紅外反射吸收光譜

1、1紅外反射吸收光譜原理及其應用2目錄1 紅外反射吸收光譜的原理2 影響紅外反射吸收法的因素3 紅外反射吸收光譜法的特點4 反射吸收光譜法的實驗技術5 RAS技術的應用31 紅外反射吸收光譜的原理w紅外反射吸收光譜法定義紅外反射吸收光譜法定義w紅外光照射到涂有樣品的金屬片時，大部分光線被反射出來，稱之為外反射或鏡面反射。收集并檢測反射光的信號，從中減去金屬本身的吸收，就可以得到涂在金屬表面的樣品的信號。若光線的入射角在7088之間，則可測得被增強的光譜信號，這就是紅外反射吸收光譜法（Reflection- Absorption Spectroscopy，RAS）。RAS是表征金屬表面吸附物、涂料

2、結構以及研究金屬表面化學反應的重要方法。4wRAS 技術的原理技術的原理w當IR光束在金屬表面上發(fā)生反射時, 反射光電矢量ER 的方向將隨著光線入射角和入射光的偏振狀態(tài)而發(fā)生變化。圖1 給出了在掠角入射時(入射角接近90時稱為掠角入射)ER的方向與入射光偏振狀態(tài)間的關系。入射光電矢量與入射面垂直時(稱為S偏振光) , ER與入射光電矢量ES振幅接近但方向相反, 兩者在界面產生相消干涉, 因此界面電場強度接近為零。當入射光電矢量方向與入射面平行時(稱為P偏振光) , ER與入射光電矢量EP在界面產生相長干涉, 兩者在垂直于表面的方向上產生了較強的界面電場E, E的振幅接近于EP的兩倍,因此界面電

3、場的強度約比EP的強度增加了四倍。5(A) S偏振 (B) P偏振 (C) 透射譜時E 與表面平行圖圖1 偏振光在金屬反射面上的相位變化和透射譜測量時電場方向與表面的位置偏振光在金屬反射面上的相位變化和透射譜測量時電場方向與表面的位置關系關系6自然光入射到金屬界面上時,每一電矢量可以分解為兩個組份(分量) ,即與入射面平行的P組份和與入射面垂直的S組份。掠角入射條件下,電矢量中S組份在金屬界面產生的電場為零,因此不能產生IR 吸收。對于P組份,在金屬界面產生的電場得到增強且方向與表面垂直,這與透射譜測量時有很大不同。在傳統(tǒng)的透射量時,入射光垂直穿過界面,電場矢量與界面是平行的(見圖1) ,與界

4、面平行的振動躍遷產生最大IR吸收。在用RAS方法測量時,只有P組份對IR吸收有貢獻, 并且界面電場的方向與界面垂直, 因此, 垂直于表面的振動模式在RA譜中有最大吸收, 而平行于表面的振動模式不產生IR吸收(此即表面選擇定則) 。RA譜與透射譜結合對研究分子中各基團振動躍遷矩、分子鏈和官能團的取向有重要意義。72 影響RAS方法靈敏度的因素 1.入射角 在RA 譜測量時, IR光在樣品層穿過的光程與入射角有關。設待測樣品薄層厚度為d ,那么光程b與入射角的關系為: b = 2 d/ cos 在掠角入射條件下,光程b 將遠遠大于膜厚d。另外,界面電場強度也與入射角有關?？紤]光程和電場強度的雙重影

5、響,根據Greenler的計算,當入射角為88時,樣品對IR 光有最強的吸收。實現88入射角實驗上較困難,實際測量時入射角一般在80 85之間。82. 金屬鏡面的反射率RAS方法的靈敏度和信噪比與金屬鏡面的反射率有很大關系。鏡面的反射率愈大,獲得的RA譜質量愈好。RAS技術要求鏡面有很高的反射率,常用金屬鍍層有Ag、Al 和Au 等。3. 入射光的性質利用自然光和偏振光均能獲得樣品的RA譜, 但兩者測試的信噪比和靈敏度不同。Song等人的研究結果表明,利用P偏振光比用自然光時信噪比提高二倍以上。93.RAS方法的特點w1. 高靈敏度特性w大多數有機樣品要獲得高質量的IR透射譜, 通常需要樣品層

6、的厚度在10 20m之間,而RA譜能夠測定厚度在1m以下的樣品,甚至對數分子層厚度的膜層(納米量級)也能獲得令人滿意的IR譜。w2. RA譜測量時滿足表面選擇定則w即只有在垂直于表面的方向上有振動躍遷矩分量的振動模式才能產生IR吸收,這一特性在分子或官能團的取向研究中得到了廣泛利用。10.反射吸收光譜法的實驗技術 圖2是一次反射的RAS裝置示意圖。和內反射光譜不同，在表面反射其能量是有損失的。采用多次反射裝置，即將兩片涂有樣品的金屬相向平行排列，使入射光在兩片金屬之間來回多次反射，就可以增強樣品的信號。但由于每次反射都伴有能量損失，因而必須對應不同的情況，選擇一個最佳的反射次數，以得到高的信噪

7、比。如果入射角選擇適當，對于大多數金屬來說，只用兩次反射就可以得到最大的信噪比，僅金、銅和銀除外，它們分別需要3，4和6次反射但大多數情況下可以采用一次反射裝置。 11圖2 一次反射的反射吸收光譜法裝置示意圖12樣品制備: 為了制得極薄的樣品，可以把樣品溶解在溶劑中配成稀溶液（0.0010.01mol/L）。然后把拋光的金屬浸在溶液里，再緩慢從溶液中勻速抽出，溶液揮發(fā)后，樣品即涂在金屬表面。也可把溶液滴在金屬表面，溶劑揮發(fā)后，樣品分子即按一定方向或混亂地排列在金屬表面。13五、RA技術的應用 在透射法或RAS法測量IR譜圖時, 兩者的電場分別與界面平行或垂直。如果某一振動模式的躍遷矩平行于界面, 那么其透射譜吸收強度要遠遠大于RA譜, 反之, 若某一振動模式的躍遷矩垂直于界面,則其RA譜的強度則要大得多。因此根據某一特征譜帶在透射譜或RA譜中的強度比,就可以分析特定基團的躍遷矩的取向問題。 利