傅里葉變換紅外光譜儀解析

1、儀器分析綜述系別：生物科學(xué)與技術(shù)系班級：09食品2姓名：歐陽凡學(xué)號：091304251傅里葉變換紅外光譜儀.、八、-前言隨著計算方法和計算技術(shù)的發(fā)展，20世紀(jì)70年代出現(xiàn)新一代的紅外光譜測量技術(shù)及儀器一傅里葉變換紅外光譜儀（FourierTransformInfraredSpectrometer，簡寫為FTIR，簡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、動鏡、定鏡）、樣品室、檢測器以及各種紅外反射鏡、激光器、控制電路板和電源組成。可以對樣品進(jìn)行定性和定量分析，廣泛應(yīng)用于醫(yī)藥化工、地礦

2、、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由光學(xué)檢測系統(tǒng)、計算機書籍處理系統(tǒng)、計算機接口、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)動鏡，另一束經(jīng)透射到達(dá)定鏡。兩束光分別經(jīng)定鏡和動鏡反射再回到分束器，動鏡以一恒定速度作直線運動，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)檢測器，然后通過傅里葉變換對信號進(jìn)行處理，最終得到透過率或吸光度隨波數(shù)或波長的紅外吸收光譜圖。光學(xué)檢測系統(tǒng)由邁克遜干涉儀、光源、檢測器組成、邁克遜干涉儀內(nèi)有兩個相垂直的平面反射

3、鏡Ml、M2和一個與兩鏡成45度角的分束器，Ml可沿鏡軸方向前后移動。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?，照在分束器上后變成兩束光。其中一束被反射到可動鏡頭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)探測器。因而這兩束到達(dá)探測器的光油了光程差，成了相干光，移動可動鏡M1可改變兩束光程差。在連續(xù)改變光程差的同時，記錄下中央干涉條紋的光強變化，及得到干涉圖。如果在復(fù)合的相干光路中放有樣品，就得

4、到樣品的干涉圖。需要通過計算機進(jìn)行傅里葉變換后才能得到紅外光譜圖。主要特點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，因此到達(dá)檢測器的輻射強度大，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光的信號進(jìn)行處理，避免了電機驅(qū)動光柵分光時帶來的誤差，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的

5、吸收強度和表示方法紅外吸收光譜分析對于同一類型的化學(xué)鍵，偶極矩的變化與結(jié)構(gòu)的對稱性有關(guān)。例如C=C雙鍵在下述三種結(jié)構(gòu)中，吸收強度的差別就非常明顯（1）RCH=CH2摩爾吸光系數(shù)=40（2）RCH=CHR'順式摩爾吸光系數(shù)=10（3）RCH=CHR'反式摩爾吸光系數(shù)=2這是由于對于C=C雙鍵來說，結(jié)構(gòu)（1）的對稱性最差，因此吸收較強，而結(jié)構(gòu)（3）的對稱性相對最高，故吸收最弱。紅外光譜的吸收強度和表示方法此外，對于同試樣，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弱的不同，使原子間的距離增大，偶極矩變化增大，吸收增強。例如，醇類的羥基在四氯化碳溶劑中伸

6、縮振動的強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，強度也有很大的差別。紅外光譜的吸收強度和表示方法紅外光譜的吸收強度常定性的用s（強）、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（5000-625cm-1、澳化鉀晶片（5000400cmcm-1、氟化鈣晶片（5000-1110cm-1以及硒化鋅晶片（5000-500cm-1）。（2配備了衰減全反射光譜AttenuatedTotalReflection簡稱ATR又叫

7、內(nèi)反射光譜（InternalReflectionSpectra。ATR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用。ATR研究的體系涉及有機組裝膜、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化合物，金屬有機化合物，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)都有伸縮振動和彎曲振動吸收。在遠(yuǎn)紅外區(qū)可能會觀察到環(huán)的面外彎曲或折疊（變形振動吸收。遠(yuǎn)紅外區(qū)會觀察到氫鍵振動吸收譜帶。品格振動吸收只有在晶體的遠(yuǎn)紅外

8、光譜中才會出現(xiàn)，對于非結(jié)晶態(tài)固體不存在品格振動吸收。氣體分子的全部或部分純轉(zhuǎn)動光譜都位于遠(yuǎn)紅外區(qū)。(4氣相色譜-紅外光譜聯(lián)用：wb050MCT檢測器(10000450cm-l。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，對于混合物的定性分析常常是無能為力的。色譜法長于分離混合物的優(yōu)點正是紅外光譜法的弱點，紅外光譜法長于定性和結(jié)構(gòu)分析的優(yōu)點又正是色譜法的弱點，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器，就組成了一種理想的分析工具。(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

