红外光谱分析仪基础知识全解

红外光谱分析仪基础知识
前言 (2)
第一章红外光谱法及相关仪器 (4)
一. 红外光谱概述 (4)
1. 红外光区的划分 (4)
2. 红外光谱法的特点 (5)
3. 产生红外吸收的条件 (5)
二. 红外光谱仪 (6)
1. 红外光谱仪的主要部件 (6)
2. 红外光谱仪的分类 (9)
3. 红外光谱仪各项指标的含义 (12)
三．红外光谱仪的应用 (15)
四．红外试样制备 (16)
四．红外光谱仪的新进展 (17)
前言
分析仪器常使用的分析方法是光谱分析法，光谱分析法可分为吸收光谱分析法和发射光谱分析法，而吸收光谱分析法又是目前应用最广泛的一种光谱分析方法：它包括有核磁共振，X射线吸收光谱，紫外-可见吸收光谱，红外光谱，微波谱，原子吸收光谱等。

但最常用的则是原子吸收光谱、紫外-可见吸收光谱和红外光谱，这些方法的最基本原理是物质（这里说物质都是指物质中的分子或原子，下同）对电磁辐射的吸收。

还有拉曼光谱和荧光光谱，也是比较常用的手段，它们的原理是基于物质发射或散射电磁辐射。

其实物质与电磁辐射的作用还有偏振、干涉、衍射等，由此发展而成的是另外一系列的仪器，如椭偏仪、测糖仪、偏光显微镜、X射线衍射仪等等，这些仪器都不是基于光谱分析法，不是我们介绍的重点。

吸收光谱可分为原子吸收光谱和分子吸收光谱。

当电磁辐射与物质相互作用时，就会发生反射、散射、透射和吸收电磁辐射的现象，物质所以能够吸收光是由物质本身的能级状态所决定的。

例如原子吸收可见光和紫外光，可以使核外电子由基态跃迁到激发态，相应于不同能级之间的跃迁都需吸收一定波长的光。

因此，如有一波长连续的光照射单原子元素的蒸气（如汞蒸气、钠蒸气等），将会产生一系列的吸收谱线。

由于在一般情况下原子都处于基态，通常只有能量相当于从基态跃迁到激发态的所谓主系谱线出现在原子的吸收光谱中。

而分于吸收光谱则比较复杂。

它们不是分立的谱线而是许多吸收带。

因为每一个分子的能量包括三部分，即分子的电子能量、振动能量和转动能量。

每一种能量都是量子化的。

当电子有一种能级跃迁到另一能级时，可能同时还伴有振动能级和转动能级的跃迁。

应此分子吸收光谱是一系列的吸收带。

通常引起原子或分子中外层价电子的跃迁需要1.5-8.0ev的能量，其相应的辐射波长在
150nm-800nm之间，这是紫外－可见吸收光谱的波长范围。

引起振动跃迁或振动－转动跃迁的能量是0.05-1.2ev，相应的辐射波长在1.0-25μm之间，这是红外光谱的范围。

各类电磁辐射的波长列于下表：
由于不通物质的原子、分子具有不同的结构，因此也就具有不同的能级状态，只有入射光的能量满足Bohr 条件，才能被物质吸收，即：
2121hv E E =-
其中，h 是普朗克常数（Planck Constant ），21v 是入射光的频率，2E 和1E 分别是跃迁前后的电子能级。

因此，每一种物质的原子或分子都具有它本身的特征吸收谱线和吸收带，这就是吸收光谱用于定性分析的理论依据。

而对于同一种物质，对入射光吸收的多少则服从朗伯－比尔（Lambert-Beer ）定律：
0log I A bc I
ε== 式中，A 为吸光度，又称为消光度或光密度；I 0为入射光强度，I 为透射光强度；
ε为摩尔吸光系数，b 为吸光厚度（cm ），c 为吸光物质的溶度（mol/L ）。

