紅外光譜分析儀基礎(chǔ)知識

1、紅外光譜分析儀基礎(chǔ)知識第1頁，共58頁，2022年，5月20日，9點38分，星期二目錄一. 紅外光譜概述 1. 紅外光區(qū)的劃分 2. 紅外光譜法的特點 3. 產(chǎn)生紅外吸收的條件二. 紅外光譜儀 1. 紅外光譜儀的主要部件 2. 紅外光譜儀的分類 3. 紅外光譜儀各項指標的含義第2頁，共58頁，2022年，5月20日，9點38分，星期二目錄三紅外光譜儀的應(yīng)用四紅外試樣制備五紅外光譜儀的新進展第3頁，共58頁，2022年，5月20日，9點38分，星期二一. 紅外光譜概述紅外光譜又稱為分子振動轉(zhuǎn)動光譜，它和紫外可見光譜一樣，也是一種分子吸收光譜。當(dāng)樣品受到頻率連續(xù)變化的紅外光照射時，分子吸收了某些頻

2、率的輻射，并由其振動或轉(zhuǎn)動運動引起偶極矩的凈變化產(chǎn)生分子振動和轉(zhuǎn)動能級從基態(tài)到激發(fā)態(tài)的躍遷，使相應(yīng)于這些吸收區(qū)城的透射光強度減弱。記錄紅外光的百分透射比與波數(shù)或波長關(guān)系的曲線，就得到紅外光譜。紅外光譜法不僅能進行定性和定量分析，而且從分子的特征吸收可以鑒定化合物和分子結(jié)構(gòu)。第4頁，共58頁，2022年，5月20日，9點38分，星期二一. 紅外光譜概述1. 紅外光區(qū)的劃分紅外光譜在可見光區(qū)和微波光區(qū)之間，其波長范圍約為0.751000m。根據(jù)實驗技術(shù)和應(yīng)用的不同，通常將紅外區(qū)劃分成三個區(qū)：近紅外光區(qū)（0.752.5m)，中紅外光區(qū)(2.525m）和遠紅外光區(qū)（251000m)，如下表：其中中紅外

3、區(qū)是研究和應(yīng)用最多的區(qū)域，一般說的紅外光譜就是指中紅外區(qū)的紅外光譜。第5頁，共58頁，2022年，5月20日，9點38分，星期二一. 紅外光譜概述區(qū)域 波長m 波數(shù) cm-1 能級躍遷類型 近紅外區(qū)（泛頻區(qū)）0.752.5131584000OH、NH及CH鍵的倍頻吸收 中紅外區(qū)（基本振動區(qū)）2.525 4000400 分子振動，伴隨轉(zhuǎn)動 遠紅外區(qū)（轉(zhuǎn)動區(qū)） 251000 4000400 分子轉(zhuǎn)動 第6頁，共58頁，2022年，5月20日，9點38分，星期二一. 紅外光譜概述紅外吸收光譜常用或曲線來表示。縱坐標是透射百分比T%，橫坐標是波長或波數(shù)（單位是cm-1）?，F(xiàn)橫坐標常用波數(shù)表示，這樣便于

4、與Raman光譜相比較。如下圖所示的是聚苯乙烯薄膜的紅外光譜。圖中向下的是吸收峰，向上的是谷。第7頁，共58頁，2022年，5月20日，9點38分，星期二一. 紅外光譜概述第8頁，共58頁，2022年，5月20日，9點38分，星期二一. 紅外光譜概述2. 紅外光譜法的特點 與紫外可見吸收光譜不同，產(chǎn)生紅外光譜的紅外光的波長要長得多，因此光子能量低。物質(zhì)分子吸收紅外光后，只能引起振動和轉(zhuǎn)動能級躍遷，不會引起電子能級躍遷。所以紅外光譜一般稱為振動轉(zhuǎn)動光譜。 紫外可見吸收光譜常用于研究不飽和有機化合物，特別是具有共扼體系的有機化合物。而紅外光譜法主要研究在振動中伴隨有偶極矩變化的化合物。因此除了單原

