干涉型紅外光譜的發(fā)展及應(yīng)用

干涉型紅外光譜的發(fā)展及應(yīng)用

1基于光柵的紅外光度計最初的紅外分光光度計是一種使用鏡子作為分光源的鏡色散分光光度計。該機器對環(huán)境要求嚴(yán)格，對溫度和濕度敏感，分辨率低。后來出現(xiàn)了基于光柵的衍射而實現(xiàn)分光的光柵式紅外分光光度計,由于采用較為先進的光柵復(fù)制及刻制技術(shù),大大提高了儀器的分辨率,拓寬了測量波段,對恒溫、恒濕要求有所下降。近代出現(xiàn)的傅里葉紅外光譜儀(FourierTransformInfraredSpectrometer,FTIR),它的分光是基于干涉調(diào)頻而實現(xiàn),是干涉型紅外光譜儀器的典型代表,具有完善的功能,優(yōu)良的特性,它的出現(xiàn)為紅外光譜的應(yīng)用開辟了新的領(lǐng)域。2傅里葉紅外成像fti的基本組成和工作原理2.1中紅外分束器、設(shè)備組成1)光源:光源能發(fā)射出穩(wěn)定、高強度連續(xù)波長的紅外光,通常使用能斯特(Nernst)燈、碳化硅或涂有稀土化合物的鎳鉻旋狀燈絲。2)干涉儀:邁克爾遜(Michelson)干涉儀的作用是將復(fù)色光變?yōu)楦缮婀狻Ｖ屑t外干涉儀中的分束器主要是由溴化鉀材料制成的;近紅外分束器一般以石英和CaF2為材料;遠紅外分束器一般由Mylar膜和網(wǎng)格固體材料制成。3)檢測器:檢測器一般分為熱檢測器和光檢測器兩大類。熱檢測器是把某些熱電材料的晶體放在兩塊金屬板中,當(dāng)光照射到晶體上時,晶體表面電荷分布變化,由此可以測量紅外輻射的功率。熱檢測器有氘代硫酸三甘肽(DTGS)、鉭酸鋰(LiTaO)3等類型。光檢測器是利用材料受光照射后,由于導(dǎo)電性能的變化而產(chǎn)生信號,最常用的光檢測器有銻化煙、汞鎘碲等類型。2.2傅立葉變換紅外光譜儀的結(jié)構(gòu)當(dāng)某一頻率的紅外光線聚焦照射在被分析的樣品時,如果樣品分子中某個基團的振動頻率與所照射紅外線頻率相同就會產(chǎn)生共振,這個基團就吸收一定頻率的紅外線,把分子吸收的紅外線的情況用儀器記錄下來,便能得到反映試樣成份特征的光譜,從而推測化合物的類型和結(jié)構(gòu)。傅立葉變換紅外光譜儀是一種非色散型紅外吸收光譜儀,其光學(xué)系統(tǒng)的主體是邁克爾遜(Michelson)干涉儀,干涉儀的結(jié)構(gòu)如圖所示。干涉儀主要由兩個互成90°夾角的平面鏡(動鏡和定鏡)和一個分束器所構(gòu)成。定鏡、動鏡和分束器組成了傅立葉變換紅外光譜儀的核心部件———邁克爾遜干涉儀。動鏡在移動中要與定鏡保持90°夾角。分束器具有半透明性質(zhì),位于動鏡與定鏡之間并與它們呈45°夾角放置。由光源射來的一束紅外光進入干涉儀后被分束器分為兩束:一束透射光(T)和一束反射光(R)。透射光(T)經(jīng)動鏡的反射到分束器后又分為兩部分,一部分透射返回光源(TT),另一部分經(jīng)反射到達樣品(TR);反射光(R)經(jīng)定鏡的反射到分束器后又分成兩部分,一部分經(jīng)反射返回光源(RR),另一部分透射到達樣品(RT)。也就是說,經(jīng)過樣品到達干涉儀檢測器的有兩束光,并且這兩束相干光被疊加,隨著動鏡的移動這兩光束的光程差會改變,進而產(chǎn)生干涉,得到干涉圖,據(jù)此做出干涉圖函數(shù)的傅立葉余弦變化圖譜即得光譜,這就是大家所熟悉的傅立葉變換。