高分子材料分析测试方法剖析

结构鉴定 傅里叶红外光谱
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。这两种域表征同一 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。
结构鉴定 傅里叶红外光谱
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。
高分子材料分析 测试方法
结构鉴 定
流变性
高分子材 料分析主 要方向
分子量 及分布 鉴定
形态及 形貌表
征
热分析 技术
第一部分
核磁共 振法
气相色 谱法
红外光 谱法
结构 鉴定
紫外光 谱法
拉曼散 射
质谱法
分子荧 光光谱
发
结构鉴定
傅里叶红外光谱
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。
结构鉴定 傅里叶红外光谱
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。
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。这就是傅里叶变换红外光谱 仪名称的由来。
结构鉴定 傅里叶红外光谱
分析速 度
信噪比
光谱范 围
红外光 谱仪各 项指标
分辨率
波长准 确度
光度准 确度
波长精 确度
结构鉴定 傅里叶红外光谱
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。
区域
波长μm 波数 cm-1 能级跃迁类型
近 红 外 区 0.75～2.5 13158 ～ OH 、 NH 及 CH
（泛频区）
4000
键的倍频吸收
中 红 外 区 2.5～25 4000～400 分 子 振 动 ， 伴
（基本振动
随转动
结构鉴定 傅里叶红外光谱
傅立叶变换红外光谱仪的结构
傅立叶变换红外光谱仪的结构
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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。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。
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。
结构鉴定 傅里叶红外光谱
相干的复色光，在空间x处电场强度的叠加是：
E(x) 0 f ( ) cos 2 xd
其中 f ( ) 是光强度按波数 的分布函数 很明显E(x)、f ( ) 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：
f ( ) 0 E(x) cos 2 xdx
结构鉴定 傅里叶红外光谱
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