即物质对光的吸收度与物质的溶度和吸光厚度成正比，这就是吸收光谱法的定量分析的理论基础。

根据我们公司的产品，下面重点介绍紫外-可见吸收光谱、红外光谱、拉曼光谱和荧光光谱。

按常规的顺序，一般顺序是先介绍紫外－可见，后介绍红外，但鉴于我们的目前的特殊情况（傅立叶红外光谱仪和结石分析系统正在推广），先把红外光谱的相关知识介绍给大家是有必要的。

第一章红外光谱法及相关仪器
Infrared Spectrometry & Instrument
一. 红外光谱概述
红外光谱又称为分子振动转动光谱，它和紫外－可见光谱一样，也是一种分子吸收光谱。

当样品受到频率连续变化的红外光照射时，分子吸收了某些频率的辐射，并由其振动或转动运动引起偶极矩的净变化产生分子振动和转动能级从基态到激发态的跃迁，使相应于这些吸收区城的透射光强度减弱。

记录红外光的百分透射比与波数或波长关系的曲线，就得到红外光谱。

红外光谱法不仅能进行定性和定量分析，而且从分子的特征吸收可以鉴定化合物和分子结构。

1. 红外光区的划分
红外光谱在可见光区和微波光区之间，其波长范围约为0.75～1000μm。

根据实验技术和应用的不同，通常将红外区划分成三个区：近红外光区（0.75～2.5μm)，中红外光区(2.5～25μm）和远红外光区（25～1000μm)，如下表：其中中红外区是研究和应用最多的区域，一般说的红外光谱就是指中红外区的红外光谱。

红外吸收光谱常用Tλ
-%曲线来表示。

纵坐标是透射百分比T%，横坐
-或T v
标是波长或波数v%（单位是cm-1）。

如下图所示的是聚苯乙烯薄膜的红外光谱。

现横坐标常用波数表示，这样便于与Raman光谱相比较。

上图中向下的是吸收峰，向上的是谷。

2. 红外光谱法的特点
与紫外－可见吸收光谱不同，产生红外光谱的红外光的波长要长得多，因此光子能量低。

物质分子吸收红外光后，只能引起振动和转动能级跃迁，不会引起电子能级跃迁。

所以红外光谱一般称为振动－转动光谱。

紫外－可见吸收光谱常用于研究不饱和有机化合物，特别是具有共扼体系的有机化合物。

而红外光谱法主要研究在振动中伴随有偶极矩变化的化合物。

因此除了单原子分子和同核分子。

如Ne、He、O2、和H2等之外，几乎所有的有机化合物在红外光区均有吸收。

红外吸收谱带的波数位置、波峰的数目及其强度反映了分于结构上的特点，可以用来鉴定未知物的分子结构组成或确定其化学基团；而吸收谱带的吸收强度与分子组成或其化学基团的含量有关，可用作进行定量分析和纯度鉴定。

红外及拉曼光谱都是分子振动光谱，通过谱图解析可以获取分子结构的信息。

任何气态、液态、固态样品均可进行红外光谱测定，这是其它仪器分析方法难以做到的。

具有用量少、分析速度快、不破坏试样等特点，使红外光谱法成为现代分析化学和结构化学的不可缺少的工具。

但对于复杂化合物的结构测定，还需配合紫外光谱、质谱和核磁共振波谱等其他方法，才能得到满意的结果。

3. 产生红外吸收的条件
这个我们不需要深入了解，知道就行了。

红外光谱是由于分子振动能级跃迁产生的，物质分子吸收红外辐射应满足两个条件：
a．分子振动时，必须伴随有瞬时偶极矩的变化
b．照射分子的红外辐射频率与分子某种振动频率相同
二. 红外光谱仪
19世纪初人们通过实验证实了红外光的存在。