5、子分子和同核分子。如Ne、He、O2、和H2等之外，幾乎所有的有機化合物在紅外光區(qū)均有吸收。紅外吸收譜帶的波數(shù)第9頁，共58頁，2022年，5月20日，9點38分，星期二一. 紅外光譜概述 位置、波峰的數(shù)目及其強度反映了分于結(jié)構(gòu)上的特點，可以用來鑒定未知物的分子結(jié)構(gòu)組成或確定其化學(xué)基團；而吸收譜帶的吸收強度與分子組成或其化學(xué)基團的含量有關(guān)，可用作進行定量分析和純度鑒定。 紅外及拉曼光譜都是分子振動光譜，通過譜圖解析可以獲取分子結(jié)構(gòu)的信息。任何氣態(tài)、液態(tài)、固態(tài)樣品均可進行紅外光譜測定，這是其它儀器分析方法難以做到的。具有用量少、分析速度快、不破壞試樣等特點，使紅外光譜法成為現(xiàn)代分析化學(xué)和結(jié)構(gòu)化學(xué)

6、的不可缺少的工具。但對于復(fù)雜化合物的結(jié)構(gòu)測定，還需配合紫外光譜、質(zhì)譜和核磁共振波譜等其他方法，才能得到滿意的結(jié)果 。第10頁，共58頁，2022年，5月20日，9點38分，星期二一. 紅外光譜概述3. 產(chǎn)生紅外吸收的條件 這個我們不需要深入了解，知道就行了。紅外光譜是由于分子振動能級躍遷產(chǎn)生的，物質(zhì)分子吸收紅外輻射應(yīng)滿足兩個條件： a分子振動時，必須伴隨有瞬時偶極矩的變化 b照射分子的紅外輻射頻率與分子某種振動頻率相同第11頁，共58頁，2022年，5月20日，9點38分，星期二二. 紅外光譜儀19世紀初人們通過實驗證實了紅外光的存在。二十世紀初人們進一步系統(tǒng)地了解了不同官能團具有不同紅外吸收

7、頻率這一事實。1950年以后出現(xiàn)了自動記錄式紅外分光光度計。隨著計算機科學(xué)的進步，1970年以后出現(xiàn)了傅立葉變換型紅外光譜儀。紅外測定技術(shù)如全反射紅外、顯微紅外、光聲光譜以及色譜-紅外聯(lián)用等也不斷發(fā)展和完善，使紅外光譜法得到廣泛應(yīng)用。第一代紅外光譜儀（上世紀50年代）使用的是濾光片分光系統(tǒng)，此類儀器只能在單一或少數(shù)幾個波長下測定（非連續(xù)波長），靈活性差，而且波長穩(wěn)定性、重現(xiàn)性差，現(xiàn)已淘汰。目前市場上常見的紅外光譜儀主要有兩類：色散型（即光柵式）紅外光譜儀和傅立葉變換紅外光譜儀，它們分別采用第二代和第三代分光技術(shù)的紅外光譜儀，它們是我們重點介紹對象。第12頁，共58頁，2022年，5月20日，9

8、點38分，星期二二. 紅外光譜儀紅外光譜儀與紫外-可見分光光度計的組成基本相同，由光源、樣品室、單色儀以及檢測器等部分組成。兩種儀器在各元件的具體材料上有較大差別。色散型紅外光譜儀的單色儀一般在樣品池之后。第13頁，共58頁，2022年，5月20日，9點38分，星期二二. 紅外光譜儀1. 紅外光譜儀的主要部件一、紅外光源第14頁，共58頁，2022年，5月20日，9點38分，星期二二. 紅外光譜儀 一般分光光度計中的氘燈、鎢燈等光源能量較大，要觀察分子的振動能級躍遷，測定紅外吸收光譜，需要能量較小的光源。黑體輻射是最接近理想光源的連續(xù)輻射。滿足此要求的紅外光源是穩(wěn)定的固體在加熱時產(chǎn)生的輻射，常

