傅里葉變換紅外光譜儀

1、儀器分析綜述系別：生物科學(xué)與技術(shù)系班級(jí)：09食品2 姓名：歐陽凡 學(xué)號(hào)：091304251傅里葉變換紅外光譜儀前言隨著計(jì)算方法和計(jì)算技術(shù)的發(fā)展，20世紀(jì)70年代出現(xiàn)新一代的紅外光譜測(cè)量技術(shù)及儀器-傅里葉變換紅外光譜儀（Fourier Transform Infrared Spectrometer，簡(jiǎn)寫為FTIR ,簡(jiǎn)稱為傅里葉紅外光譜儀。它不同于色散型紅外分光的原理，是基于對(duì)干涉后的紅外光進(jìn)行傅里葉變換的原理而開發(fā)的紅外光譜儀，主要由紅外光源、光闌、干涉儀（分束器、動(dòng)鏡、定鏡）、樣品室、檢測(cè)器以及各種紅外反射鏡、激光器、控制電路板和電源組成?？梢詫?duì)樣品進(jìn)行定性和定量分析，廣泛應(yīng)用于醫(yī)藥化工、地

2、礦、石油、煤炭、環(huán)保、海關(guān)、寶石鑒定、刑偵鑒定等領(lǐng)域。正文傅里葉變換紅外光譜儀分光光度計(jì)由光學(xué)檢測(cè)系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)書籍處理系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)接口、電子線路系統(tǒng)組成。光源發(fā)出的光被分束器（類似半透半反鏡）分為兩束，一束經(jīng)反射到達(dá)動(dòng)鏡，另一束經(jīng)透射到達(dá)定鏡。兩束光分別經(jīng)定鏡和動(dòng)鏡反射再回到分束器，動(dòng)鏡以一恒定速度作直線運(yùn)動(dòng)，因而經(jīng)分束器分束后的兩束光形成光程差，產(chǎn)生干涉。干涉光在分束器會(huì)合后通過樣品池，通過樣品后含有樣品信息的干涉光到達(dá)檢測(cè)器，然后通過傅里葉變換對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理，最終得到透過率或吸光度隨波數(shù)或波長(zhǎng)的紅外吸收光譜圖。光學(xué)檢測(cè)系統(tǒng)由邁克遜干涉儀、光源、檢測(cè)器組成、邁克遜干涉儀內(nèi)有兩個(gè)相垂直的平面反

3、射鏡M1、M2和一個(gè)與兩鏡成45度角的分束器，M1可沿鏡軸方向前后移動(dòng)。自光源發(fā)出的紅外光經(jīng)準(zhǔn)直鏡M3反射后變?yōu)槠叫泄馐赵诜质魃虾笞兂蓛墒?。其中一束被反射到可?dòng)鏡頭M1后又被M1反射回分束器，并在分束器上再次分城反射光和透射光，透射光部分照在舉聚光鏡M4上，然后到到達(dá)探測(cè)器，另一束光透過分束器，射在固定鏡M2上，并被M2反射回分束器，在分束器上再次發(fā)生反射和透射，反射部分照在聚光鏡M4上，最后也到達(dá)探測(cè)器。因而這兩束到達(dá)探測(cè)器的光油了光程差，成了相干光，移動(dòng)可動(dòng)鏡M1可改變兩束光程差。在連續(xù)改變光程差的同時(shí)，記錄下中央干涉條紋的光強(qiáng)變化，及得到干涉圖。如果在復(fù)合的相干光路中放有樣品，就

4、得到樣品的干涉圖。需要通過計(jì)算機(jī)進(jìn)行傅里葉變換后才能得到紅外光譜圖。主要特點(diǎn)1、信噪比高傅里葉變換紅外光譜儀所用的光學(xué)元件少，沒有光柵或棱鏡分光器，降低了光的損耗，而且通過干涉進(jìn)一步增加了光的信號(hào)，因此到達(dá)檢測(cè)器的輻射強(qiáng)度大，信噪比高。2、重現(xiàn)性好傅里葉變換紅外光譜儀采用的傅里葉變換對(duì)光的信號(hào)進(jìn)行處理，避免了電機(jī)驅(qū)動(dòng)光柵分光時(shí)帶來的誤差，所以重現(xiàn)性比較好。3、掃描速度快傅里葉變換紅外光譜儀是按照全波段進(jìn)行數(shù)據(jù)采集的，得到的光譜是對(duì)多次數(shù)據(jù)采集平均后的結(jié)果，而且完成一次完整的數(shù)據(jù)采集只需要一至數(shù)秒，而色散型儀器則需要在任一瞬間只測(cè)試很窄的頻率范圍，一次完整的數(shù)據(jù)采集需要十分鐘至二十分鐘。FTIR

