儀器分析6-1報告課件

紅外光譜最新進(jìn)展張普敦紅外光譜最新進(jìn)展張普敦11.掠角反射(GrazingIncidenceReflection)掠角反射是外反射技術(shù)的一種。它得到的也是反射吸收光譜（RAS，ReflectionAbsorptionSpectroscopy）。該技術(shù)采用的入射角非常大，接近90o，因此很多科學(xué)家也將這種技術(shù)稱為掠角反射（GrazingIncidenceReflection）。這種技術(shù)可用于研究表面層的紅外光譜，但是由于采用了掠角入射，紅外光進(jìn)入樣品的深度非常淺，因此在研究界面分子層中各官能團(tuán)的取向時有突出的優(yōu)點。該技術(shù)在單分子LB膜的研究中有獨特的作用。一.反射紅外光譜技術(shù)1.掠角反射(GrazingIncidenceRef2掠角反射的特點：1）光的偏振特性；2）表面選擇原則；3）高的信噪比和靈敏度；在掠角測量時，IR光束在樣品層的光程遠(yuǎn)大于膜層的實際厚度。基于這樣的認(rèn)識，這種掠角反射技術(shù)特別適合研究單分子膜的結(jié)構(gòu)。掠角反射的特點：1）光的偏振特性；在掠角測量時，IR光束在樣3掠角反射技術(shù)的限制1）光譜測量范圍由于受光束能量的限制，這種技術(shù)測量范圍一般只能在800cm-1以上，低于此的振動用這種方法很難研究，因為在這一區(qū)間光源的能量低，檢測器靈敏度差；特別在偏振研究時，非金屬界面上的反射光與入射光不能產(chǎn)生完全的相消干涉，使靈敏度降低，峰形狀扭曲，取向研究也變得復(fù)雜。2）非金屬界面的測定和鏡面反射一樣，用掠角反射技術(shù)結(jié)合起偏器研究界面分子的取向是這種技術(shù)的一個重要應(yīng)用。掠角反射技術(shù)的限制1）光譜測量范圍由于受光束能量的限制，這種42．漫反射紅外光譜（DRIFTS）當(dāng)紅外光照射到粉末樣品時，一部分光會在樣品表面產(chǎn)生鏡面反射，大部分光經(jīng)折射進(jìn)入樣品內(nèi)部，與樣品分子發(fā)生作用而發(fā)生反射、折射、散射、吸收等現(xiàn)象，最后由樣品表面輻射出來（如圖示）。由于漫反射光與樣品分子發(fā)生了作用，因此將載有樣品分子的結(jié)構(gòu)信息。漫發(fā)射紅外光譜技術(shù)在催化劑的研究中有重要應(yīng)用。漫發(fā)射也是一種外反射技術(shù)。2．漫反射紅外光譜（DRIFTS）當(dāng)紅外光照射到粉末樣品時，5DRIFTS的原理示意圖如下：DRIFTS的原理示意圖如下：6漫反射技術(shù)的特點：1）漫反射與鏡面反射共存。如果樣品表面粗慥，鏡反射會降低，漫反射提高。測量DRIFTS時要盡可能降低鏡反射。2）漫反射光強(qiáng)很弱。這是因為漫反射的光在各個方向，能檢測到的只是一個很小方向的光。正是由于此，在第一代和第二代紅外光譜中漫發(fā)射技術(shù)受到很大限制，F(xiàn)TIR的高通量和高信噪比才使該技術(shù)得到極大的推廣。3）漫反射光譜和透射光譜圖很相似。漫反射技術(shù)的特點：1）漫反射與鏡面反射共存。如果樣品表面粗慥7由于漫反射光很弱，所以要獲得高質(zhì)量的漫反射譜除了需要高通量的FTIR儀器和高靈敏的檢測器外，漫反射裝置的設(shè)計也需要有高的收集效率。下面是我們實驗室漫反射附件的光路圖，另外實物圖也給了出來。漫反射裝置：由于漫反射光很弱，所以要獲得高質(zhì)量的漫反射譜除了需要高通量的8儀器分析6-1報告ppt課件9由于漫反射光程長可變，很多情況下漫反射光譜測得的反射率R的負(fù)對數(shù)（log（1/R））與樣品的濃度不成線性變化。Kubelka-Munk方程可提供更好的線性關(guān)系，因為它消除了對波長依賴的鏡面反射的影響。Kubelka-Munk方程：R：樣品層無限厚時的反射率（實際上，幾個毫米厚就可以了）；K：樣品的吸光系數(shù)；S是樣品的散射系數(shù)。K∝粉末樣品的濃度C，故KM∝C，這就是漫反射定量的依據(jù)。由于漫反射光程長可變，很多情況下漫反射光譜測得的反射101）樣品粉末必須要用KBr粉末稀釋，高濃度區(qū)域該方程不適用；采用K-M方程定量應(yīng)注意的問題：2）樣品濃度<10％，最好在1％左右；3）用KBr做參比時，R＝R（樣品）/R（參比）；4）樣品和基體均必須仔細(xì)研磨到2～5微米，否則會對散射系數(shù)S的大小產(chǎn)生影響；5）樣品厚度必須至少在3mm以上。1）樣品粉末必須要用KBr粉末稀釋，高濃度區(qū)域該方程不適用；113．衰減全反射－傅立葉變換紅外光譜（ATR-FTIR）什么是全反射？當(dāng)光束I0由一種光學(xué)介質(zhì)進(jìn)入到另一種光學(xué)介質(zhì)時，光線在兩種介質(zhì)的界面將發(fā)生反射和折射現(xiàn)象。如圖：當(dāng)入射光以入射角i照射到界面時，反射光Ir和折射光It遵從：n1和n2分別代表介質(zhì)1和介質(zhì)2的折射率。