9、見的有如下幾種。能斯特?zé)?能斯特?zé)舻牟牧鲜窍⊥裂趸铮龀蓤A筒狀(202 mm)，兩端為鉑引線。其工作溫度為1200-2200K。此種光源具有很大的電阻負溫度系數(shù)，需要預(yù)先加熱并設(shè)計電源電路能控制電流強度，以免燈過熱損壞。第15頁，共58頁，2022年，5月20日，9點38分，星期二二. 紅外光譜儀碳化硅棒 尺寸為505mm,工作溫度1300-1500K。與能斯特?zé)粝喾?碳化硅棒具有正的電阻溫度系數(shù),電觸點需水冷以防放電。其輻射能量與能斯特?zé)艚咏?但在2000cm-1區(qū)域能量輸出遠大于能斯特?zé)?。白熾線圈 用鎳鉻絲螺旋線圈或銠線做成。工作溫度約1100K。其輻射能量略低于前兩種，但壽命長。第16

10、頁，共58頁，2022年，5月20日，9點38分，星期二二. 紅外光譜儀二、檢測器 紫外可見分光光度計所用的光電管或光電倍增管不適用于紅外區(qū)，這是應(yīng)為紅外光譜區(qū)的光子能量較弱，不足以引發(fā)光電子發(fā)射。常用的紅外檢測器有熱檢測器、熱釋電檢測器和光電導(dǎo)檢測器三種。前兩種用于色散型儀器中，后兩種在傅立葉變換紅外光譜儀中多見。第17頁，共58頁，2022年，5月20日，9點38分，星期二二. 紅外光譜儀熱檢測器 熱檢測器依據(jù)的是輻射的熱效應(yīng)。輻射被一小的黑體吸收后，黑體溫度升高，測量升高的溫度可檢測紅外吸收。以熱檢測器檢測紅外輻射時，最主要的是要防止周圍環(huán)境的熱噪聲。一般使用斬光器使光源輻射斷續(xù)照射樣品

11、池。 熱檢測器最常見的是熱電偶（有時又稱為高真空熱偶）。將兩片金屬鉍熔融到另一不同金屬如銻的兩端，就有了兩個連接點。兩接觸點的電位隨溫度變化而變。檢測端接點做成黑色置于真空艙內(nèi)，有一個窗口對紅外光透明。參比端接點在同一艙內(nèi)并不受輻射照射，則兩接點間產(chǎn)生溫差。熱電偶可檢測出10-6K的溫度變化。第18頁，共58頁，2022年，5月20日，9點38分，星期二二. 紅外光譜儀熱釋電檢測器 熱釋電檢測器使用具有特殊熱電性質(zhì)的絕緣體，一般采用熱電材料的單晶片作為檢測元件，如硫酸三苷肽(NH2CH2COOH)3H2SO4，簡稱TGS。在電場中放一絕緣體會使絕緣體產(chǎn)生極化，極化度與介電常數(shù)成正比。但移去電場

12、，誘導(dǎo)的極化作用也隨之消失。而熱釋電材料即使移去電場，其極化也并不立即消失，極化強度與溫度有關(guān)。當(dāng)輻射照射時，溫度會發(fā)生變化，從而影響晶體的電荷分布，這種變化可以被檢測。熱電檢測器通常做成三明治狀。將熱電材料晶體夾在兩片電極間，一個電極是紅外透明的，容許輻射照射。輻射照射引起溫度變化，從而晶體電荷分布發(fā)生變化，通過外部連接的電路可以測量。電流的大小與晶體的表面積、極化度隨溫度變化的速率成正比。當(dāng)熱釋電材料是鐵電體，當(dāng)溫度升至某一特定值時極 第19頁，共58頁，2022年，5月20日，9點38分，星期二二. 紅外光譜儀 化會消失，此溫度稱為居里點。TGS的居里點為47C。熱釋電檢測器的響應(yīng)速率很