3研究對象1)使用較短的掃描時間。由于干涉儀的多路優(yōu)點,FTIR完成全部光譜元的掃描記錄一般在1s左右,比普通的分光光度計掃描速度提高了數(shù)百倍。2)具有較高的分辨能力。在整個光譜范圍內(nèi)FTIR的分辨能力達到0.100cm-1,有些儀器因為制造較為精密,分辨能力甚至能達到0.005cm-1。3)光譜范圍的研究很寬,FTIR僅改變分束器和光源就可以研究整個紅外區(qū)的光譜。4)很大的輻射通量。在FTIR的干涉儀中因為沒有狹縫的局限性,平面鏡頭的大小決定了干涉儀的輻射通量大小,在相同分辨率下,其輻射通量遠遠大于色散型儀器的輻射通量。FTIR的此優(yōu)點使得其具有很高的靈敏度,特別適用于弱信號光譜的測量。5)雜散輻射很低。有些雜散輻射在到達探測器后,會產(chǎn)生不同的干涉環(huán)紋,當(dāng)變換為光譜后,雜散輻射會被加以鑒別出來,通常在全光譜范圍內(nèi)可低于0.30%。6)可以研究微量試樣。因為FTIR光束截面較少(約1mm左右),可研究單纖維、單晶體物質(zhì),對于痕量分析及微量物質(zhì)的分析極為重要,計算機化的現(xiàn)代紅外光譜儀,如果采用顯微紅外光譜技術(shù),被測樣品僅需幾納克(10-9g);或采用基質(zhì)分離紅外技術(shù),測出樣品的紅外吸收光譜僅需要幾皮克樣品(10-12g)。4紅外光譜檢測技術(shù)在氣態(tài)、液態(tài)及固態(tài)樣品中,紅外光譜技術(shù)都有應(yīng)用,有機、無機及高分子等化合物都可用紅外光譜技術(shù)檢測。遠紅外、近紅外及偏振紅外技術(shù),會成為FTIR技術(shù)的新的發(fā)展方向,還有高壓紅外、紅外光聲光譜、紅外遙感技術(shù)、可控變溫紅外、拉曼光譜和色散光譜技術(shù)等也會相繼出現(xiàn),這些現(xiàn)代化聯(lián)用技術(shù)的不斷涌現(xiàn),將使紅外光譜檢測技術(shù)成為物質(zhì)結(jié)構(gòu)分析和鑒定分析的有效方法。現(xiàn)階段,紅外光譜檢測技術(shù)已廣泛在石油的勘探分析、地質(zhì)礦物的研究中有效應(yīng)用,在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)、生物學(xué)、醫(yī)學(xué)、法庭科學(xué)、環(huán)境科學(xué)、染織工業(yè)和材料科學(xué)等各個學(xué)科的研究方面起到了很大的作用。物質(zhì)分子結(jié)構(gòu)的特點會以強度與位置的關(guān)系在紅外光譜吸收峰中得以反映出來,以此來確定物質(zhì)的化學(xué)基團或鑒別未知物的結(jié)構(gòu)組成;而吸收譜帶的吸收強度反映化學(xué)基團的含量,可在純度測定及定量分析中有效應(yīng)用。此外,在化學(xué)反應(yīng)的機理研究上,紅外光譜也起到了不可磨滅的作用,但還是在未知化合物的結(jié)構(gòu)鑒定的應(yīng)用中最為廣泛。4.1紅外光譜技術(shù)的應(yīng)用紅外光譜在刑偵工作中有以下三個用途:1)在偵破各類案件中,用紅外光譜技術(shù)能鑒定案發(fā)現(xiàn)場罪犯所遺留的微量物證是何種物質(zhì),從而提供了偵查方向、線索,為破案縮小了范圍。2)在偵破案件中,把案發(fā)現(xiàn)場的物證檢材與犯罪嫌疑人處提取的比對樣品進行比較,用紅外光譜技術(shù)可以認(rèn)定或否定犯罪嫌疑人。