傅立葉紅外光譜儀的分光元件

傅立葉紅外光譜儀的分光元件傅里葉變換紅外光譜儀（FourierTransformInfraredSpectrometer，簡(jiǎn)寫(xiě)為FTIRSpectrometer）,簡(jiǎn)稱(chēng)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(kāi)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、地礦、石油、煤炭、環(huán)保、海關(guān)、寶石鑒定、刑偵鑒定等領(lǐng)域。傅里葉變換紅外光譜儀主要由邁克爾遜干涉儀和計(jì)算機(jī)組成。邁克爾遜干涉儀的主要功能是使光源發(fā)出的光分為兩束后形成一定的光程差，再使之復(fù)合以產(chǎn)生干涉，所得到的干涉圖函數(shù)包含了光源的全部頻率和強(qiáng)度信息。用計(jì)算機(jī)將干涉圖函數(shù)進(jìn)行傅里葉變換，就可計(jì)算出原來(lái)光源的強(qiáng)度按頻率的分布。它克服了色散型光譜儀分辨能力低、光能量輸出小、光譜范圍窄、測(cè)量時(shí)間長(zhǎng)等缺點(diǎn)。它不僅可以測(cè)量各種氣體、固體、液體樣品的吸收、反射光譜等，而且可用于短時(shí)間化學(xué)反應(yīng)測(cè)量。目前，紅外光譜儀在電子、化工、醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域均有著廣泛的應(yīng)用。傅里葉變換紅外（FourierTransformInfrared，F(xiàn)TIR）光譜儀主要由紅外光源、分束器、干涉儀、樣品池、探測(cè)器、計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)、記錄系統(tǒng)等組成，是干涉型紅外光譜儀的典型代表，不同于色散型紅外儀的工作原理，它沒(méi)有單色器和狹縫，利用邁克爾遜干涉儀獲得入射光的干涉圖，然后通過(guò)傅里葉數(shù)學(xué)變換，把時(shí)間域函數(shù)干涉圖變換為頻率域函數(shù)圖（普通的紅外光譜圖）。（1）光源：傅里葉變換紅外光譜儀為測(cè)定不同范圍的光譜而設(shè)置有多個(gè)光源。通常用的是鎢絲燈或碘鎢燈（近紅外）、硅碳棒（中紅外）、高壓汞燈及氧化釷燈（遠(yuǎn)紅外）。（2）分束器：分束器是邁克爾遜干涉儀的關(guān)鍵元件。其作用是將入射光束分成反射和透射兩部分，然后再使之復(fù)合，如果可動(dòng)鏡使兩束光造成一定的光程差，則復(fù)合光束即可造成相長(zhǎng)或相消干涉。對(duì)分束器的要求是：應(yīng)在波數(shù)v處使入射光束透射和反射各半，此時(shí)被調(diào)制的光束振幅最大。根據(jù)使用波段范圍不同，在不同介質(zhì)材料上加相應(yīng)的表面涂層，即構(gòu)成分束器。（3）探測(cè)器：傅里葉變換紅外光譜儀所用的探測(cè)器與色散型紅外分光光度計(jì)所用的探測(cè)器無(wú)本質(zhì)的區(qū)別。常用的探測(cè)器有硫酸三甘鈦（TGS）、鈮酸鋇鍶、碲鎘汞、銻化銦等。（4）數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)：傅里葉變換紅外光譜儀數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的核心是計(jì)算機(jī)，功能是控制儀器的操作，收集數(shù)據(jù)和處理數(shù)據(jù)。按光學(xué)系統(tǒng)分光譜儀按照光學(xué)系統(tǒng)的不同可以分為色散型和干涉型，色散型光譜儀根據(jù)分光元件的不同，又可分為棱鏡式和光柵式，干涉型紅外光譜儀即傅里葉變換紅外光譜儀（FTIR）。其中光柵式的優(yōu)點(diǎn)是可以重復(fù)光譜響應(yīng)，機(jī)械性能可靠，缺點(diǎn)是效率偏低，對(duì)偏振敏感；干涉型光譜儀的優(yōu)點(diǎn)在于可以提供很高的光譜分辨率以及很高的光譜覆蓋范圍，同時(shí)其需要高精度的光學(xué)組件及機(jī)械組件作為支持。干涉型紅外光譜儀憑借其高分辨率、高波數(shù)精度、高靈敏度等優(yōu)點(diǎn)，迅速成為的分析儀器中的研究熱點(diǎn)。按使用場(chǎng)景分傅里葉變換紅外光譜儀根據(jù)使用場(chǎng)景不同可分為專(zhuān)業(yè)型與多用途型。專(zhuān)業(yè)型傅里葉變換紅外光譜儀包括了大氣環(huán)境傅里葉紅外光譜儀、太空星載傅里葉光譜儀、化學(xué)分析傅里葉紅外光譜儀、車(chē)載遙感傅里葉變換紅外光譜儀等；多功能傅里葉變換光譜儀可以實(shí)現(xiàn)多種物質(zhì)的分析，通常用于實(shí)驗(yàn)室對(duì)相應(yīng)樣品進(jìn)行分析?