5、 的吸收強(qiáng)度和表示方法紅外吸收光譜分析 對(duì)于同一類型的化學(xué)鍵，偶極矩的變化與結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性有關(guān)。例如C C 雙鍵在下述三種結(jié)構(gòu)中，吸收強(qiáng)度的差別就非常明顯（1）R CH CH2 摩爾吸光系數(shù) = 40 （2）R CH CH R 順式摩爾吸光系數(shù) = 10 （3）R CH CH R 反式摩爾吸光系數(shù) = 2 這是由于對(duì)于C C 雙鍵來說，結(jié)構(gòu)（1）的對(duì) 稱性最差，因此吸收較強(qiáng)，而結(jié)構(gòu)（3）的對(duì)稱性相對(duì)最高，故吸收最弱。紅外光譜的吸收強(qiáng)度和表示方法 此外，對(duì)于同試樣，在不同的溶劑中，或在同一溶劑中不同濃度的試樣中， 由于氫鍵的影響以及氫鍵強(qiáng)弱的不同，使原子間的距離增大，偶極矩變化增大，吸收增強(qiáng)。例如

6、，醇類的羥基在四氯化碳溶劑中伸縮振動(dòng)的強(qiáng)度就比在乙醚溶劑 中弱得多。而在不同濃度的四氯化碳溶液中，由于締合狀態(tài)的不同，強(qiáng)度也有很大的差別。 紅外光譜的吸收強(qiáng)度和表示方法 紅外光譜的吸收強(qiáng)度常定性的用 s （強(qiáng)）、 m （中等）、 w （弱）、vw （極弱）。傅里葉變換紅外光譜儀功能(1制樣方法與手段齊全：包括KBr 壓片法、石蠟糊、薄膜法及各種各樣的氣體池和液體池。用于薄膜法的晶片有氯化鈉晶片(5000化鈉晶片(5000-625 cm-1、溴化鉀晶片(5000400 cmcm-1 、氟化鈣晶片(5000-1110 cm-1以及硒化鋅晶片(5000-500 cm-1）。(2配備了衰減全反射光譜A

7、ttenuated Total Reflection 簡(jiǎn)稱A TR 又叫內(nèi)反射光譜(Internal Reflection Spectra。A TR 技術(shù)在紅外研究中特別是在界面固體薄膜領(lǐng)域的IR 研究中得到了廣泛運(yùn)用。 A TR 研究的體系涉及有機(jī)組裝膜、金屬表面吸附層及液體等。(3 配備了6微米Mylar 膜(50050cm-1遠(yuǎn)紅外分束器：波數(shù)范圍50050cm-1。遠(yuǎn)紅外光譜是研究無機(jī)化合物，金屬有機(jī)化合物，尤其是研究金屬配位化合物性質(zhì)的一種非常重要的手段。在無機(jī)化合物中，許多金屬的氧化物、硫化物、鹵化物、非金屬的鹵化物在遠(yuǎn)紅外區(qū)都有伸縮振動(dòng)和彎曲振動(dòng)吸收。在遠(yuǎn)紅外區(qū)可能會(huì)觀察到環(huán)的面

8、外彎曲或折疊(變形 振動(dòng)吸收。遠(yuǎn)紅外區(qū)會(huì)觀察到氫鍵振動(dòng)吸收譜帶。品格振動(dòng)吸收只有在晶體的遠(yuǎn)紅外光譜中才會(huì)出現(xiàn)，對(duì)于非結(jié)晶態(tài)固體不存在品格振動(dòng)吸收。氣體分子的全部或部分純轉(zhuǎn)動(dòng)光 譜都位于遠(yuǎn)紅外區(qū)。(4氣相色譜-紅外光譜聯(lián)用：wb050MCT 檢測(cè)器 (10000450cm-1。光管傳輸線溫度50350度。 紅外光譜法原則上只能用于純化合物，對(duì)于混合物的定性分析常常是無能為力的。色譜法長(zhǎng)于分離混合物的優(yōu)點(diǎn)正是紅外光譜法的弱點(diǎn)，紅外光譜法長(zhǎng)于定性和結(jié)構(gòu)分析的優(yōu)點(diǎn)又正是色譜法的弱點(diǎn)，聯(lián)合這兩種方法，把色譜儀作為紅外光譜儀的前置分離工具，或者說，把紅外光譜儀作為色譜儀的檢測(cè)器，就組成了一種理想的分析工具

