红外反射光谱原理实验技术及应用
红外光谱技术及应用
~1575
B酸位
PyB
1540
1490
1640
~1620
(a) [TiO2/SO42-–(NH4)2SO4-I], (b) [TiO2/SO42-–(NH4)2SO4-IS], (c) [TiO2/SO42-–H2SO4-IS] (d) [TiO2–HNO3].
吡啶为强碱性分子,其氮原子上的电子对可以与不同类型的酸作用生成吡啶阳离子或 配位络合物。吡啶与B酸作用形成PyH+(BPy)在1540 cm-1左右出现特征吸收峰,与 L酸作用形成Py-L配位络合物(LPy)在1450 cm-1左右出现特征吸收峰,1490 cm-1出 现两种酸中心的总合峰。同样NH3 吸附在B酸中心的IR特征峰为3120cm-1或1450 cm-1,而 吸附在L酸中心的IR特征峰为3330cm-1或1640cm-1左右。例如图即为一 用吡啶表征催化剂谱图。
近红外区
0.75—2.5 13340—4000
分子振动的泛频区(倍频、合频) 基频在2000cm-1以上的振动倍频 (C-H,N-H,O-H伸缩振动)
分子化学键的基频区、指纹区,几 乎所有具有红外活性的键振动 金属有机化合物的金属有机键、无 机化合物、晶价振动以及分子纯转 动光谱
中红外区 远红外区
2.5—25 25—1000
NH3探针
B酸:1450 cm-1 L酸:1630 cm-1
红外光谱分析技术应用于乳品检测原理及影响因素
红外光谱分析技术应用于乳品检测原理及影响因素
1.1 红外光谱分析原理
在整个电磁波范围内,包含了紫外区,可见光区,红外区,微波区四大主要区域。其中400nm到700 nm属于可见光区域。位于可见光和微波之间的光谱为红外光谱,波长为0.75~100μm,其中0.75~2.5μm为近红外,2.5~50μm为中红外,50~100μm为远红外。由于有机物以及部分无机物分子中的各种化学基团(如C=C,N=C,O=C,O=H,N=H)的运动(伸缩、振动、弯曲等)都有它固定的振动频率,当这些分子受到红外线照射时,被激发产生共振,同时吸收一部分能量,通过测量吸收光的大小,可以得到极为复杂的图谱,这种图谱可以表示被测物质的特征。不同物质在红外区域有丰富的吸收光谱,每种成分都有特定的吸收特征,这就为红外光谱定量分析提供了基础。
目前在红外光谱区域有两种主要的光谱分析技术:红外光照射到被测样品后,从样品表面反射出来的光被检测器吸收检测,此为红外反射光谱分析法。它要求样品的粉碎程度一致,从而保证样品表面光滑一致。另一类为红外光穿过样品后,再被检测器检测到,即为红外透射光谱分析法。该法优点是很少或不用制备样品,因此重复性较高。
1.2 红外分析技术的操作流程
红外技术是依据某一化学成分对红外区光谱的吸收特性而进行的定量测定,所以应用红外光谱进行检测的技术关键就是在光谱吸收和组分浓度两者之间建立一种定量的函数关系,依靠这种关系,就能从未知样品的光谱中求出样品的成分和含量。为此,基本流程包括:首先收集具有代表性的样品(其组成及其变化范围接近于要分析的样品),然后采集样品的光学数据;利用标准的化学方法对样品进行化学成分测定;通过数学方法将这些光谱数据和检测的数据进行关联,一般将光谱数据进行转换(一阶或二阶导数),与化学测定值进行回
红外反射光谱原理实验技术及应用
红外反射光谱原理实验技术及应用
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高级物理化学实验讲义
实验项目名称:红外反射光谱原理、实验技术及应用 编写人:苏文悦 编写日期:2011-7-7
一、实验目的(宋体四号字)
1、了解并掌握FTIR-ATR 、FTIR-DRS 和FTIR-RAS 等红外光谱表面分析技术的原理、实验技术及应用
2、比较分析FTIR-ATR 、FTIR-DRS 和FTIR-RAS 等红外光谱技术各自适用的样品、同一样品不同红外光谱的谱带位置及形状。
二、实验原理