13、快，可以跟蹤干涉儀隨時間的變化，故多用于傅立葉變換紅外光譜儀中。目前使用最廣泛的是氘化的TGS即DTGS，它的居里溫度是62C，熱電系數(shù)小于TGS。光電導(dǎo)檢測器 光電導(dǎo)檢測器采用半導(dǎo)體材料薄膜，如Hg-Cd-Te（碲鎘汞）或PbS或InSb（銻化銦），將其置于非導(dǎo)電的玻璃表面密閉于真空艙內(nèi)。則吸收輻射后非導(dǎo)電性的價電子躍遷至高能量的導(dǎo)電帶，從而降低半導(dǎo)體的電阻，產(chǎn)生信號。Hg-Cd-Te縮寫為MCT，該檢測器用于中紅外區(qū)及遠紅外區(qū)。這種檢測器比熱釋電檢測器靈敏（至少比DTGS大10第20頁，共58頁，2022年，5月20日，9點38分，星期二二. 紅外光譜儀 10倍），在FTIR及GC-FTI

14、R（氣相色譜-傅立葉變換紅外光譜聯(lián)用技術(shù)）儀器中獲得廣泛應(yīng)用。此外，PbS檢測器常用于近紅外區(qū)室溫下的檢測。 以上兩個部件是色散型紅外光譜儀和傅立葉紅外光譜儀所共有的，對于色散型紅外光譜儀還有幾個關(guān)鍵部件：如單色儀、光柵、狹縫等；對于傅立葉變換紅外光譜儀，它還有邁克耳孫干涉儀、分束器、透明窗片、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)等關(guān)鍵部件。下表是一些分束器的介紹：第21頁，共58頁，2022年，5月20日，9點38分，星期二二. 紅外光譜儀第22頁，共58頁，2022年，5月20日，9點38分，星期二二. 紅外光譜儀2. 紅外光譜儀的分類A色散型紅外光譜儀 上世紀70年代中期至80年代，色散型紅外光譜儀誕生，到目前

15、為止，國內(nèi)還有廠家在生產(chǎn)，用戶還有很多。該儀器的特點是： （1）、采用雙光束結(jié)構(gòu)。使用單光束儀器時，大氣中的H2O、CO2在重要的紅外區(qū)域內(nèi)有較強的吸收，因此需要一參比光路來補償，使這兩種物質(zhì)的吸收補償?shù)搅?。采用雙光束光路可以消除它們的影響，測定時不必嚴格控制室內(nèi)的濕度及人數(shù)。第23頁，共58頁，2022年，5月20日，9點38分，星期二二. 紅外光譜儀（2）、單色器在樣品室之后。由于紅外光源的低強度，檢測器的低靈敏度(使用熱電偶時)，故需要對信號進行大幅度放大。而紅外光譜儀的光源能量低，即使靠近樣品也不足以使其產(chǎn)生光分解。而單色器在樣品室之后可以消除大部分散射光而不至于到達檢測器。（3）、斬

16、光器轉(zhuǎn)動頻率低，響應(yīng)速率慢，以消除檢測器周圍物體的紅外輻射。第24頁，共58頁，2022年，5月20日，9點38分，星期二二. 紅外光譜儀色散型儀器的主要不足：1）需采用狹縫，光能量受到限制；2）掃描速度慢，不適于動態(tài)分析及和其它儀器聯(lián)用；3）不適于過強或過弱的吸收信號的分析。此外由于內(nèi)部移動部件較多，此類儀器最大的弱點是光柵或反光鏡的機械軸長時間連續(xù)使用容易磨損，影響波長的精度和重現(xiàn)性。因此色散型紅外光譜儀自身局限性很大，現(xiàn)在已經(jīng)逐步被傅立葉紅外光譜儀取代。第25頁，共58頁，2022年，5月20日，9點38分，星期二二. 紅外光譜儀下圖是色散型紅外光譜儀的結(jié)構(gòu)：第26頁，共58頁，2022