9、。(5熱重-紅外光譜聯(lián)用：只要在TGA 分析中被分析物所釋放的揮發(fā)組分有紅外吸收，而且能被載氣帶入紅外光譜儀的氣體池中，就能用紅外光譜法對(duì)氣樣進(jìn)行定性分析。(6配備了高溫高壓原位池。(7大型Sadtler 標(biāo)準(zhǔn)譜庫(kù)(商品名HaveItAll ：該譜庫(kù)是迄今為止最全面最權(quán)威的純化合物的紅外標(biāo)準(zhǔn)譜庫(kù)。對(duì)紅外光 數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行聯(lián)機(jī)檢索和利用軟件進(jìn)行計(jì)算機(jī)輔助譜圖解析，解決研究與生產(chǎn)工作中遇到的結(jié)構(gòu)分析難題已經(jīng)成為化學(xué)工作者的常規(guī)性操作。傅里葉變換紅外光譜儀的進(jìn)展1 儀器日益智能化，實(shí)際上是光譜儀的高度自動(dòng)化由于計(jì)算機(jī)技術(shù)和自動(dòng)化技術(shù)在儀器中的廣泛使用，使得紅外光譜儀的調(diào)整、控制、測(cè)試及結(jié)果的分析大部分由

10、計(jì)算機(jī)程序控制和完成，如顯微紅外光譜中的圖像技術(shù)。各公司的顯微紅外光譜儀均能對(duì)樣品的某一區(qū)域進(jìn)行掃描，并最后給出該區(qū)域化學(xué)成分的分布圖，如AIM8800(Shimadzu、Continuum(Nicolet、EquinoxTM 55 (Brucker、Spectrum 2000(Perkin Elmer 和Stingray lmaging (Bio-Rad等顯微紅外光譜儀均有此功能。Continuum 和EquimoxTM 55在對(duì)某一點(diǎn)樣品進(jìn)行測(cè)量時(shí)，可同時(shí)觀察樣品狀況。AIM8800可自動(dòng)記錄樣品檢測(cè)點(diǎn)及北京的位置。紅外顯微鏡可在測(cè)量時(shí)自動(dòng)尋找設(shè)定的位置并調(diào)整到最佳狀態(tài)進(jìn)行測(cè)量。Sting

11、ray lmaging將步進(jìn)掃描功能與焦平面陣列式檢測(cè)器結(jié)合起來，可在短時(shí)間內(nèi)測(cè)定紅外化學(xué)圖像。2. 隨著儀器精密度的提高，部分公司在分辨率，掃描速度等方面達(dá)到了很高的指標(biāo)如Bruker IFS120H 最佳分辨率為0.0008 cm1，Bomen 公司DA 系列可達(dá)0.0026 cm1。而掃描速度Bruker 可達(dá)117張譜圖/秒，利用步進(jìn)掃描技術(shù)可達(dá)到250皮納秒時(shí)間分辨光譜。Nicolet Nexus 可達(dá)70次掃描/秒，利用步進(jìn)掃描技術(shù)可達(dá)優(yōu)于10納秒的時(shí)間分辨光譜。使用多種分束器后光譜范圍Bruker 為50000-4 cm1，Bomen 為50000-4 cm1，Nicolet 為

12、25000-20 cm1。這些很高的技術(shù)指標(biāo)，標(biāo)志材料、光路設(shè)計(jì)、加工技術(shù)和軟件都達(dá)到了很高的水平。但這不是傅里葉變換紅外光譜儀水平的唯一標(biāo)志，其他如儀器的穩(wěn)定性，抗震性，光源的穩(wěn)定和使用壽命，監(jiān)測(cè)器的靈敏度和穩(wěn)定性等均反映儀器的水平（如AIM8800選用玻璃密封的MCT 檢測(cè)器，密封效果好，無需定期抽真空）。用戶必須根據(jù)自己的測(cè)試要求及性能價(jià)格比來選擇適當(dāng)?shù)膬x器。3. 不同類型的專用儀器及多功能聯(lián)用技術(shù)的發(fā)展各公司為適應(yīng)不同用途的需要，設(shè)計(jì)了各種不同類型的儀器。如Bruker 公司不同類型的傅里葉變換紅外儀器達(dá)17種之多，他們與制造熱重分析儀的Netisch 公司共同設(shè)計(jì)了光譜儀與熱重分析儀