衰减全反射(ATR )、漫反射(DRS )和反射吸收(RAS )都是傅里叶变换红外反射光谱,是FTIR 常用的表面分析技术。
1全反射光谱原理、实验技术及应用
全反射:光由光密(即光在此介质中的折射率大的)媒质射到光疏(即光在此介质中折射率小的)媒质的界面时,全部被反射回原媒质内的现象。很多材料如交联聚合物、纤维、纺织品和涂层等,用一般透射法测量其红外光谱往往很困难,但使用FTIR 及ATR 技术却可以很方便地测绘其红外光谱。
(1)入射角与临界角
在通常情况下,光透射样品时是从光疏介质的空气射向光密介质样品的,当垂直入射(入射角θ为0°)时,则全部透过界面;当θ≠0°时,如果两者的折射率相差不大,则光是以原方向透射的,但如折射率差别较大,则会产生折射现象。
当n 2与n 1有足够的差值以上),且入射光从光密介质(n 1)射向光疏介质(n 2 ),入射角θ 大于一定数值时,光线会产生全反射现象。这个“一定数值”的角度称为临界角
试验一红外光谱法的常规试验技术
03
试验过程中未出现异常情况,仪器运行稳 定。
04
试验结果与预期基本一致,验证了红外光 谱法的有效性。
优缺点分析
优点
1
2
红外光谱法是一种非破坏性分析方法,对样品无 损伤。
3
可以同时获得样品的官能团和化学结构信息。
优缺点分析
• 操作简便,分析速度快,适合批量样品分 析。
优缺点分析
缺点
对于复杂样品,可能需要 结合其他分析方法进行更 深入的分析。
样品处理
根据样品的性质,可能需要进行研磨、干燥、稀释等 处理,以便更好地适应红外光谱的测量。
样品代表性
选择具有代表性的样品,以确保红外光谱能够反映该 样品的典型性质。
仪器调试
校准仪器
在开始试验前,需要对仪器进行校准,以确保 测量结果的准确性。
检查光路
确保仪器的光路畅通,无杂散光和反射光干扰。
调整参数
红外光谱法的特点
红外光谱法具有非破坏性、无损检测的特点,可以用于对样品进行定性、定量和 结构分析。此外,该方法具有高灵敏度和高分辨率,能够检测出微小的结构和化 学差异。
红外光谱法也存在一些局限性,例如样品制备较为复杂,需要使用特定溶剂或干 燥样品;对于某些复杂样品或高分子化合物,可能出现光谱重叠或解析困难等问 题。
04
数据处理与分析
数据预处理
红外光谱技术及其应用进展
红外光谱技术及其应用进展
摘要:对物质自发发射或受激发射的红外射线进行分光,可得到红外发射光谱,
物质的红外发射光谱主要决定于物质的温度和化学组成;对被物质所吸收的红射线进行分光,可得到红外吸收光谱。红外光谱具有高度的特征性,不但可以用来研究分子的结构和化学键,而且广泛地用于表征和鉴别各种化学物种。关键词:红外光谱、特点、发展、应用原理、红外光谱仪
1. 应用红外光谱简介:
红外光谱学是光谱学中研究电磁光谱红外部分的分支。它包括了许多技术,到目前为止最常用的是吸收光谱学。同所有的分光镜技术一样,它可以被用来鉴别一种化合物和研究样品的成分。对物质自发发射或受激发射的红外射线进行分光,可得到红外发射光谱,物质的红外发射光谱主要决定于物质的温度和化学组成;对被物质所吸收的红外射线进行分光,可得到红外吸收光谱。每种分子都有由其组成和结构决定的独有的红外吸收光谱,它是一种分子光谱。分子的红外吸收光谱属于带状光谱。原子也有红外发射和吸收光谱,但都是线状光谱。红外光谱具有高度的特征性,不但可以用来研究分子的结构和化学键,如力常数的测定等,而且广泛地用于表征和鉴别各种化学物种。
2. 红外光谱发展史:
红外辐射是18世纪末,19世纪初才被发现的。1800年英国物理学家赫谢尔(Herschel )用棱镜使太阳光色散,研究各部分光的热效应,发现在红色光的外侧具有最大的热效应,说明红色光的外侧还有辐射存在,当时把它称为“红外线” 或“热线”。这是红外光谱的萌芽阶段。由于当时没有精密仪器可以检测,所以一直没能得到发展。过了近一个世纪,才有了进一步研究并引起注意。
现代近红外光谱技术及应用进展
现代近红外光谱技术及应用进展