17、年，5月20日，9點38分，星期二二. 紅外光譜儀上圖中，光源發(fā)出的光被分成兩束，分別作為參比光和樣品光通過樣品池。各光束交替通過扇形鏡M7，利用參比光路的衰減器（又稱為光楔或減光器）對經(jīng)參比光路和樣品光路的光的吸收強度進行對照。因此通過參比和樣品后溶劑的影響被消除，得到的譜圖就是樣品本身的吸收。第27頁，共58頁，2022年，5月20日，9點38分，星期二二. 紅外光譜儀B. 傅立葉變換紅外光譜儀（Fourier Transform Infrared Spectrometer FTIR） 前面介紹的以光柵作為色散元件的紅外光譜儀在許多方面已不能完全滿足需要。由于采用了狹縫，能量受到限制。尤其

18、在遠紅外區(qū)能量很弱；它的掃描速度太慢，使得一些動態(tài)的研究以及和其他儀器（如色譜）的聯(lián)用發(fā)生困難；對一些吸收紅外輻射很強或者很弱的樣品的測定及痕量組分的分析等，也受到一定的限制。隨著光電子學(xué)尤其是計算機技術(shù)的迅速發(fā)展，70年代出現(xiàn)了新一代的紅 第28頁，共58頁，2022年，5月20日，9點38分，星期二二. 紅外光譜儀第29頁，共58頁，2022年，5月20日，9點38分，星期二二. 紅外光譜儀第30頁，共58頁，2022年，5月20日，9點38分，星期二二. 紅外光譜儀外光譜測量技術(shù)和儀器基于干涉調(diào)頻分光的Fourier變換的紅外光譜儀。這種儀器不用狹縫，因而消除了狹縫對通光量的限制，可以同

19、時獲得光譜所有頻率的全部信息。它具有許多優(yōu)點：掃描速度快，測量時間短，可在1s內(nèi)獲得紅外光譜，適于對快速反應(yīng)過程的追蹤，也便于和色譜法聯(lián)用；靈敏度高，檢出量可達10-910-12g；分辨本領(lǐng)高，波數(shù)精度可達0.01cm-1；光譜范圍廣，可研究整個紅外區(qū)（1000010cm-1）的光譜；測定精度高，重復(fù)性可達0.1%，而雜散光小于0.01。第31頁，共58頁，2022年，5月20日，9點38分，星期二二. 紅外光譜儀下圖是FTIR的結(jié)構(gòu)第32頁，共58頁，2022年，5月20日，9點38分，星期二二. 紅外光譜儀光源發(fā)出的光被分束器分為兩束，一束經(jīng)反射到達動鏡，另一束經(jīng)透射到達定鏡。兩束光分別經(jīng)

20、定鏡和動鏡反射再回到分束器，從而產(chǎn)生干涉。動鏡作直線運動,因而干涉條紋產(chǎn)生連續(xù)的變換。干涉光在分束器會合后通過樣品池，然后被檢測器（傅立葉變換紅外光譜儀的檢測器有TGS，DTGS，MCT等）接收，計算機處理數(shù)據(jù)并輸出。第33頁，共58頁，2022年，5月20日，9點38分，星期二二. 紅外光譜儀有好多人不明白為什么儀器角傅立葉變換紅外光譜儀，不清楚傅立葉變換的含義，下面有必要簡單介紹FTIR的數(shù)學(xué)原理。 周期性的運動可在兩種域(Domain)中得到表征：一種表征域是表現(xiàn)出周期性的域，例如，電(磁)場強度隨時間(空間)的分布，就是在時(空)域中表征光波的特征；另一種表征域是運動狀態(tài)按某一周期性參