反射定律：反射角＝入射角；折射定律：3．衰減全反射－傅立葉變換紅外光譜（ATR-FTIR）什么是12完全發(fā)生全反射的入射角稱做臨界角（criticalangle）ie，以上討論說明，發(fā)生全反射的條件必須滿足兩個：1）介質(zhì)1折射率n1必須大于介質(zhì)2折射率n2，即光必須從光密介質(zhì)進(jìn)入光疏介質(zhì)；2）入射角大于臨界角。完全發(fā)生全反射的入射角稱做臨界角（criticalangl13什么是衰減全反射？從現(xiàn)代光學(xué)物理來看，事實上全反射現(xiàn)象不完全是在兩種介質(zhì)的界面上進(jìn)行的，部分光束要進(jìn)入到介質(zhì)2一段距離后才反射回來，在ATR測量時，介質(zhì)2多為有機(jī)化合物，對紅外光有一定吸收。有機(jī)樣對紅外光有選擇的吸收使透入到樣品的光束在發(fā)生吸收的波長處減弱，這就是所謂的衰減全反射。什么是衰減全反射？從現(xiàn)代光學(xué)物理來看，事實上全反射現(xiàn)象不完全14ATR原理：ATR原理：15儀器分析6-1報告ppt課件16ATR-FTIR的應(yīng)用：1）聚合物復(fù)合膜的研究；ATR/IRspectraofathinfilmcompositepolyamideandcelluloseacetatereverseosmosismembrane.ATR-FTIR的應(yīng)用：1）聚合物復(fù)合膜的研究；ATR/IR172）物質(zhì)表面的競爭吸附研究；JournalofColloidandInterfaceScience294(2006)31–373）電子舌－食品、水果品種的識別；SensorsandActuatorsB116(2006)23–28（蘋果品種識別），Talanta69(2006)469–480（啤酒識別）4）偏振－ATR-FTIR研究PET瓶的表面取向；Polymer47(2006)5691–57005）藥物分析JournalofPharmaceuticalandBiomedicalAnalysis40(2006)433–4376）通過與DNA連接檢測蛋白及小分子SensorsandActuatorsB114(2006)445–450（北大，趙新生）2）物質(zhì)表面的競爭吸附研究；JournalofCollo18二.紅外光聲光譜技術(shù)(PAS)光聲效應(yīng)是100多年前（1880年）Bell在研究光通信時發(fā)現(xiàn)的，他也憑此發(fā)明了世界上第一臺光電話機(jī)。二.紅外光聲光譜技術(shù)(PAS)光聲效應(yīng)是100多年前（1192.光聲光譜的產(chǎn)生原理