近红外光谱技术是一种快速、高效、无损的分析技术,广泛应用于化学、食品、药物等领域。尤其是随着科学技术的发展,现代近红外光谱技术在样品制备、光谱采集、数据处理等方面都有了显著的提升,极大地扩展了近红外光谱技术的应用范围。
近红外光谱是指介于可见光和中红外光之间的电磁波,波长范围为700-2500nm。现代近红外光谱技术利用近红外光子的能量和量子力学中的跃迁原理,通过对样品进行照射,使样品中的分子吸收近红外光子的能量后从基态跃迁到激发态,再返回基态时发出特征光谱。通过对特征光谱进行定性和定量分析,可以获取样品的组成、结构和性质等信息。
化学分析:现代近红外光谱技术在化学分析领域的应用主要体现在有机物和无机物的定性和定量分析上。例如,利用近红外光谱技术对石油样品进行定性和定量分析,可以有效地识别石油中的不同组分,同时也可以对石油中的含硫量、含氮量等进行快速准确的测定。
食品质量检测:在食品质量检测方面,现代近红外光谱技术可以用于食品成分分析、食品质量评估和食品掺假检测等。例如,利用近红外光谱技术对奶粉进行检测,可以快速准确地检测出奶粉中的蛋白质、
脂肪、糖等主要成分的含量。
药物研究:现代近红外光谱技术在药物研究方面的应用主要体现在药物成分分析、药物代谢研究和药物疗效评估等方面。例如,利用近红外光谱技术对中药材进行检测,可以快速准确地测定中药材中的有效成分含量,为中药材的质量控制提供了一种有效的手段。
近年来,现代近红外光谱技术在国内外都取得了显著的研究进展。在国内,中国科学院上海药物研究所利用近红外光谱技术对中药材进行有效成分的快速检测,取得了重要的成果。国内的一些高校和研究机构也在近红外光谱技术的研究和应用方面开展了大量的工作,推动了近红外光谱技术的发展。
红外反射
RAS 技术的原理 当IR光束在金属表面上发生反射时, 反射光电矢量 ER 的方向将随着光线入射角θ和入射光的偏振状 态而发生变化。图1 给出了在掠角入射时(入射角 θ接近90°时称为掠角入射)ER的方向与入射光偏 振状态间的关系。入射光电矢量与入射面垂直时 (称为S偏振光) , ER与入射光电矢量ES振幅接近但 方向相反, 两者在界面产生相消干涉, 因此界面电 场强度接近为零。当入射光电矢量方向与入射面 平行时(称为P偏振光) , ER与入射光电矢量EP在界 面产生相长干涉, 两者在垂直于表面的方向上产生 了较强的界面电场E, E的振幅接近于EP的两倍,因 此界面电场的强度约比EP的强度增加了四倍。
2 影响RAS方法灵敏度的因素
1.入射角 在RA 谱测量时, IR光在样品层穿过的光程与入射 角有关。设待测样品薄层厚度为d ,那么光程b与入 射角θ的关系为: b = 2 d/ cosθ 在掠角入射条件下,光程b 将远远大于膜厚d。另外, 界面电场强度也与入射角有关。考虑光程和电场 强度的双重影响,根据Greenler的计算,当入射角为 88°时,样品对IR 光有最强的吸收。实现88°入射 角实验上较困难,实际测量时入射角一般在80 — 85°之间。
2. 金属镜面的反射率 RAS方法的灵敏度和信噪比与金属镜面的反射率有 很大关系。镜面的反射率愈大,获得的RA谱质量愈 好。RAS技术要求镜面有很高的反射率,常用金属镀 层有Ag、Al 和Au 等。
原位衰减全反射表面增强红外光谱实验技术-概述说明以及解释
原位衰减全反射表面增强红外光谱实验技术-概述说
明以及解释
1.引言
1.1 概述
概述
原位衰减全反射表面增强红外光谱实验技术是一种重要的分析方法,广泛应用于材料科学、生物医学、环境科学等领域。它通过将样品置于光波从反射材料到样品再到检测器的光路中,利用材料的全反射特性,将光波限制在较窄的范围内,从而增强红外光谱的信号强度。这项技术将红外光谱分析的灵敏度和分辨率提高到一个新的水平,为科学研究和实际应用提供了更有力的工具。
