傅里叶红外光谱仪(傅里叶变换红外光谱测量解决方案)

傅里叶变动红外光谱丈量处理方案

文丨刘前霞

编纂 | 市场部

公布丨卓立汉光

概述

红外光谱武艺使用红外光与物质互相作用完成物质光谱特性的丈量。红外光通常所指的是波长在780nm~1mm之间光谱范围很宽的电磁波。1800年支配，英国天文学家威廉-赫歇尔因红外光的热效应发觉了红外光, 自此开启了红外光谱的征程。平常的红外热成像仪就是使用红外相机对人体发射的红外光举行成像，只是没有光谱区分。依据红外光与化学物互相作用的特点，进一步分为近红外光(NIR,12500~4000cm-1)、中红外(MIR,4000~400cm-1)以及远红外波段(FIR,400~10cm-1)光谱丈量。

1、红外光谱原理

要了解红外光与物质互相作用的机制，起首从分子的布局和实质开头。化合物中的原子以不同的办法不休地活动和振动，即使像水如此简便的分子也有六种不同的振动办法：对称拉伸、反对称拉伸、变形或弯曲振动、摇摆和歪曲振动等。每一种振动都以不同的频率产生，这是化学键和化合物所特有的。这些振动频率恰好与电磁波谱中红外光的频率相婚配，当满意一定的条件，分子就会与红外光作用，惹起光子数目标厘革。由于每种化学物质都有不同频率的振动，因此每种化合物的频谱都是唯一无二的, 这意味着红外光谱创造了一种“化学指纹”，可以用来识别和量化几乎任何化学物种。

图1 分子振动形式

图2 极性分子与非极性分子

物质红外光谱的产生是由于化学键的振动能级和外红光的能量相反，产生了共振吸取，从而产生能级跃迁。那么只需振动与红外光子的能量相反就可以产生共振吸取么？内幕上，还必要满意电偶极矩的厘革。比如，思索一对称的非极性分子的对称振动形式，总电偶极距在产生振动前后都为零，因此不会对红外有吸取。与之不同的是拉曼光谱，关于非极性分子的对称振动，由于外电磁场下分子团队产生大局极化率，固然没有红外吸取信号，但是存在拉曼散射信号。而关于极性分子，约莫在振动前后同时存在刹时偶极矩和极化率的厘革，因此约莫同时存在红外吸取信号和拉曼散射信号。

图3 水分子的振动光谱

绝大大多天然化合物的基频振动显如今中红外光谱(4000~400cm-1)地区。依照光谱特性与分子布局的干系，红外光谱可分为特性区(官能团区,4000~1300cm-1)和指纹区(1300~400cm-1)。特性区光谱体现为吸取峰数目少，同时易辨别，可用于辨别官能团，包含种种双键、三键伸缩基频峰(包含H原子的单键等)，因此它是辨别官能团有代价的区间，又称为官能团区。指纹区包含种种单键(C-C，C-O)的伸缩振动以及大多基团的弯曲振动，体现为吸取峰多、峰强，峰的强度、峰型受分子布局的厘革影响敏感，布局上的弱小厘革(好像系物，同分异构体和空间异构等)都市惹起指纹区的厘革，因此称为指纹区。指纹区关于区别布局相似的化合物至关紧张。

2、红外光谱的丈量

红外光谱以前成为化学分析武艺的一个通用术语，此中最常用的武艺是傅里叶变动红外光谱武艺(Fourier transform infrared spectrum, FT-IR)。通常所指的傅里叶变动红外光谱仪丈量范围主要在中红外波段(400~4000cm-1)，是光谱检测中使用十分广泛的武艺。1970年支配研制告捷的傅里叶变动红外彻底改动了红外检测武艺。20世纪80年代终期，新的丈量办法(如衰减全反射丈量，Attenuated Total Reflection)颠末改良不休成熟，大大提高了红外光谱丈量的听从和实用范围。现在，多量化学物种的红外光谱信息已被汇编成光谱库，即使对那些不了解其眼前实际的人来说，红外光谱学也十分简便。傅里叶红外光谱武艺具有光谱收罗听从高、通光量大、光谱区分率高、信噪比好的优点。该武艺的数据收罗与传统的红外光谱仪器不同，是经过傅里叶变动的数学运算将数据转换光谱信息。