二十世纪初人们进一步系统地了解了不同官能团具有不同红外吸收频率这一事实。

1950年以后出现了自动记录式红外分光光度计。

随着计算机科学的进步，1970年以后出现了傅立叶变换型红外光谱仪。

红外测定技术如全反射红外、显微红外、光声光谱以及色谱-红外联用等也不断发展和完善，使红外光谱法得到广泛应用。

第一代红外光谱仪（上世纪50年代）使用的是滤光片分光系统，此类仪器只能在单一或少数几个波长下测定（非连续波长），灵活性差，而且波长稳定性、重现性差，现已淘汰。

目前市场上常见的红外光谱仪主要有两类：色散型（即光栅式）红外光谱仪和傅立叶变换红外光谱仪，它们分别采用第二代和第三代分光技术的红外光谱仪，它们是我们重点介绍对象。

红外光谱仪与紫外-可见分光光度计的组成基本相同，由光源、样品室、单色仪以及检测器等部分组成。

两种仪器在各元件的具体材料上有较大差别。

色散型红外光谱仪的单色仪一般在样品池之后。

1. 红外光谱仪的主要部件
红外光源
一般分光光度计中的氘灯、钨灯等光源能量较大，要观察分子的振动能级跃迁，测定红外吸收光谱，需要能量较小的光源。

黑体辐射是最接近理想光源的连续辐射。

满足此要求的红外光源是稳定的固体在加热时产生的辐射，常见的有如下几种。

能斯特灯
能斯特灯的材料是稀土氧化物，做成圆筒状(20×2 mm)，两端为铂引线。

其工作温度为1200-2200K。

此种光源具有很大的电阻负温度系数，需要预先加热并设计电源电路能控制电流强度，以免灯过热损坏。

碳化硅棒
尺寸为50×5mm,工作温度1300-1500K。

与能斯特灯相反,碳化硅棒具有正的电阻温度系数,电触点需水冷以防放电。

其辐射能量与能斯特灯接近,但
在>2000cm-1区域能量输出远大于能斯特灯。

白炽线圈
用镍铬丝螺旋线圈或铑线做成。

工作温度约1100K。

其辐射能量略低于前两种，但寿命长。

检测器
紫外－可见分光光度计所用的光电管或光电倍增管不适用于红外区，这是应为红外光谱区的光子能量较弱，不足以引发光电子发射。

常用的红外检测器有热检测器、热释电检测器和光电导检测器三种。

前两种用于色散型仪器中，后两种在傅立叶变换红外光谱仪中多见。

热检测器
热检测器依据的是辐射的热效应。

辐射被一小的黑体吸收后，黑体温度升高，测量升高的温度可检测红外吸收。

以热检测器检测红外辐射时，最主要的是要防止周围环境的热噪声。

一般使用斩光器使光源辐射断续照射样品池。

热检测器最常见的是热电偶（有时又称为高真空热电偶）。

将两片金属铋熔融到另一不同金属如锑的两端，就有了两个连接点。

两接触点的电位随温度变化而变。

检测端接点做成黑色置于真空舱内，有一个窗口对红外光透明。

参比端接点在同一舱内并不受辐射照射，则两接点间产生温差。

热电偶可检测出10-6K的温度变化。

热释电检测器
热释电检测器使用具有特殊热电性质的绝缘体，一般采用热电材料的单晶片作为检测元件，如硫酸三苷肽(NH2CH2COOH)3H2SO4，简称TGS。

在电场中放一绝缘体会使绝缘体产生极化，极化度与介电常数成正比。

但移去电场，诱导的极化作用也随之消失。

而热释电材料即使移去电场，其极化也并不立即消失，极化强度与温度有关。

当辐射照射时，温度会发生变化，从而影响晶体的电荷分布，这种变化可以被检测。

热电检测器通常做成三明治状。

将热电材料晶体夹在两片电极间，一个电极是红外透明的，容许辐射照射。

辐射照射引起温度变化，从而晶体电荷分布发生变化，通过外部连接的电路可以测量。