在原位衰减全反射表面增强红外光谱实验技术中,样品被放置在一个具有高折射率的反射材料上,例如硅或锗。当入射光线从高折射率的反射材料射入样品后,发生全反射的现象。这样,红外光谱仅与样品接触的表面区域相互作用,使得红外谱图中的吸收峰更加明显。同时,通过改变入射角度和光束的极化方向,我们可以更好地了解样品的物理和化学性质,涵盖更广泛的信息。
原位衰减全反射表面增强红外光谱实验技术具有许多优势。首先,它
不需要样品经过任何处理或制备过程,避免了可能引入的额外误差。其次,由于红外光谱仅与样品表面相互作用,所需的样品量相对较少,节约了材料的使用成本。此外,由于该技术具有较高的灵敏度和分辨率,可以检测到较低浓度和小量的样品。因此,原位衰减全反射表面增强红外光谱实验技术成为了研究微观结构和相互作用的重要工具。
本文将详细介绍原位衰减全反射表面增强红外光谱实验技术的原理和原理解析,探讨其在各个领域中的应用和优势。通过总结和评价该技术的研究进展,我们将为未来的发展方向提供展望,以期进一步推动这一领域的研究和应用。
红外光谱的实验技术
13
试样的处理和制备
液体样品
液体样品较易处理,它可置于试管,毛细管,烧瓶及 其他常规的样品池中,具体情况要视样品的量而定。 一般来说,对于微量样品,可以置于不同直径的毛细 管中,若液体样品易挥发,则毛细管应封闭。如果样 品的量较多,则可置于烧瓶,细颈瓶及其他常规样品 池中。
0.0016(20oC) 1.43
不溶
2.42
不溶
4.0
不溶
3.4
5000-625 5000-400 5000-165 5000-435 5000-285 5000-1110 3400-2700,1650-600 5000-430 5000-660
4
试样的处理和制备
要获得一张高质量红外光谱图,除了仪器本身的因 素外,还必须有合适的样品制备方法。
8
试样的处理和制备
(2)石蜡糊法 将干燥处理后的试样研细,与液体石蜡或全氟代烃混
合,调成糊状,夹在盐片中测定。 (3)薄膜法
主要用于高分子化合物的测定。可将它们直接加热熔 融后涂制或压制成膜。也可将试样溶解在低沸点的易挥 发溶剂中,涂在盐片上,待溶剂挥发后成膜测定。
红外反射光谱的原理和应用
红外反射光谱的原理和应用
1. 概述
红外反射光谱是一种常用的非破坏性表征材料特性的技术,通过测量材料在红
外波段的反射能力,可以获得材料的结构、成分、表面特性等信息。本文将介绍红外反射光谱的原理以及其在各个领域的应用。
2. 原理
红外反射光谱的原理基于材料对红外辐射的吸收和反射。当红外辐射照射到材
料表面时,一部分能量被材料吸收,一部分能量被材料反射。吸收和反射的能量在不同波数下表现出不同的特征,通过分析这些特征可以了解材料的性质。
3. 红外反射光谱的方法
红外反射光谱的方法主要包括FT-IR反射光谱法和ATR(全反射法)。
3.1 FT-IR反射光谱法
FT-IR反射光谱法是一种基于菲涅耳反射定律的方法,通过测量被测物料表面
的反射光强来获取红外光谱图。在实验中,通过将样品与金刚石压片接触,利用光学原理和光学组件将反射光转换成可观测的信号,进而进行数据分析。
3.2 ATR反射光谱法
ATR反射光谱法是一种全反射原理的方法,通过将样品与一块具有高折射率晶
体(例如锗或气体)的特殊棱镜接触,在样品与棱镜的接触界面上产生一定的入射角,并利用全反射现象来测量样品的红外光谱。
4. 红外反射光谱的应用
红外反射光谱在各个领域都具有广泛的应用,以下列举了其中的几个应用领域。
4.1 材料科学
红外反射光谱可用于分析和鉴定材料的成分、结构和表面状态。在材料科学领
域中,可以通过红外反射光谱来研究材料的晶体结构、氧化还原状态以及表面的化学反应等。
4.2 生物医学
红外反射光谱在生物医学领域中被广泛应用于研究生物分子的结构和功能。通过红外反射光谱技术,可以对生物蛋白质、核酸和药物等进行分析,从而加深对生物体的理解。
红外物理特性及应用实验
红外物理特性及应用实验
波长X 围在0.75~1000微米的电磁波称为红外波,对红外频谱的研究历来是基础研究的重要组成部分。对原子与分子的红外光谱研究,帮助我们洞察它们的电子,振动,旋转的能级结构,并成为材料分析的重要工具。对红外材料的性质,如吸收、发射、反射率、折射率、电光系数等参数的研究,为它们在各个领域的应用研究奠定了基础。