1）熱波的產(chǎn)生：

調(diào)制的紅外光照到樣品后，樣品就會吸收光輻射的能量，當(dāng)能量足夠大時，樣品分子就會被激發(fā)到激發(fā)態(tài)，激發(fā)態(tài)分子處于高能級上，具有很大的能量，當(dāng)沒有化學(xué)反應(yīng)時，激發(fā)態(tài)分子要很快衰減掉激發(fā)能而回到基態(tài)（一般在ns～ps之間）。能量衰減一般通過三種方式進(jìn)行：輻射躍遷（產(chǎn)生熒光的過程）、無輻射躍遷（又稱馳豫，relax）和分子間能量傳遞。其中馳豫過程會產(chǎn)生熱能，使樣品溫度升高。由于入射光是經(jīng)過干涉儀調(diào)制的光，故此就能夠產(chǎn)生樣品溫度的相應(yīng)調(diào)制，即產(chǎn)生與調(diào)制頻率相同的“熱波”。

2.光聲光譜的產(chǎn)生原理1）熱波的產(chǎn)生：調(diào)制的紅外光照到202）光聲光譜的產(chǎn)生：

由于光學(xué)調(diào)制頻率在音頻范圍，因此熱波產(chǎn)生的信號也是音頻信號。在密閉光聲池中熱波向緊挨著的氣體擴(kuò)散，從而在周圍氣體中產(chǎn)生一個聲壓波，該聲壓波可通過一個微型麥克風(fēng)檢出。紅外光束通過檢測器窗口并穿過氣體（最好是氦氣）之后，在樣品表面反射一部分，反射率為R，另一部分進(jìn)入樣品。在樣品里x=0處的紅外光強(qiáng)度為I0（1-R），在深度為x處的光強(qiáng)衰減為I0（1-R）e-ax，a是樣品的吸收系數(shù)。

2）光聲光譜的產(chǎn)生：由于光學(xué)調(diào)制頻率在音頻范圍，因此熱波產(chǎn)21吸收紅外光的每個dx層樣品都會感受到溫度變化幅度為DT的熱振動，

DT∝I0（1-R）e-axdx每個樣品層的溫度振動DT都是一個熱波源。來自樣品整體的熱波擴(kuò)散到光輻照的樣品表面并緊挨著的氣體。熱波的擴(kuò)散系數(shù)為

其中as是樣品的熱擴(kuò)散率。

吸收紅外光的每個dx層樣品都會感受到溫度變化幅度為DT的熱振22對于深度x處產(chǎn)生的熱波在擴(kuò)散進(jìn)入緊挨著的氣體之前樣品表面熱波的振動幅度DT正比于I0（1-R）ae-(a+as)xdx。被反射回樣品的熱波因子為Rt，則樣品表面處氣體的溫度振動幅度DTg正比于I0（1-R）（1-Rt）ae-(a+as)xdx。

熱擴(kuò)散產(chǎn)生的光聲信號與所有DTg的貢獻(xiàn)總和有關(guān)。這些貢獻(xiàn)來自每一樣品層，這些樣品層中IR光能被吸收，由于這些層十分接近表面，以至于在穿過樣品-氣體表面后其振幅還沒衰減到零。從而對光聲池中的氣體產(chǎn)生聲壓波。并可被麥克風(fēng)檢測出來。對于深度x處產(chǎn)生的熱波在擴(kuò)散進(jìn)入緊挨著的氣體之前樣品表面熱波23紅外光束通過檢測器窗口并穿過氣體（最好是氦氣）之后，在樣品表面反射一部分，反射率為R，另一部分進(jìn)入樣品。在樣品里x=0處的紅外光強(qiáng)度為I0（1-R），在深度為x處的光強(qiáng)衰減為I0（1-R）e-ax，a是樣品的吸收系數(shù)。