21、數(shù)(頻率、波長、波數(shù)等)的分布，可統(tǒng)稱為頻域。這兩種城中表征同一運動狀態(tài)可通過傅里葉變換(Fourier Transform，簡稱FT)相互轉(zhuǎn)變。通常所說的某種光的光譜是指該光包含的不同頻率成分的強度按頻率的分布，因此 第34頁，共58頁，2022年，5月20日，9點38分，星期二二. 紅外光譜儀光譜就是光在頻率域中的表征。下圖是某頻率的兩種單色光分別在空間域（時域）和頻域的表征。 第35頁，共58頁，2022年，5月20日，9點38分，星期二二. 紅外光譜儀 相干的復(fù)色光，在空間x處電場強度的疊加是： 其中是光強度按波數(shù)的分布函數(shù)，很明顯E(x)、分別是光時域和頻域的表征，上述關(guān)系式就是傅立

22、葉變換式?？梢酝ㄟ^FT把光在時域和頻域的表征相互轉(zhuǎn)換： 我們用邁克耳孫干涉儀可以得到紅外光的時域譜，通過FT就可以得到光的頻率（波數(shù)）分布。這就是儀器名稱的由來。第36頁，共58頁，2022年，5月20日，9點38分，星期二二. 紅外光譜儀3. 紅外光譜儀各項指標的含義A光譜范圍 紅外的整個譜區(qū)的波長范圍根據(jù)ASTM（American Society of Testing Materials，美國材料實驗協(xié)會）定義為7802526nm。而在一般應(yīng)用中大家往往把7002500nm或7002600nm作為近紅外譜區(qū)，并通常把它分為2段，7001100nm的短波近紅外譜區(qū)和11003600nm的長波

23、近紅外諾區(qū)。短波近紅外譜區(qū)更適合做透射分析，故又叫近紅外透射區(qū)，長波近紅外譜區(qū)更適合做反射或漫反射分析，也稱之為近紅外反射區(qū)。第37頁，共58頁，2022年，5月20日，9點38分，星期二二. 紅外光譜儀 儀器的波長范圍指該紅外光譜儀所能記錄的光譜范圍，它影響能實現(xiàn)分析測試的項目，主要取決于儀器的光源種類、分光系統(tǒng)、檢測器類型和透光材料。專用的紅外儀器往往只覆蓋單一波段，如美國Zeltex的ZXl01型手持式辛烷值分析儀用7001100nm的短波近紅外譜區(qū)，AGMED公司的土壤快速分析儀用的16502650nm的長波近紅外譜區(qū)；而通用型的紅外儀器往往覆蓋整個紅外譜區(qū) 第38頁，共58頁，202

24、2年，5月20日，9點38分，星期二二. 紅外光譜儀B分辨率 紅外光譜儀器的分辨率是指儀器對于緊密相鄰的峰可分辨的最小波長間隔，表示儀器實際分開相鄰兩譜線的能力，往往用儀器的單色光帶寬來表示，它是儀器最重要的性能指標之一，也是儀器質(zhì)量的綜合反映。 儀器的分辨率主要取決于儀器的分光系統(tǒng)的性能。對色散型儀器而言，還與光源的強度、檢測器的靈敏皮有關(guān)，光源的強度大、檢測器的靈敏度高可減小狹縫寬度，降低單色光帶寬，提高儀器的分辨率。而對用多通道檢測器的儀器，儀器的分辨卒與檢測器的像素有關(guān)，單位長度像素越多分辨率越高。對于濾光片型 第39頁，共58頁，2022年，5月20日，9點38分，星期二二. 紅外光

25、譜儀近紅外光譜儀器，濾光片的帶寬就是儀器的分辨率。儀器的分辨率主要影響光譜儀器獲得測定樣品光譜的質(zhì)量，從而影響分析的準確性，對于一臺儀器的分辨率是否滿足要求，這與待測樣品的光譜特征有關(guān)，有些物質(zhì)光譜重疊、特征復(fù)雜，要得到滿意的分析結(jié)果，就要求較高的儀器分辨率。C波長準確度波長準確度是指儀器所顯示的波長值和分光系統(tǒng)實際輸出單色光的波長值之間相符的程度。波長準確度可用波長誤差，即上述兩值之差來表示。保證波長準確度是紅外光譜儀器能夠準確測定第40頁，共58頁，2022年，5月20日，9點38分，星期二二. 紅外光譜儀 樣品光譜的前提，是保證分析結(jié)果的準確度前提。紅外分析結(jié)果一般是通過用已知化學(xué)值的標