【实验目的】
1、 了解红外通信的原理及基本特性。
2、 了解部分材料的红外特性。
3、 了解红外发射管的伏安特性,电光转换特性。
4、 了解红外发射管的角度特性。
5、 了解红外接收管的伏安特性。
【实验原理】 1、红外通信
在现代通信技术中,为了避免信号互相干扰,提高通信质量与通信容量,通常用信号对载波进行调制,用载波传输信号,在接收端再将需要的信号解调还原出来。不管用什么方式调制,调制后的载波要占用一定的频带宽度,如音频信号要占用几千赫兹的带宽,模拟电视信号要占用8兆赫兹的带宽。载波的频率间隔若小于信号带宽,则不同信号间要互相干扰。能够用作无线电通信的频率资源非常有限,国际国内都对通信频率进行统一规划和管理,仍难以满足日益增长的信息需求。通信容量与所用载波频率成正比,与波长成反比,目前微波波长能做到厘米量级,在开发应用毫米波和亚毫米波时遇到了困难。红外波长比微波短得多,用红外波作载波,其潜在的通信容量是微波通信无法比拟的,红外通信就是用红外波作载波的通信方式。
红外传输的介质可以是光纤或空间,本实验采用空间传输。 2、红外材料
光在光学介质中传播时,由于材料的吸收,散射,会使光波在传播过程中逐渐衰减,对于确定的介质,光的衰减dI 与材料的衰减系数α ,光强I ,传播距离dx 成正比:
红外光谱实验报告
红外光谱实验报告
1.基本原理
1.1概述
红外光谱法⼜称“红外分光光度分析法”。简称“IR”,是分⼦吸收光谱的⼀种。它利⽤物质对红外光区的电磁辐射的选择性吸收来进⾏结构分析及对各种吸收红外光的化合物的定性和定量分析的⼀法。被测物质的分⼦在红外线照射下,只吸收与其分⼦振动、转动频率相⼀致的红外光谱。对红外光谱进⾏剖析,可对物质进⾏定性分析。化合物分⼦中存在着许多原⼦团,各原⼦团被激发后,都会产⽣特征振动,其振动频率也必然反映在红外吸收光谱上。据此可鉴定化合物中各种原⼦团,也可进⾏定量分析。
1.2⽅法原理
1.2.1红外光谱产⽣条件
每种分⼦都有由其组成和结构决定的独有的红外吸收光谱,据此可以对分⼦进⾏结构分析和鉴定。红外吸收光谱是由分⼦不停地作振动和转动运动⽽产⽣的,分⼦振动是指分⼦中各原⼦在平衡位置附近作相对运动,多原⼦分⼦可组成多种振动图形。当分⼦中各原⼦以同⼀频率、同⼀相位在平衡位置附近作简谐振动时,这种振动⽅式称简正振动(例如伸缩振动和变⾓振动)。分⼦振动的能量与红外射线的光量⼦能量正好对应,因此当分⼦的振动状态改变时,就可以发射红外光谱,也可以因红外辐射激发分⼦⽽振动⽽产⽣红外吸收光谱。分⼦的振动和转动的能量不是连续⽽是量⼦化的。但由于在分⼦的振动跃迁过程中也常常伴随转动跃迁,使振动光谱呈带状。所以分⼦的红外光谱属带状光谱。分⼦越⼤,红外谱带也越多
总之,要产⽣红外光谱需要具备以下两个条件:
a.辐射应绝缘且能满⾜物质产⽣振动跃迁所需要的能量;
b.辐射与物质见⼜相互耦合作⽤,分⼦啊在振动过程中必须有瞬间偶极矩的改变。
红外反射光谱原理实验技术及应用
高级物理化学实验讲义
实验项目名称:红外反射光谱原理、实验技术及应用
编写人:苏文悦编写日期:2011-7-7
一、实验目的(宋体四号字)
1、了解并掌握FTIR-ATR、FTIR-DRS和FTIR-RAS等红外光谱表面分析技术的原理、实验技术及应用
2、比较分析FTIR-ATR、FTIR-DRS和FTIR-RAS等红外光谱技术各自适用的样品、同一样品不同红外光谱的谱带位置及形状。
二、实验原理
衰减全反射(ATR)、漫反射(DRS)和反射吸收(RAS)都是傅里叶变换红外反射光谱,是FTIR常用的表面分析技术。
1全反射光谱原理、实验技术及应用
全反射:光由光密(即光在此介质中的折射率大的)媒质射到光疏(即光在此介质中折射率小的)媒质的界面时,全部被反射回原媒质内的现象。很多材料如交联聚合物、纤维、纺织品和涂层等,用一般透射法测量其红外光谱往往很困难,但使用FTIR及ATR技术却可以很方便地测绘其红外光谱。