紅外光束通過檢測器窗口并穿過氣體（最好是氦氣）之后，在樣品表24FTIR-PAS測量的采樣深度：紅外和熱波的衰減系數(shù)a+as在光聲信號產(chǎn)生中起關(guān)鍵作用。若a<<as時，溫度振動擴(kuò)散中的ae-(a+as)x項產(chǎn)生依賴于紅外吸收的線性光聲信號。這種情況下，樣品在表面下熱擴(kuò)散長度為ms=1/as的樣品層貢獻(xiàn)63％的信號，其余37％的信號來自更深層的樣品。

該熱擴(kuò)散長度ms稱作PAS的采樣深度。FTIR-PAS測量的采樣深度：紅外和熱波的衰減系數(shù)a+a25當(dāng)ms=1/as=(as/pf)0.5=(as/pVu)0.5時，

通過改變鏡速即可改變PAS測量的深度。這里f為調(diào)制頻率，V為動鏡速度，u為紅外光的頻率。

可以看出，如果光譜測量范圍從4000到400cm-1，那么采樣深度會隨波數(shù)減小而增加。即動鏡速度不變時，同一樣品的FTIR-PAS測量的采樣深度在各個波數(shù)處是不一樣的。

為了得到恒定的采樣深度，則需要選擇一個恒定的調(diào)制頻率測量而與鏡子的調(diào)制無關(guān)，這需要通過采用步進(jìn)掃描模式實現(xiàn)。當(dāng)ms=1/as=(as/pf)0.5=(as/pVu262．2．3紅外光聲光譜的響應(yīng)FTIR-PAS的光譜響應(yīng)由以下條件決定：1）光源能量；2）FTIR光譜儀的準(zhǔn)直情況；3）分束器的光譜特性；4）光聲檢測器的光譜響應(yīng)；5）干涉儀動鏡速度（調(diào)制頻率）。前三項由FTIR儀器性能決定。PAS的光譜響應(yīng)決定光聲光譜的靈敏度。固體樣品的光聲光譜比透射法低1～2個數(shù)量級，但對強(qiáng)吸收樣品，PAS法效果要好的多。

2．2．3紅外光聲光譜的響應(yīng)FTIR-PAS的光譜響應(yīng)由以272．2．4影響PAS的因素1）共振池任何光聲池都有固有的共振頻率，如果固有共振頻率遠(yuǎn)離光聲信號的波段范圍，則共振對光聲信號的影響就很小，可忽略、但如果共振頻率落在光聲信號波段范圍，則PAS信號會受到影響。2）動鏡速度3）PAS光譜的本底光譜一般用碳黑做本底光譜的采集。2．2．4影響PAS的因素1）共振池2）動鏡速度3）PAS28快掃描與步進(jìn)掃描相調(diào)制模式原理快掃描與步進(jìn)掃描相調(diào)制模式原理29步進(jìn)掃描相調(diào)制紅外光聲光譜原理IQ光聲信號數(shù)字信號處理系統(tǒng)未經(jīng)校正的I譜、Q譜相譜：幅譜：相轉(zhuǎn)譜：步進(jìn)掃描相調(diào)制紅外光聲光譜原理IQ光聲信號數(shù)字信號處理系統(tǒng)未30DepthProfilingofSBS/PETLayeredMaterialsUsingStep-ScanPhaseModulationFourierTransformInfraredPhotoacousticSpectroscopy