26、準樣品建立的模型來分析待測樣品，如果波長準確度不能保證，整組數(shù)據(jù)就會因波長平移而使每個數(shù)據(jù)出現(xiàn)偏差，造成分析結(jié)果的誤差。波長準確度主要決定于光學(xué)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，此外還受溫度的影響。傅里葉變換紅外光譜儀器一般內(nèi)部有波長校正系統(tǒng)，所以波長準確度很高；而色散型近紅外光譜儀器和濾光片型近紅外光譜儀器的波長準確度相對低些，需用已知波長值且性質(zhì)比較穩(wěn)定的標推物質(zhì)經(jīng)常進行校正。第41頁，共58頁，2022年，5月20日，9點38分，星期二二. 紅外光譜儀D波長精確度波長精確度又稱波長重復(fù)性，是指對同一樣品進行多次掃描，光譜譜峰位置間的差異程度或重復(fù)性，通常用多次測量某一譜峰所得波長的標準差來表示。波長精確度是體

27、現(xiàn)儀器穩(wěn)定性的個重要指標，取決于光學(xué)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，與波長準確度一樣，也會影響分析結(jié)果的準確性。如果儀器的光學(xué)系統(tǒng)全部設(shè)計成固定不動，則儀器的波長的精確度就會很高。E光度準確度光度準確度是指儀器對某物質(zhì)進行透射或漫反射測量時，測得的光度值與該物質(zhì)真實值之差。主要是由檢測器、放大器、信號處理電路的非線性引起。它會直接影響近紅外定量分析結(jié)果的準確度。第42頁，共58頁，2022年，5月20日，9點38分，星期二二. 紅外光譜儀F信噪比信噪比就是樣品吸光度與儀器吸光度噪聲的比值。儀器吸光度噪聲是指在一定的測量條件下，在確定的波長范圍內(nèi)對樣品進行多次測量，得到光譜吸光度的標準差。儀器的噪聲主要取決于光源的

28、穩(wěn)定性、放大器等電子系統(tǒng)的噪聲、檢測器產(chǎn)生的噪聲及環(huán)境噪聲，如電子系統(tǒng)設(shè)計不良、元件質(zhì)量低劣、儀器接地不良、工作環(huán)境潮濕、外界電磁干擾多會使儀器噪聲增大。信噪比是紅外光譜儀器非常重要的一項指標，直接影響分析結(jié)果的準確度與精確度；因為紅外光譜分析是一門弱信號提取技術(shù)，在一個很強的背景信號下提取出相對很弱的有用信息，得到分析結(jié)果，所以信噪比對近紅外光譜儀器尤為重要。對于高檔儀器，一般要求信噪比達到105。第43頁，共58頁，2022年，5月20日，9點38分，星期二二. 紅外光譜儀G雜散光強度雜散光是指分析光以外被檢測器接收的光，主要是由于光學(xué)器件表面的缺陷、光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計不良或機械零部件表面處理不

29、良與位置不當(dāng)?shù)纫鸬?，尤其是光柵型紅外光譜儀器的設(shè)計中，雜散光的控制非常關(guān)鍵，往往是導(dǎo)致儀器測量出現(xiàn)非線性的主要原因。雜散光對分析測量的影響在分析高吸光度樣品時更為明顯。H分析速度紅外光譜儀器往往被用于實時、在線的品質(zhì)檢測和監(jiān)測，分析樣品的數(shù)量往往比較多，所以分析速度也是值得注意的一項重要指標。儀器的分析速度主要由儀器的掃描速度決定。儀器的掃描速度是指在儀器的波長范圍內(nèi)，完成一次掃描得到一個光譜所需要的時間。不同儀器類型掃描速第44頁，共58頁，2022年，5月20日，9點38分，星期二二. 紅外光譜儀度相差很大，如多通道儀器因同時接收全部的光信息，速度取決于電子電路對信息的處理時間上，所以速