电流的大小与晶体的表面积、极化度随温度变化的速率成正比。

当热释电材料是铁电体，当温度升至某一特定值时极化会消失，此温度称为居里点。

TGS的居里点为47°C。

热释电检测器的响应速率很快，可以跟踪干涉仪随时间的变化，故多用于傅立叶变换红外光谱仪中。

目前使用最广泛的是氘化的TGS即DTGS，它的居里温度是62°C，热电系数小于TGS。

光电导检测器
光电导检测器采用半导体材料薄膜，如Hg-Cd-Te（碲镉汞）或PbS或InSb （锑化铟），将其置于非导电的玻璃表面密闭于真空舱内。

则吸收辐射后非导电性的价电子跃迁至高能量的导电带，从而降低半导体的电阻，产生信号。

Hg-Cd-Te缩写为MCT，该检测器用于中红外区及远红外区。

这种检测器比热释电检测器灵敏（至少比DTGS大10倍），在FTIR及GC-FTIR（气相色谱-傅立
叶变换红外光谱联用技术）仪器中获得广泛应用。

此外，PbS检测器常用于近红外区室温下的检测。

以上两个部件是色散型红外光谱仪和傅立叶红外光谱仪所共有的，对于色散型红外光谱仪还有几个关键部件：如单色仪、光栅、狭缝等；对于傅立叶变换红外光谱仪，它还有迈克耳孙干涉仪、分束器、透明窗片、数据处理系统等关键部件。

下表是一些分束器的介绍：
常用分束器类型和适用波段范围
现在通用型FTIR中常用KBr镀Ge膜的分束器。

透明窗片KBr，KRS-5（由溴化铊－碘化铊组成，有毒，很少使用）。

2. 红外光谱仪的分类
A．色散型红外光谱仪
上世纪70年代中期至80年代，色散型红外光谱仪诞生，到目前为止，国内还有厂家在生产，用户还有很多。

该仪器的特点是：
采用双光束结构。

使用单光束仪器时，大气中的H2O、CO2在重要的红外区域内有较强的吸收，因此需要一参比光路来补偿，使这两种物质的吸收补偿到零。

采用双光束光路可以消除它们的影响，测定时不必严格控制室内的湿度及人数。

单色器在样品室之后。

由于红外光源的低强度，检测器的低灵敏度(使用热电偶时)，故需要对信号进行大幅度放大。

而红外光谱仪的光源能量低，即使靠近样品也不足以使其产生光分解。

而单色器在样品室之后可以消除大部分散射光而不至于到达检测器。

斩光器转动频率低，响应速率慢，以消除检测器周围物体的红外辐射。

色散型仪器的主要不足：
1）需采用狭缝，光能量受到限制；
2）扫描速度慢，不适于动态分析及和其它仪器联用；
3）不适于过强或过弱的吸收信号的分析。

此外由于内部移动部件较多，此类仪器最大的弱点是光栅或反光镜的机械轴长时间连续使用容易磨损，影响波长的精度和重现性。

因此色散型红外光谱仪自身局限性很大，现在已经逐步被傅立叶红外光谱仪取代。

下图是色散型红外光谱仪的结构：
光栅式红外光谱仪的结构
上图中，光源发出的光被分成两束，分别作为参比光和样品光通过样品池。

各光束交替通过扇形镜M7，利用参比光路的衰减器（又称为光楔或减光器）对经参比光路和样品光路的光的吸收强度进行对照。

因此通过参比和样品后溶剂的影响被消除，得到的谱图就是样品本身的吸收。

B. 傅立叶变换红外光谱仪（Fourier Transform Infrared Spectrometer FTIR）的特点和结构
前面介绍的以光栅作为色散元件的红外光谱仪在许多方面已不能完全满足需要。

由于采用了狭缝，能量受到限制。

尤其在远红外区能量很弱；它的扫描速度太慢，使得一些动态的研究以及和其他仪器（如色谱）的联用发生困难；对一些吸收红外辐射很强或者很弱的样品的测定及痕量组分的分析等，也受到一定的限制。