(1)入射角与临界角
在通常情况下,光透射样品时是从光疏介质的空气射向光密介质样品的,当垂直入射(入射角θ为0°)时,则全部透过界面;当θ≠0°时,如果两者的折射率相差不大,则光是以原方向透射的,但如折射率差别较大,则会产生折射现象。
当n
2与n
1
有足够的差值(0.5以上),且入射光从光密介质(n
1
)射向光疏介
图1 入射角(θ)及折射率(n1,n2)对光在界面上行为的影响
θc为临界角,sinθc=n2/n1
质(n
2
),入射角θ大于一定数值时,光线会产生全反射现象。这个“一定数值”的角度称为临界角,也即当折射角φ等于90°时的入射角θ称为临界
红外光谱分析技术及其应用
红外光谱分析技术及其应用
(作者:___________单位: ___________邮编: ___________)
作者:范雪芳徐淼侯晓涛王帅李洪宇张丽华
【摘要】红外光谱(IR)分析技术是一门发展迅猛的高新技术,与传
统分析技术相比,红外光谱分析技术具有分析速度快,样品用量少,
无破坏无污染等特点。红外光谱测定的是物质中分子的吸收光谱,不同的物质会有其特征指纹的特性,利用红外指纹图谱技术对中成药进
行质量鉴定与分析,借助计算机和模式识别等技术,以综合的、宏观的、非线性的分析理念和质量控制模式来评价中药的真伪优劣
【关键词】红外光谱; 红外指纹图谱技术
【Abstract】 Infrared spectrum (IR) is a fast developing newly technology. Compared w ith traditional analysis technology, IR possesses characters of fast analysis, little sample, no breach and no pollution. IR measures the absorption spectrum of molecule, and different substances have different fingerprint patterns. Thus, IR technology can be applied to detect and
analyze the quality of traditional Chinese drug. Using the
红外反射吸收光谱
期刊名称:光谱学与光谱分析
发表时间:XXXX年
作者:张三
01
03 02
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感谢您的观看
利用红外光谱可以监测大气中的有害气体和温室气体,如二氧化 碳、甲烷等。
水质监测
通过分析水样的红外光谱,可以检测水中的有机物、重金属等污 染物。
土壤成分分析
红外光谱可以用于分析土壤中的有机物、矿物质等成分,了解土 壤质量。
材料科学
高分子材料研究
红外光谱可以用于研究高分子材料的结构和性能,如 聚合物链的柔性和刚性等。
原理
当红外光照射到物质表面时,部分光会被反射,部分光会被吸收。不同物质对 不同波长的红外光有不同的吸收和反射特性,因此通过测量反射和吸收的光谱, 可以推断出物质的成分和结构。
红外反射吸收光谱的应用领域
化学分析
用于分析物质的化学组成和分 子结构,如有机化合物、聚合
物、矿物等。
环境监测
用于检测大气中污染气体、水 体中的有害物质等,有助于环 境保护和治理。
激光光谱技术
利用激光激发样品,获得更窄线宽和更高分辨率 的红外光谱。
交叉学科的应用拓展
与化学反应动力学结合
研究化学反应过程中分子结构和振动模式的动 态变化。
与生物学应用结合
探索生物分子结构和功能的关系,为生物医学 研究提供有力工具。
现代近红外光谱分析技术的原理及应用
现代近红外光谱分析技术的原理及应用
1 简介