图4 FT-IR武艺的原理表现图

如图4是傅里叶变动红外光谱仪的原理表现图，光谱仪主要由迈克尔逊干涉仪构成，此中包含宽带分束片，红外宽带光源以及宽带红外探测器。红外光源产生的宽带红外光源颠末红外分束镜，一局部透射到动镜，另一方局部颠末反射到安稳镜。分散来主动镜和定镜的光束由于光程差产生干涉，信号强度被单点探测器丈量。经过往返挪动动镜, 取得宽带光源的干涉图，再颠末傅里叶变动，取得随波长(波数)厘革的光谱图。傅里叶变动的分光原理是基于光的干涉，光谱仪收罗到的是干涉图，颠末快速傅里叶变动算法取得能量图或光谱图。再经过样品的透过率或反射率丈量取得样品在不同波长(波数)的红外吸取光谱。

图5 FT-IR 红外吸取光谱的丈量原理

傅里叶变动光谱仪的光谱范围受光学元件的限定，包含光源、分束片、检测器。依据光学体系的光谱范围的要求，选择切合的光源、分束片、探测器可以完成从近红外、中红外到远红外的丈量。当确定了光源、光路以及检测器，那么怎样完成样品的光谱丈量呢？这必要从物质的实质和外形动身选择不同的光谱丈量办法。稀有的红外光谱的丈量办法主要有四种形式，包含透射形式、衰减全反射形式、漫反射形式以及镜面反射形式。

红外透射

依据比尔-朗伯定律A=lg(1/T)=aLc(A为吸光度, T为透光度, a为吸光系数, L为吸取层厚度, c为吸光物质的浓度)，透射形式的吸光强度和样品的吸取系数、厚度以及浓度成恰比。红外透射是红外光谱丈量的标准办法，常常用于固体、液体、气体的定性和定量分析，具有高敏捷度和低本钱的上风。固体常用压片法使用浓缩剂举行中红外透射率测试。具体利用是将样品和溴化钾一同研磨成微米颗粒后，压片成直径13mm、厚度0.5mm的薄片，溴化钾和样品的比例约为100:1(样品1~2mg)。由于溴化钾易于吸水潮解，为了制止水分吸取对红外光谱丈量的干扰，压片之前必要对KBr粉末举行干枯处理。关于液体敦睦体，可以依据吸光系数，选择不同光程的透射样品池，依据挥发性和腐化性选择可拆卸或密封式样品池。总之，选择切合的样品池后，透射形式基本可以完成ppm和ppb敏捷度量级的样品检测。

衰减全反射丈量形式(Attenuated Total Reflection, ATR)

由于红外透射丈量必要对样品举行研磨和压片等繁琐的前处理，而使用红外ATR丈量可以直接举行丈量，这大大提高了红外光谱的丈量听从。ATR形式是基于全内反射原理，当一束红外光从光密介质到光疏介质，会产生一束反射光和折射光，当入射角大于全反射角时，折射光源将沿晶体界面转达，惹起隐逝波。隐逝波转达方面沿界面举行，等相位面垂直于界面，随着阔别界面距离增长，光强渐渐衰减为零，衰减深度为：

图6 FT-IR ATR丈量的表现图

衰减全反射时，光颠末全反射晶体(光密介质，如金刚石)反射，隐逝波在样品(光疏介质)内里转达和衰减。消失波与光疏介质(样品)的互相作用越强，全反射的信号相对越小，假如样品在入射光的频率地区有吸取，反射光强度在样品有吸取的频率地点产生减弱，可产生和平凡透射吸取相相似的谱图，因此可用于化学构成的定性和定量分析。接纳ATR 附件丈量，由于不同波数隐逝波的穿透深度不同，测得的红外光谱在高波数和低波数的穿透深度不同，意味着不同波长的光程不同，为了与平凡透射红外光谱举行比力，必要对 ATR附件测得的光谱举行校正，以1000 cm-1为基准(1000cm-1处AB=AB(ATR)校正公式：

AB(ATR)= AB* ν[cm-1] / 1000 [cm-1]

全反射晶体的选择主要思索要素有折射率、临界角、入射角、穿透深度、实用光谱范围、反射次数、好效光程、晶体耐酸碱度、晶体硬度等。金刚石的硬度最大，且耐酸耐碱耐化学腐化，使用广泛，但其在1800~2300 cm-1(4.3~5.5um)波段有强吸取，在此地区有吸取的样品必要制止使用。ZnSe晶体可实用的光谱范围在20000~650 cm-1，切合绝大数样品的测试，但其不耐酸碱，硬度不高，容易产生划痕。实行中必要依据实践需求对ATR晶体举行选择。