随着光电子学尤其是计算机技术的迅速发展，70年代出现了新一代的红
外光谱测量技术和仪器——基于干涉调频分光的Fourier变换的红外光谱仪。

这种仪器不用狭缝，因而消除了狭缝对通光量的限制，可以同时获得光谱所有频率的全部信息。

它具有许多优点：扫描速度快，测量时间短，可在1s内获得红外光谱，适于对快速反应过程的追踪，也便于和色谱法联用；灵敏度高，检出量可达10-9～10-12g；分辨本领高，波数精度可达0.01cm-1；光谱范围广，可研究整个红外区（10000～10cm-1）的光谱；测定精度高，重复性可达0.1%，而杂散光小于0.01％。

下图是FTIR的结构
傅立叶变换红外光谱仪的结构
光源发出的光被分束器分为两束，一束经反射到达动镜，另一束经透射到达定镜。

两束光分别经定镜和动镜反射再回到分束器，从而产生干涉。

动镜作直线运动,因而干涉条纹产生连续的变换。

干涉光在分束器会合后通过样品池，然后被检测器（傅立叶变换红外光谱仪的检测器有TGS，DTGS，MCT等）接收，计算机处理数据并输出。

有好多人不明白为什么仪器角傅立叶变换红外光谱仪，不清楚傅立叶变换的含义，下面有必要简单介绍FTIR的数学原理。

周期性的运动可在两种域(Domain)中得到表征：一种表征域是表现出周期性的域，例如，电(磁)场强度随时间(空间)的分布，就是在时(空)域中表征光波的特征；另一种表征域是运动状态按某一周期性参数(频率、波长、波数等)的分布，可统称为频域。

这两种城中表征同一运动状态．可通过傅里叶变换(Fourier Transform，简称FT)相互转变。

通常所说的某种光的光谱是指该光包含的不同频
率成分的强度按频率的分布，因此光谱就是光在频率域中的表征。

下图是某频率的两种单色光分别在空间域（时域）和频域的表征。

相干的复色光，在空间x 处电场强度的叠加是：
0()()cos 2E x f xd σπσσ∞
=⎰ 其中()f σ是光强度按波数σ的分布函数，很明显E(x)、()f σ分别是光时域和频域的表征，上述关系式就是傅立叶变换式。

可以通过FT 把光在时域和频域的表征相互转换：
0()()cos 2f E x xdx σπσ∞
=⎰ 我们用迈克耳孙干涉仪可以得到红外光的时域谱，通过FT 就可以得到光的频率（波数）分布。

这就是仪器名称的由来。

3. 红外光谱仪各项指标的含义
A ．光谱范围
红外的整个谱区的波长范围根据ASTM （American Society of Testing
Materials ，美国材料实验协会）定义为780－2526nm 。

而在一般应用中大家往往把700－2500nm 或700－2600nm 作为近红外谱区，并通常把它分为2段，700－1100nm 的短波近红外谱区和1100－3600nm 的长波近红外诺区。

短波近红外谱区更适合做透射分析，故又叫近红外透射区，长波近红外谱区更适合做反射或漫反射分析，也称之为近红外反射区。

仪器的波长范围指该红外光谱仪所能记录的光谱范围，它影响能实现分析测试的项目，主要取决于仪器的光源种类、分光系统、检测器类型和透光材料。

专用的红外仪器往往只覆盖单一波段，如美国Zeltex 的ZXl01型手持式辛烷值分
析仪用700－1100nm的短波近红外谱区，AGMED公司的土壤快速分析仪用的1650－2650nm的长波近红外谱区；而通用型的红外仪器往往覆盖整个红外谱区。

B．分辨率
红外光谱仪器的分辨率是指仪器对于紧密相邻的峰可分辨的最小波长间隔，表示仪器实际分开相邻两谱线的能力，往往用仪器的单色光带宽来表示，它是仪器最重要的性能指标之一，也是仪器质量的综合反映。