近红外光(near infrared,NIR)是介于可见光(VIS)和中红外光(MIR或IR)之间的电磁波美国材料检测协会(ASTM)将近红外光谱区定义为波长
780-2526nm的光谱区(波数为12820-3959cm-1)习惯上又将近红外区划分为近红外短波(780-1100nm)和近红外长波(1100-2526nm)两个区域。从20世纪50年代起,近红外光谱技术就在农副产品分析中得到广泛应用,但是由于技术上的原因,在随后的20多年中进展不大。进入20世纪80 年代后,随着计算机技术的迅速发展,以及化学计量学方法在解决光谱信息提取和消除背景干扰方面取得的良好效果,加之近红外光谱在测试技术上所独有的特点,人们对近红外光谱技术的价值有了进一步的了解从而进行了广泛的研究。数字化光谱仪器与化学计量学方法的结合标志着现代近红外光谱技术的形成。数字化近红外光谱技术在20 世纪90年代初开始商品化。近年来,近红外光谱的应用技术获得了巨大发展,在许多领域得到应用,对推进生产和科研领域的技术进步发挥了巨大作用。近红外光谱技术是90年代以来发展最快、最引人注目的光谱分析技术,测量信号的数字化和分析过程的绿色化使该技术具有典型的时代特征。由于近红外光在常规光纤中有良好的传输特性,使近红外光谱技术在实时在线分析领域中得到很好的应用。在工业发达国家,这种先进的分析技术已被普遍接受,例如1978年美国和加拿大采用近红外法代替凯氏法,作为分析小麦蛋白质的标准方法。
20世纪90年代初,外国厂商开始在我国销售近红外光谱分析仪器产品,但在很长时间内,进展不大,其原因主要是:首先,近红外光谱分析要求光谱仪器、光谱数据处理软件(主要是化学计量学软件)和应用样品模型结合为一体,缺一不可。但被分析样品会由于样品产地的不同而不同,国内外的样品通常有差异,因此,进口仪器的应用模型一般不适合分析国内样品。如果自己建立模型,就需要操作人员了解和熟悉化学计量学知识和软件,而外商在中国的代理机构缺乏这方面的专业人才,不能有效地根据用户的需要组织培训,因此,用户对这项技术缺乏全面了解,影响到了它的推广使用。其次,进口仪器价格昂贵,售后技术服务费用也往往超出大多数用户的承受能力。
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高级物理化学实验讲义
实验项目名称:红外反射光谱原理、实验技术及应用
编写人:苏文悦编写日期:2011-7-7
一、实验目的(宋体四号字)
1、了解并掌握FTIR-ATR、FTIR-DRS和FTIR-RAS等红外光谱表面分析技术的原理、实验技术及应用
2、比较分析FTIR-ATR、FTIR-DRS和FTIR-RAS等红外光谱技术各自适用的样品、同一样品不同红外光谱的谱带位置及形状。
二、实验原理
衰减全反射(ATR)、漫反射(DRS)和反射吸收(RAS)都是傅里叶变换红外反射光谱,是FTIR常用的表面分析技术。
图1 入射角(θ)及折射率(n1,n2)对光在界面上行为的影响
θc为临界角,sinθc=n2/n1
1全反射光谱原理、实验技术及应用
全反射:光由光密(即光在此介质中的折射率大的)媒质射到光疏(即光在此介质中折射率小的)媒质的界面时,全部被反射回原媒质内的现象。很多材料如交联聚合物、纤维、纺织品和涂层等,用一般透射法测量其红外光谱往往很困难,但使用FTIR及ATR技术却可以很方便地测绘其红外光谱。
(1)入射角与临界角
在通常情况下,光透射样品时是从光疏介质的空气射向光密介质样品的,当垂直入射(入射角θ为0°)时,则全部透过界面;当θ≠0°时,如果两者的折射率相差不大,则光是以原方向透射的,但如折射率差别较大,则会产生折射现象。
当n2与n1有足够的差值(0.5以上),且入射光从光密介质(n1)射向光疏介
质(n 2 ),入射角θ 大于一定数值时,光线会产生全反射现象。这个“一定数值”的角度称为临界角,也即当折射角φ 等于90°时的入射角θ称为临界角θc ,如图1,其中临界角θc 和折射率n 1和n 2有如下关系: sin θ=n 2/n 1