13、的接口，使聯(lián)用測(cè)試的靈敏度大大提高，并可同時(shí)采集熱重和紅外數(shù)據(jù)。Nicolet 公司又研究型、分析型和普及型等不同類型的儀器，他們的Nexus 光譜儀，除了它的高度自動(dòng)化外，還配上不同類型的附件，用于不同的測(cè)量要求。BIO-Rad 公司為適應(yīng)學(xué)校教學(xué)需要，儀器窗蓋用透明材料制成。有些公司將同一儀器增加外光路出口，增加聯(lián)用功能。如Bruker 的EquinoxTM 55多達(dá)6個(gè)外光路，可與拉曼附件、GC 、TC 和紅外顯微鏡四機(jī)聯(lián)用。Nicolet 的Nexus 有5個(gè)外光路，可提供多機(jī)聯(lián)用及發(fā)射光譜的分析。Perkin Elmer 公司的Programm 2000 有4個(gè)外光路接口，用于不同類

14、型的聯(lián)機(jī)。目前許多公司又專用的儀器，如近紅外光譜儀，紅外氣體分析儀，紅外油品分析儀，紅外半導(dǎo)體分析儀，遙感紅外光譜儀（如用于氣象），各種工業(yè)在線紅外光譜分析儀，專用紅外顯微鏡（干涉儀與顯微鏡一體化，JASCO ）等。對(duì)于特定目的的用戶，不必購(gòu)置通用紅外光譜。4各種實(shí)用附件的發(fā)展島津紅外顯微鏡AIM8800樣品處理器MMS-77D ，它安裝在紅外顯微鏡上，可對(duì)各種微量樣品進(jìn)行處理。能切割出膠片中幾到幾百的異物，用微量點(diǎn)滴器將某些器件上的雜物溶解并吸出后進(jìn)行紅外顯微測(cè)定，此附件很大提高了顯微紅外光譜儀測(cè)定的樣品種類和測(cè)定的效率。Bruker 為V ector22/N近紅外光譜儀專門設(shè)計(jì)的近紅外積分

15、球，光斑為1020mn ，并配有樣品旋轉(zhuǎn)器，它對(duì)大顆粒的樣品（如玉米）仍能進(jìn)行較好的定量分析。Perkin Elmer公司紅外光譜儀采用A VI 技術(shù)，在儀器中置一標(biāo)準(zhǔn)甲烷氣，對(duì)測(cè)定的光譜波數(shù)進(jìn)行校正，提高了測(cè)定光譜吸收峰位置波數(shù)的準(zhǔn)確度；該儀器還以水汽和二氧化碳的高分辨光譜為基礎(chǔ)建立相關(guān)軟件，自動(dòng)模擬各種測(cè)量條件下的水汽和二氧化碳的光譜，對(duì)光譜進(jìn)行水汽和二氧化碳的校正；在進(jìn)行A TR 等測(cè)量中，能自動(dòng)顯示樣品與A TR 晶體之間的壓力情況，保持兩者的最佳接觸面又不會(huì)損壞晶體。Nicolet 的歐米采樣器（Omni-Sampler ）可進(jìn)行接觸式采樣，它適用于微量樣品，硬度較大的樣品及紅外不透

16、過的樣品，如單纖維，高聚物顆粒等。小結(jié)現(xiàn)在傅里葉變換紅外光譜儀已得到全面的發(fā)展，使用方法幾乎適應(yīng)各類物質(zhì)的檢測(cè)分析，包括衰減全反射法、漫反射法，光聲光譜法、顯微光譜法、動(dòng)態(tài)光譜法（動(dòng)力學(xué)法）、光譜儀與各種儀器的聯(lián)用，以及與計(jì)算機(jī)技術(shù)的結(jié)合?，F(xiàn)在，紅外光譜法通常作為分析各種聚合物材料最佳選擇的技術(shù)。在紡織工業(yè)領(lǐng)域，主要用于對(duì)未知物的分析；定量分析；織物等表面涂層的分析和高分子材料大分子鏈等的測(cè)定。微型光譜儀與普通的光譜儀相比具有很大的優(yōu)點(diǎn)，它除了具有微小型、低成本、易于實(shí)現(xiàn)模塊化，還具有耐用、緊湊、易于校準(zhǔn)、抗震動(dòng)、抗環(huán)境溫度 壓力變化影響等。但目前國(guó)內(nèi)研制的微小型光譜儀一般還基本是原理樣機(jī)狀態(tài)，還無法