3)無損檢驗、微量檢驗。紅外光譜是一種不破壞樣品的鑒定方法,為一份樣品進行多種方法鑒定提供了方便,非常適用于樣品來源不易的物證鑒定。無論是氣體、液體、或是固體樣品,它們都可以直接測得紅外光譜。紅外光譜技術(shù)樣品用量只需要數(shù)微克,很適用于微量物證樣品的鑒定。鑒定結(jié)果充分可靠。有機化合物和多元素?zé)o機化合物都有其特征的紅外光譜圖,并且譜圖相當(dāng)復(fù)雜,這就像人的指紋一樣,故有人把紅外光譜稱之為“分子指紋”。4.2中紅外光譜分析食品的摻假種類和方式千變?nèi)f化,下面僅以油脂為例,說明紅外光譜在其摻假檢測中的應(yīng)用:目前市面上銷售的橄欖油主要可以分為:特級純、純和精煉的不同三個等級,品質(zhì)高、口感好的橄欖油因具有其獨特的風(fēng)味,所以價格也較高,特級純橄欖油的價格約是其精煉產(chǎn)品2倍左右,因此向高品質(zhì)的油中摻假較為便宜的同類型低檔的油,或不同種類低價的油,已經(jīng)成為一種新的牟利方式。根據(jù)油脂多次甲基鏈中的C—H和C—O在中紅外光譜區(qū)振動頻率和振動方式不同,因為可以反映油品信息的不同特性,從而判斷是否有摻假。采用中紅外光譜的衰減全反射對固態(tài)脂肪樣品進行檢測,采用中紅外光纖對液態(tài)油樣進行分析。根據(jù)不飽和脂肪酸含量的不同,第一主成分由脂肪的一階導(dǎo)數(shù)光譜所得,從而將黃油和菜油區(qū)分;對于液態(tài)油,根據(jù)油樣中亞麻酸含量差異性,對光譜進行二階導(dǎo)數(shù)處理,結(jié)合第一主成分,使花生油和橄欖油與菜籽油得以區(qū)別,可進一步檢測油品中的相關(guān)摻假產(chǎn)品。4.3紅外光譜檢測隨著現(xiàn)代寶玉石檢測技術(shù)的發(fā)展,紅外光譜技術(shù)被廣泛應(yīng)用于寶玉石鑒定與研究領(lǐng)域中。在紅外光譜中不同基團的吸收譜帶對應(yīng)于不同的分子或原子基團,其峰位和峰強的變化直接反映寶玉石的特性,有“指紋譜”之稱。寶玉石吸收紅外輻射(即紅外光)后,引起晶格分子、絡(luò)陰離子團和配位基的振動與轉(zhuǎn)動能級的躍遷而產(chǎn)生偶極矩變化,與其固有振動頻率相同的特定波長的紅外光被吸收形成的紅外吸收譜帶。紅外光譜技術(shù)在寶玉石檢測中主要用于研究分析寶玉石的分子結(jié)構(gòu)和化學(xué)成分。有助于判定鉆石類型、確定寶玉石的種屬、天然與合成、優(yōu)化處理、仿制品等重要信息。對于準(zhǔn)確、快速、簡易、日常無損檢測鑒別寶玉石中用途大、效果好,具有重要的補充和完善寶玉石常規(guī)檢測的意義。4.4腫瘤的發(fā)生與形態(tài)國內(nèi)有學(xué)者經(jīng)過大量研究,使用大型分析軟件SPSS處理紅外測試數(shù)據(jù)來判斷人體組織是否有癌變。腫瘤的發(fā)生是多階段、多步驟、多基因調(diào)控發(fā)展的過程。在這一過程中,細胞中的核酸、蛋白、糖、脂類物質(zhì)的含量、結(jié)構(gòu)有所變化。這些變化早于在光學(xué)顯微鏡下見到的變化。傅里葉變換紅外光譜儀可在分子水平上檢測這種變化,并對其進行定性、定量(相對含量)分析。5熱重聯(lián)用技術(shù)多功能紅外聯(lián)機檢測技術(shù),可用于復(fù)雜試樣的微量或痕量組分的分離分析,在現(xiàn)代分析測試技術(shù)中成為了新的發(fā)展趨勢。FTI