9、譜儀的氣體池中，就能用紅外光譜法對氣樣進(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(商品名HaveItAll：該譜庫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。對紅外光數(shù)據(jù)庫進(jìn)行聯(lián)機檢索和利用軟件進(jìn)行計算機輔助譜圖解析，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，實際上是光譜儀的高度自動化由于計算機技術(shù)和自動化技術(shù)在儀器中的廣泛使用，使得紅外光譜儀的調(diào)整、控制、測試及結(jié)果的分析大部分由計算機程序控制和完成，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樣品的某一區(qū)域進(jìn)行掃描，并最后給出

10、該區(qū)域化學(xué)成分的分布圖，如AIM8800(Shimadzu、Continuum(Nicolet、EquinoxTM55(Brucker、Spectrum2000(PerkinElmer和Stingraylmaging(Bio-Rad等顯微紅外光譜儀均有此功能。Continuum和EquimoxTM55在對某一點樣品進(jìn)行測量時，可同時觀察樣品狀況。AIM8800可自動記錄樣品檢測點及北京的位置。紅外顯微鏡可在測量時自動尋找設(shè)定的位置并調(diào)整到最佳狀態(tài)進(jìn)行測量。Stingraylmaging將步進(jìn)掃描功能與焦平面陣列式檢測器結(jié)合起來，可在短時間內(nèi)測定紅外化學(xué)圖像。2.隨著儀器精密度的提高，部分公司在

11、分辨率，掃描速度等方面達(dá)到了很高的指標(biāo)女口BrukerIFS120H最佳分辨率為0.0008cm_1,Bomen公司DA系列可達(dá)0.0026cmJ。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皮納秒時間分辨光譜。NicoletNexus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納秒的時間分辨光譜。使用多種分束器后光譜范圍Bruker為50000-4cm_1，Bomen為50000-4cm_1，Nicolet為25000-20cm_1。這些很高的技術(shù)指標(biāo)，標(biāo)志材料、光路設(shè)計、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

12、的穩(wěn)定性，抗震性，光源的穩(wěn)定和使用壽命，監(jiān)測器的靈敏度和穩(wěn)定性等均反映儀器的水平（如AIM8800選用玻璃密封的MCT檢測器，密封效果好，無需定期抽真空）。用戶必須根據(jù)自己的測試要求及性能價格比來選擇適當(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)計了光譜儀與熱重分析儀的接口，使聯(lián)用測試的靈敏度大大提高，并可同時采集熱重和紅外數(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

13、動化外，還配上不同類型的附件，用于不同的測量要求。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EquinoxTM55多達(dá)6個外光路，可與拉曼附件、GC、TC和紅外顯微鏡四機聯(lián)用。Nicolet的Nexus有5個外光路，可提供多機聯(lián)用及發(fā)射光譜的分析。PerkinElmer公司的Programm2000有4個外光路接口，用于不同類型的聯(lián)機。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

14、鏡一體化，JASCO）等。對于特定目的的用戶，不必購置通用紅外光譜。4各種實用附件的發(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，可對各種微量樣品進(jìn)行處理。能切割出膠片中幾卩到幾百卩的異物，用微量點滴器將某些器件上的雜物溶解并吸出后進(jìn)行紅外顯微測定，此附件很大提高了顯微紅外光譜儀測定的樣品種類和測定的效率。Bruker為Vector22/N近紅外光譜儀專門設(shè)計的近紅外積分球，光斑為1020mn，并配有樣品旋轉(zhuǎn)器，它對大顆粒的樣品（如玉米）仍能進(jìn)行較好的定量分析。PerkinElmer公司紅外光譜儀采用AVI技術(shù)，在儀器中置一標(biāo)準(zhǔn)甲烷氣，對測定的光譜波數(shù)進(jìn)行校正

15、，提高了測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，自動模擬各種測量條件下的水汽和二氧化碳的光譜，對光譜進(jìn)行水汽和二氧化碳的校正；在進(jìn)行ATR等測量中，能自動顯示樣品與ATR晶體之間的壓力情況，保持兩者的最佳接觸面又不會損壞晶體。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、動態(tài)光譜法（動力學(xué)法）、光譜儀與各種儀器的聯(lián)用，以及與計算機技術(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定。微型光譜儀與普通的光譜儀相比具有很大的優(yōu)點，它除了具有微小型、低成本、易于實現(xiàn)模塊化，還具有耐用、緊湊、易于校準(zhǔn)、抗震動、抗環(huán)境溫度壓力變化影響等。但目前國內(nèi)研制的微小型光譜儀一般還基本是原理樣機狀態(tài)，還無法成為