傅立叶变换红外光谱仪的基本原理

傅立叶变换红外光谱仪的

基本原理及其应用

红外光谱仪是鉴别物质和分析物质结构的有效手段，其中傅立叶变换红外光谱仪（FT-IR）是七十年代发展起来的第三代红外光谱仪的典型代表。它是根据光的相干性原理设计的，是一种干涉型光谱仪，具有优良的特性，完善的功能，并且应用范围极其广泛，同样也有着广泛的发展前景。本文就傅立叶变换红外光谱仪的基本原理作扼要的介绍，总结了傅立叶变换红外光谱法的主要特点，综述了其在各个方面的应用，并对傅立叶变换红外光谱仪的发展方向提出了一些基本观点。

关键词：傅立叶变换红外光谱仪；基本原理；应用；发展

目录

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1 傅里叶红外光谱仪的发展历史 (1)

2 基本原理 (3)

2.1光学系统及工作原理 (4)

2.2傅立叶变换红外光谱测定 (5)

2.3傅立叶变换红外光谱仪的主要特点 (6)

3 样品处理 (6)

3.1气体样品 (6)

3.2液体和溶液样品 (6)

3.3固体样品 (6)

4 傅立叶变换红外光谱仪的应用 (7)

4.1在临床医学和药学方面的应用⑷ (7)

4.2在化学、化工方面的应用 (8)

4.3在环境分析中的应用 (9)

4.4在半导体和超导材料等方面的应用⑼ (9)

5 全文总结 (9)

参考文献 (10)

1 傅立叶红外光谱仪的发展历史

到目前为止红外光谱仪已发展了三代。第一代是最早使用的棱镜式色散型红外光谱仪, 用棱镜作为分光元件，分辨率较低，对温度、湿度敏感, 对环境要求苛刻。60年代出现了第二代光栅型色散式红外光谱仪, 由于采用先进的光栅刻制和复制技术, 提高了仪器的分辨率, 拓宽了测量波段, 降低了环境要求。70年代发展起来的干涉型红外光谱仪, 是红外光谱仪的第三代的典型代表（见图1）, 具有宽的测量范围、高测量精度、极高的分辨率以及极快的测量速度。傅立叶变换红外光谱仪是干涉型红外光谱仪器的代表, 具有优良的特性, 完善的功能。

图1 傅立叶变换红外光谱仪实物图

近年来各国厂家对其光源、干涉仪、检测器及数据处理等各系统进行了大量的研究和改进, 使之日趋完善。由于计算机技术和自动化技术在仪器中的广泛使用, 使得红外光谱仪的调整、控制、测试及结果的分析大部分由计算机完成, 如显微红外光谱中的图像技术。各公司的显微红外光谱仪均能对样品的某一区域进行面扫描, 得到该区域的化学成分的分布图, 如Continuum (Nicolet) 、EquinoxTM55 (Bruker) 、Spectrum2000 ( Perkin El2mer)和Stingray lmaging (Bio-Rad)等显微镜都有此功能。

随着仪器精密度的提高, 红外光谱仪在分辨率和扫描速度等方面达到了很高的指标。如BrukerIFSl20H最佳分辨率为010008cm- 1, Bomen公司的DA系列可达010026cm- 1。而扫描速度Bruker可达117张谱图/ s, 利用步进扫描技术可达250皮纳秒的时间分辨率。Nicolet8700扫描速度为105 次/ s,步进扫描时间分辨率为10ns。现有的傅立叶变换红外光谱仪已不仅限于中红外(MIR) 的使用, 分束器的使用可将光谱范围可覆盖紫外到远红外的区段。如Bruker为50000～4cm- 1, Bomen为50000～5cm- 1, Nicolet为25000～20cm- 1。这些很高的技术指标、标志材料、光路设计、加工技术和软件都达到了很高的水平[1]。

但是,通常的透射红外光谱,即使是傅里叶变换透射红外光谱,都存在如下不足: ①固体压片或液膜法制样麻烦,光程很难控制一致,给测量结果带来误差。另外,无论是添加红外惰性物质或是压制自支撑片,都会给粉末状态的样品造成形态变化或表面污染,使其在一定

程度上失去其“本来面目”②大多数物质都有独特的红外吸收,多组分共存时,普遍存在谱峰重叠现象。③透射样品池无法解决催化气相反应中反应物的“短路”问题,使得催化剂表面的吸附物种浓度较低,影响检测的灵敏度。④不能用于原位(在线) 研究,只能在少数研究中应用。

因此,漫反射傅里叶变换红外光谱技术和衰减全反射傅里叶变换红外光谱技术应运而生[2]。漫反射技术是一种对固体粉末样品进行直接测量的光谱方法。虽然早在20 世纪60 年代就已发展成为光谱学中的一个分支,但与红外光谱结合,是在傅里叶变换红外光谱出现后,漫反射傅立叶变换红外光谱技术才进入实用阶段。与透射傅立叶变换红外光谱技术相比,漫反射傅里叶变换红外光谱法具有如下优点:不需要制样、不改变样品的形状、不会污染样品, 不要求样品有足够的透明度或表面光洁度,也不需要破坏样品,不会对样品的外观及性能造成任何损坏,可直接将样品放在样品支架上进行测定,可以同时测定多种组分,这些特点很适合对样品的无损检测,如对珠宝、钻石、纸币、邮票的真伪进行鉴定,对样品无任何不良作用。

20世纪90 年代初,衰减全反射(ATR ) 技术开始应用到红外显微镜上, 诞生了全反射傅里叶变换红外(A TR-FTIR ) 光谱仪。近年来,随着计算机技术和多媒体图视功能的运用,实现了非均匀样品和不平整样品表面的微区无损测量,可以获得官能团和化合物在微区空间分布的红外光谱图像。衰减全反射不需要通过透过样品的信号,而是通过样品表面的反射信号获得样品表层有机成分的结构信息,因此,衰减全反射具有如下特点:

1) 不破坏样品,不需要象透射红外光谱那样要将样品进行分离和制样。对样品的大小,形状没有特殊要求,属于样品表面无损测量。

2) 可测量含水和潮湿的样品。

3) 检测灵敏度高,测量区域小,检测点可为数微米。

4) 能得到测量位置处物质分子的结构信息、某化合物或官能团空间分布的红外光谱图像及微区的可见显微图象。

5) 能进行红外光谱数据库检索以及化学官能团辅助分析,确定物资和种类和性质。

6) 操作简便,自动化,用计算机进行选点、定位、聚集、测量。

由于衰减全反射的上述特点,极大地扩大了红外光谱技术的应用范围,使许多采用透射红外光谱技术无法制样,或者样品制做过程十分复杂、难度大、而效果又不理想的实验成为可能,采用衰减全反射附件和实验方法,可以获得常规的透射红外光谱技术所不能得到的检测效果。

傅立叶变换红外光谱仪与其他仪器的联用技术是近代研究发展的重要方向。在现代分析测试技术中, 用于复杂试样的微量或痕量组分的分离分析的多功能红外联机检测技术代表了新的发展方向。傅立叶变换红外光谱仪与色谱联用可以进行多组分样品的分离和定性, 与显微镜联用可进行微量样品的分析鉴定, 与热失重联用可进行材料的热稳定性研究, 与拉曼光谱联用可得到红外光谱弱吸收的信息。实践证明, 红外光谱联用技术是一种十分有效的