显然,临界角的数值取决于样品折射率与全反射晶体的折射率之比,对同一种全反射晶体,不同材质的样品会有不同的临界角值,表1所列数值可看出这一关系。 表1
在ATR 和MIR 方法中必须选用远大于临界角的入射角,即sin θ>n 2/n 1,以确保全反射的产生和所获光谱的质量,本实验运用单次衰减全反射ATR 附件,反射晶体是锗,入射角固定为45°,远大于临界角。
(2)衰减全反射
衰减全反射(Attenuated Total Reflectance)缩写为ATR 。当入射角大于临界角时,入射光在透入光疏介质(样品)一定深度后,会折回射入全反射晶体中。进入样品的光,在样品有吸收的频率范围内光线会被样品吸收而强度衰减,在样品无吸收的频率范围内光线被全部反射。因此对整个频率范围而言,由于样品的选择性吸收,使ATR 中的入射光能被部分衰减,除穿透深度dp 外,其衰减的程度与样品的吸收系数有关,还与多次内反射中的光接触样品的次数有关。这种衰减程度在全反射光谱上就是它的吸收强度。
全反射光谱的强度及分布 ATR 光谱的强度取决于穿透深度dp 、反射次数和样品与棱镜的紧密贴合情况以及样品本身吸收的大小。
内反射次数则是设计装置时的一个参数,入射角Ө越小,对同样尺寸的全反射晶体,全反射的次数就越多,谱峰越增强。
在全反射过程中光线穿透入样品的深度dp 的表示公式如下:
其中,dp :是光透入样品的垂直深度,称穿透深度
λl :是光在内反射晶体材料中的波长,与入射光波长λ成正比λ1=λ/n 1 Ө:为入射角,
n 21=n 2/n 1 :是样品与全反射晶体的折射率之比
21221
21)(sin 2n dp -=θπλ
由上式可知光线穿透入样品的深度dp 由入射角Ө,折射率比n 21和入射光波长λ决定。
对已选定ATR 附件(全反射晶体和Ө已选定)和样品而言,也就是在Ө 、n 21已选定的情况下,穿透深度dp 与入射光波长λ成正比,即dP ∝λ
当仪器扫描样品时,不同波长的光就有不同值的穿透深度。短波长的光(λ值小),穿透深度dp 值就小,吸收就弱;而长波长的光(λ值大),dp 值就大,吸收就强。因此,全反射光谱的峰形和频率与透过光谱一致,但峰的强度分布与透过光谱有明显的差异,即高波数段峰的强度减弱,低波数处峰强度与透过光谱相似。
ATR 光谱吸收强度分布与透射光谱
的区别,可通过OMNIC Process 菜单的
Other Correction 选项中的“ATR
Correction ” 进行校正。
(3)ATR 附件的使用
①ATR 要考虑的因素 为了获得一张合格
的ATR 光谱,在实验时要考虑几个因素。
首先要求样品与棱镜晶体之间要有良好的
光学接触。为提高灵敏度,可以增加反射
次数;ATR 晶体的种类。常用的ATR 晶体
的入射角有30,45,60等几种。
本实验运用单次衰减全反射ATR 附件(如图),反射晶体是锗,入射角固定
为45°,远大于临界角
②ATR 的应用 衰减全反射法由于操作简单,灵敏度高等优点,已在聚合物表面研究中得到广泛应用。此外由于水的衰减系数很小,因而可用ATR 测量表面含水的样品,这是在各种红外光谱技术中最为独特的优点。因为水在其它红外分析方法中都有十分强烈的吸收。ATR 的缺点是在于要求样品与晶体有良好的光学贴合。
2、漫反射光谱原理、实验技术及应用
对固体粉末样品,一般采用KBr 压片进行透射红外谱的测定。但有些样品在制样过程中会出现晶体结构,表面性质的变化,还可能同K ,Br 发生离子交换;此外,有些高分子样品如橡胶、纤维等也难以在KBr 中分散均匀;有时虽可用溶液法来测量红外光谱,但难以找到合适的溶剂,而且溶液法也无法得出表面结构。衰减全反射可用进行粉末样品的表面结构研究,但难以达到样品与晶体的良好的光学贴合。红外漫反射(Dfffuse Reflectance)是近年来发展用于直接测定粉末样品的一种测谱方法。
单次反射ATR 附件 Ge 晶体,入射角45°pH :1-14