漫反射光谱丈量

图7 镜面反射和漫反射

红外固体透射丈量形式必要研磨、粉末干枯以及压片等前样品处理历程。ATR丈量形式固然合适绝大大多样品，但是假如样品很硬，很容易把全反射晶体压坏，大概样品不合适压头挤压，就不再可以使用ATR形式举行丈量，这时分可以思索漫反射光谱丈量形式举行红外光谱丈量。漫反射丈量形式十分实用于很硬的固体颗粒或固体粉末，大概负载在载体上微量样品，是红外原位测试很紧张的附件，好比对情况催化剂干系的原位研讨，研讨催化剂外表改性、催化剂在反响历程中的吸附、反响动力学等。漫反射法不必要对固体粉末举行处理，可以直接测试颗粒、块体、片状等样品。使用积分球漫反射光谱丈量可以对样品举行定性、定量分析。

镜面反射光谱丈量

依据菲涅尔定律，反射率和偏振干系，平行光和垂直光的反射率表现如下:

当光入射角为布鲁斯特角(Brewster angle)θB时，反射光与折射光互相垂直，同时水平偏振光的反射率为零

，

，

反射光局部仅有垂直偏振光，依据菲涅尔定律有：

可以经过选择切合的偏振举行丈量，取得样品外表的光谱反射率曲线，再经过K-K干系取得样品的光学常数(折射率n和消光系数k)以及色散干系(与波长的依托干系)，再直接取得样品在不同波长下的吸取系数。镜面反射红外丈量形式主要针对薄膜样品的丈量，关于薄膜样品红外光经过的光程不够信号单薄的成绩，可以经过与高反射衬底一同构建更大通光程的样品，或掠入射等办法完成愈加敏捷的测试。

3、红外光谱分析

收罗到一幅红外光谱图，起首推断收罗谱图的质量，确保红外吸取强度大且无饱和、图谱噪声较小、基线平整，水和CO2峰等干扰不分明等。样品的红外光谱由一系列红外吸取峰构成，不同的吸取峰具有不同的峰位、峰强以及峰型。分子内种种官能团的特性吸取峰主要显如今红外光波段的官能团区(4000~1300cm-1)，而基频峰主要显如今指纹区(1300~400cm-1)。红外吸取峰的强度取决于分子振动前后偶极矩的厘革轻重，偶极矩厘革越大吸取越强。寻常来说极性较强的基团振动(如C=O,C-H)，吸取强度越大。而极性越弱的基团(如C=C)振动吸取强度越弱。不同基团的振动约莫振动频率相近，约莫一段频率有多个振动的强吸取，但是由于基团内多个振动峰位和强度不太约莫都相反，显现固然峰位相反但峰型不相反的情况，如-OH、-NH伸缩振动峰在3400~3200cm-1, 但是两者的峰型很不同，从而区分出不同的官能团。官能团区主要是确定哪一类物质，确认完官能团后，再经过指纹区辨别物质的精密布局，通官能团区和值指纹区可以对样品的布局举行定性的推断。别的针对定性推断，也可以使用浩繁光谱剖析东西剖析光谱，以及使用谱库检索协助辨别样品光谱。经过透射等丈量形式取得吸光度或透过率的红外光谱图，依据Beer-Lambert定律举行定量分析。

图8 Zolix FI-RXF100傅里叶变动光谱仪丈量对乙酰氨基苯酚(P-acetamidophenol)红外光谱图(包含官能团区和指纹区)

总结

卓立汉光仪器仅限公司长时从事光谱、光电以及光谱成像等国产分析仪器的自主研发, 25年来一直以客户的需求作为动身点，与科研院所和高等教导研讨机构创建了严密无间的互助，为浩繁科研用户提供处理方案。针对红外光谱丈量中对信噪比、光通量，光谱范围等高功能的需求，推出了多种机型的傅里叶变动红外光谱仪，可以完成对包含液体、固体、气体等样品在近红外、中红外、远红外波段(12800~50cm-1)宽光谱范围完成高光谱区分(1~0.25cm-1)的红外光谱丈量 (具体请眷注干系机型)。

FI-RXF200研讨型傅里叶变动红外光谱仪

拥有优于 0.25cm-1 光谱区分率、光谱范围可扩展到 12800~350cm-1, 可选择光源和检测器的主动切换，同时兼容种种内置、外置型附件，可以满意科研用户多种不同的原位红外丈量需求。

FI-RIR便携式红外拉曼一体机

专门使用于突发性事故现场、爆炸事变、化学事故现场、卫生医疗、地动、失火、实行室未知物检、严重沾染事故和极度情况中，是一种对种种未知化学物质举行现场采样、快速定性分析的高度一体化的光谱判定仪，它可以在数秒钟之内对固体、液体、粉末状、浓厚状等样品举行快速定性分析。