樣品A(a)、B(b)、C(c)在動鏡速度為0.1581cm?s-1時的紅外光聲光譜DepthProfilingofSBS/PETLay31儀器分析6-1報告ppt課件322．3紅外顯微成像技術(shù)（FTIRMicroscopicImaging）2．3．1FTIR顯微成像技術(shù)的原理FTIR顯微技術(shù)是將FTIR光譜儀與光學(xué)顯微鏡聯(lián)用的一種新技術(shù)，可以對微米區(qū)域的樣品進(jìn)行研究。顯微成像技術(shù)是對一個選定區(qū)域（幾十微米到幾個毫米）的每一個點進(jìn)行紅外光譜測定，然后用計算機(jī)技術(shù)將這些點的紅外光譜按區(qū)域進(jìn)行二維或三維圖譜繪制。2．3紅外顯微成像技術(shù)（FTIRMicroscopic33紅外成像技術(shù)依賴下面三點：1）掃描；2）空間編碼和解碼；3）紅外顯微鏡及多通道檢測器。通過對二維圖譜中特定基團(tuán)的特征頻率的研究，從微觀角度得到一些深層次的信息。紅外成像技術(shù)依賴下面三點：34在紅外顯微成像中，光路系統(tǒng)是最核心的部分。一般有透射成像、反射成像和ATR成像三種方式透射式紅外顯微鏡光路圖1-上光闌；2-樣品；3-下光闌反射式紅外顯微鏡光路圖1-光闌；2-樣品在紅外顯微成像中，光路系統(tǒng)是最核心的部分。一般有透射成像、反35ATR成像和反射式成像的光路相似，只不過在ATR成像時需要一個ATR附件，并且在做ATR成像時晶體必須與樣品緊密接觸，另外，ATR成像一般都是單點成像。ATR成像和反射式成像的光路相似，只不過在ATR成像時需要一362．3．2紅外顯微成像的方式1）單點顯微紅外成像即在選定的區(qū)域里逐點進(jìn)行紅外光譜掃描，然后用計算機(jī)軟件將其組合成二維IR圖像。2）焦平面陣列檢測顯微成像焦平面陣列檢測器（FocalPlaneArray,FPA）是一個多通道檢測器（如64×64MCT，128×128InSb），可對較大面積進(jìn)行一次采集，而不用逐點移動樣品臺，減少了機(jī)械運動帶來的誤差。首篇關(guān)于FPA的文章發(fā)表在1995年的Anal.Chem.上，很快就被國外各大公司采用。2．3．2紅外顯微成像的方式1）單點顯微紅外成像即在選定的37FPA的特點：a）對大面積樣品一次掃描即可得到成像圖，減少了逐點移動掃描帶來的誤差；b）FPA檢測器最先是美國軍方用于衛(wèi)星監(jiān)測上的，只是在最近一些年才逐漸應(yīng)用到民用研究上，但是所有民用儀器上的檢測器都是軍方淘汰產(chǎn)品，其內(nèi)部本身存在一些壞點，而且，這些壞點會隨著使用越來越多。FPA的特點：a）對大面積樣品一次掃描即可得到成像圖，減少了383）線陣列成像單點成像速度太慢（一般都在幾十分鐘到幾個小時），F(xiàn)PA檢測器易出現(xiàn)壞點。為了克服二者的缺點，Nicolet公司采取了折中，開發(fā)了線陣列成像（16×2MCT）檢測器，采用該檢測器能大為提高成像分析的速度。本實驗室就采用這種檢測器的紅外成像系統(tǒng)。3）線陣列成像單點成像速度太慢（一般都在幾十分鐘到幾個小時）392．3．3紅外顯微成像的特點1）微區(qū)分析；2）非破壞性檢測；3）樣品均勻度的研究；2．3．3紅外顯微成像的特點1）微區(qū)分析；2）非破壞性檢測40（6）EVA熱熔粘合劑相容性的研究（AnalSci,2007,23(7),877-880）不同比例的EVA和石油樹脂混合后的FTIRImaging。（6）EVA熱熔粘合劑相容性的研究（AnalSci,2041（7）PP/PA6/PP-g-MAH的相容性研究（Vib.spectro.,2009,49,17-21)0#：PP:PA6:PP-g-MAH=70:30:0（7）PP/PA6/PP-g-MAH的相容性研究（Vib.42

0#2#4#6#8#0#2#4#6#8432#4#6#8#6#√2#4#6#8#6#√445)法醫(yī)化學(xué)研究(