仪器的分辨率主要取决于仪器的分光系统的性能。

对色散型仪器而言，还与光源的强度、检测器的灵敏皮有关，光源的强度大、检测器的灵敏度高可减小狭缝宽度，降低单色光带宽，提高仪器的分辨率。

而对用多通道检测器的仪器，仪器的分辨卒与检测器的像素有关，单位长度像素越多分辨率越高。

对于滤光片型近红外光谱仪器，滤光片的带宽就是仪器的分辨率。

仪器的分辨率主要影响光谱仪器获得测定样品光谱的质量，从而影响分析的准确性，对于一台仪器的分辨率是否满足要求，这与待测样品的光谱特征有关，有些物质光谱重叠、特征复杂，要得到满意的分析结果，就要求较高的仪器分辨率。

C．波长准确度
波长准确度是指仪器所显示的波长值和分光系统实际输出单色光的波长值之间相符的程度。

波长准确度可用波长误差，即上述两值之差来表示。

保证波长准确度是红外光谱仪器能够准确测定样品光谱的前提，是保证分析结果的准确度前提。

红外分析结果一般是通过用已知化学值的标准样品建立的模型来分析待测样品，如果波长准确度不能保证，整组数据就会因波长平移而使每个数据出现偏差，造成分析结果的误差。

波长准确度主要决定于光学系统的结构，此外还受温度的影响。

傅里叶变换红外光谱仪器一般内部有波长校正系统，所以波长准确度很高；而色散型近红外光谱仪器和滤光片型近红外光谱仪器的波长准确度相对低些，需用已知波长值且性质比较稳定的标推物质经常进行校正。

D．波长精确度
波长精确度又称波长重复性，是指对同一样品进行多次扫描，光谱谱峰位置间的差异程度或重复性，通常用多次测量某一谱峰所得波长的标准差来表示。

波长精确度是体现仪器稳定性的—个重要指标，取决于光学系统的结构，与波长准
确度一样，也会影响分析结果的准确性。

如果仪器的光学系统全部设计成固定不动，则仪器的波长的精确度就会很高。

E．光度准确度
光度准确度是指仪器对某物质进行透射或漫反射测量时，测得的光度值与该物质真实值之差。

主要是由检测器、放大器、信号处理电路的非线性引起。

它会直接影响近红外定量分析结果的准确度。

F．信噪比
信噪比就是样品吸光度与仪器吸光度噪声的比值。

仪器吸光度噪声是指在一定的测量条件下，在确定的波长范围内对样品进行多次测量，得到光谱吸光度的标准差。

仪器的噪声主要取决于光源的稳定性、放大器等电子系统的噪声、检测器产生的噪声及环境噪声，如电子系统设计不良、元件质量低劣、仪器接地不良、工作环境潮湿、外界电磁干扰多会使仪器噪声增大。

信噪比是红外光谱仪器非常重要的一项指标，直接影响分析结果的准确度与精确度；因为红外光谱分析是一门弱信号提取技术，在一个很强的背景信号下提取出相对很弱的有用信息，得到分析结果，所以信噪比对近红外光谱仪器尤为重要。

对于高档仪器，一般要求信噪比达到105。

G．杂散光强度
杂散光是指分析光以外被检测器接收的光，主要是由于光学器件表面的缺陷、光学系统设计不良或机械零部件表面处理不良与位置不当等引起的，尤其是光栅型红外光谱仪器的设计中，杂散光的控制非常关键，往往是导致仪器测量出现非线性的主要原因。

杂散光对分析测量的影响在分析高吸光度样品时更为明显。

H．分析速度
红外光谱仪器往往被用于实时、在线的品质检测和监测，分析样品的数量往往比较多，所以分析速度也是值得注意的一项重要指标。

仪器的分析速度主要由仪器的扫描速度决定。

仪器的扫描速度是指在仪器的波长范围内，完成一次扫描得到一个光谱所需要的时间。

不同仪器类型扫描速度相差很大，如多通道仪器因同时接收全部的光信息，速度取决于电子电路对信息的处理时间上，所以速度很快，一般为几十毫秒；傅里叶变换红外光谱仪器的扫描速度一般为1s左右；而。