrational Spectroscopy – How FTIR works
• Fourier Transform Spectroscopy Topical Meeting and Tabletop Exhibit