；驹砉庠窗l(fā)出的光被分束器（類(lèi)似半透半反鏡）分為兩束，一束經(jīng)透射到達(dá)動(dòng)鏡，另一束經(jīng)反射到達(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(guò)樣品池，通過(guò)樣品后含有樣品信息的干涉光到達(dá)檢測(cè)器，然后通過(guò)傅里葉變換對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理，最終得到透過(guò)率或吸光度隨波數(shù)或波長(zhǎng)的紅外吸收光譜圖。主要特點(diǎn)信噪比高傅里葉變換紅外光譜儀所用的光學(xué)元件少，沒(méi)有光柵或棱鏡分光器，降低了光的損耗，而且通過(guò)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。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(lái)的誤差，所以重現(xiàn)性比較好。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)采集求平均后的結(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。[1]技術(shù)參數(shù)光譜范圍：4000--400cm-1或7800--350cm-1(中紅外)/125000--350cm-1(近、中紅外)最高分辨率：2.0cm-1/1.0cm-1/0.5cm-1信噪比：15000:1(P-P)/30000:1(P-P)/40000:1(P-P)分束器：溴化鉀鍍鍺/寬帶溴化鉀鍍鍺檢測(cè)器：DTGS檢測(cè)器/DLATGS檢測(cè)器光源：空冷陶瓷光源主流產(chǎn)品國(guó)產(chǎn)主流廠家：天津港東生產(chǎn)的FTIR-650傅里葉變換紅外光譜儀、FTIR-850傅里葉變換紅外光譜儀；北京瑞利生產(chǎn)的WQF-510傅里葉變換紅外光譜儀、WQF-520傅里葉變換紅外光譜儀；進(jìn)口品牌廠家：日本SHIMADZU生產(chǎn)的IRAffinity-1,IRAffinity-21傅里葉變換紅外光譜儀；美國(guó)ThermoFisher生產(chǎn)的Nicolet6700、IS10、IS5傅里葉變換紅外光譜儀；德國(guó)BrukerOptics生產(chǎn)的Tensor27、Tensor37傅立葉變換紅外光譜儀；應(yīng)用酒制品檢測(cè)分析不同產(chǎn)地的葡萄酒具有不同的質(zhì)量與風(fēng)格，市場(chǎng)上葡萄酒以假亂真、以次充好現(xiàn)象頗多，尋找簡(jiǎn)單有效地鑒別葡萄酒產(chǎn)區(qū)的方法，有利于葡萄酒市場(chǎng)的健康發(fā)展。向伶俐等人采用近、中紅外光譜的貝葉斯信息融合技術(shù)對(duì)葡萄酒原產(chǎn)地進(jìn)行快速識(shí)別，建模集準(zhǔn)確率為87.11%，檢驗(yàn)集準(zhǔn)確率為90.87%，提高判別的準(zhǔn)確度，為葡萄酒原產(chǎn)地真?zhèn)巫R(shí)別提供了一種高效低成本的新方法。此外，利用紅外光譜對(duì)白酒年份與香型鑒別也有十分效。因不同香型白酒的成分有所差異，其紅外光譜也不盡相同，可根據(jù)紅外光譜差異鑒別不同年份的白酒。蜂蜜檢測(cè)分析我國(guó)蜂蜜質(zhì)量參差不齊，摻假現(xiàn)象也較為嚴(yán)重。孫燕等利用中紅外圖譜分析儀結(jié)合化學(xué)計(jì)量軟件建立饒河黑蜂蜂蜜產(chǎn)地真假判別模型判別饒河本地的蜂蜜樣品和其它地區(qū)蜂蜜樣品，準(zhǔn)確率達(dá)90.3%，為蜂蜜真?zhèn)舞b別提供了一種有效的方法。谷類(lèi)檢測(cè)分析近年來(lái)，少數(shù)造假者頻頻在陳舊大米中涂抹摻加植物油、礦物油，增加其亮度和光澤，冒充優(yōu)質(zhì)新鮮大米銷(xiāo)售，嚴(yán)重危害消費(fèi)者身心健康。張耀武等利用紅外光譜對(duì)涂有和摻有礦物油的大米進(jìn)行定性鑒別。將分離出含有礦物油的試樣進(jìn)行紅外光譜測(cè)試，未出現(xiàn)1745cm-1脂C=O的伸縮振動(dòng)吸收和1000~1300cm-1伸縮振動(dòng)吸收，證明該試樣中含有直鏈烷烴的礦物油。該方法可用于對(duì)大米、餅干、瓜子和食用油中是否摻加工業(yè)礦物油的鑒定。糧食在高溫高濕條件下極易發(fā)霉變質(zhì)，不僅造成經(jīng)濟(jì)損失還嚴(yán)重威脅人畜健康。劉凌平等利用傅里葉變換衰減全反射紅外光譜技術(shù)結(jié)合化學(xué)計(jì)量學(xué)方法，對(duì)稻谷中7種常見(jiàn)有害霉菌進(jìn)行了快速鑒定，建立的線性判別分析和偏最小二乘判別分析模型對(duì)7種不同類(lèi)別菌株的留一交互驗(yàn)證整體正確率分別達(dá)到87.1%和87.3%，表明該技術(shù)可用于谷物中霉菌不同屬間的快速鑒別，尤其對(duì)不同菌屬的霉菌具有良好的判別效果。果蔬檢測(cè)分析果蔬中農(nóng)藥殘留快速、高效的檢測(cè)技術(shù)是當(dāng)前食品安全控制關(guān)注的重大問(wèn)題。朱春艷