30、度很快，一般為幾十毫秒；傅里葉變換紅外光譜儀器的掃描速度一般為1s左右；而傳統(tǒng)的光柵型紅外光譜儀器的掃描速度相對較慢，一般需幾分鐘，而利用大口徑振動凹面光柵，如丹麥福斯公司（Foss）設(shè)計的NIR System系列光柵型近紅外光譜儀器，掃描速度達1.8次s。AOTF型近紅外光譜儀器由于采用聲光調(diào)制產(chǎn)生單色光，所以掃描速度也非?？?，一般達5000個波長點/s。還有一個指標容易被忽略，這就是軟件功能及數(shù)據(jù)處理能力：第45頁，共58頁，2022年，5月20日，9點38分，星期二二. 紅外光譜儀 “軟件就是儀器，儀器技術(shù)就是軟件技術(shù)”，軟件是近外光譜儀器的主要組成部分。紅外光譜儀器的軟件一般由兩部分組

31、成，一部分是儀器控制平臺軟件，它控制儀器的硬件，進行光譜數(shù)據(jù)采集，這部分各個廠家差別不大，并已有可能發(fā)展形成一個通用儀器操作平臺軟件；另一部分是數(shù)據(jù)處理軟件，紅外光譜儀器的數(shù)據(jù)處理軟件通常由光譜數(shù)據(jù)預(yù)處理、校正模型建立和未知樣品分析三大部分組成，其核心是校正模型建立部分軟件，它是光譜信息提取的手段，直接影響到分析結(jié)果的準確性，一些好的軟件，都有其獨到的建立校正模型的算法，以便盡可能準確地提供樣品信息。第46頁，共58頁，2022年，5月20日，9點38分，星期二三紅外光譜儀的應(yīng)用紅外吸收光譜具有高度的特征性，除光學(xué)異構(gòu)外（指分子結(jié)構(gòu)完全相同，物理化學(xué)性質(zhì)相近，但旋光性不同的物質(zhì)。這是由于分子鏈

32、上不對稱碳原子所帶基團的排列方式不同所形成，又稱立體異構(gòu)），沒有兩種化合物的紅外光譜是完全相同的。紅外光譜中往往具有幾組相關(guān)峰可以相互佐證而增強了定性和結(jié)構(gòu)分析的可靠性，隨此在官能團定性方面，是紫外、核磁、質(zhì)譜等結(jié)構(gòu)分析方法所不及的。紅外光譜法可測定鏈、位置、順反、晶型等異構(gòu)體，而質(zhì)譜法對異構(gòu)體的鑒別則無能為力；紅外光譜測定的樣品范圍廣，無機、有機、高分子等氣、液、固態(tài)樣品都可測定。而核磁樣品需配在特定的試劑（氘代試劑）中，質(zhì)譜樣品需有定蒸氣壓；紅外光譜測定的樣品用量少（一般只需數(shù)毫克）、測定速度快（FTIR僅需數(shù)秒鐘）， 第47頁，共58頁，2022年，5月20日，9點38分，星期二三紅外光

33、譜儀的應(yīng)用 儀器操作簡便、重現(xiàn)件好；設(shè)備比核磁、質(zhì)譜便宜得多，并且已積累了大量標準紅外光譜圖可供查閱，所以它在有機物和高聚物的定性與結(jié)構(gòu)分析中已得到普及應(yīng)用。 紅外吸收光譜法也有其局限性，即有些物質(zhì)不能產(chǎn)生紅外吸收峰。例如原子（Ar、Ne、He等），單原子離于（K+、Na+、Ca2+等），同質(zhì)雙原于分子（H2、O2、N2等）以及對稱分子都無吸收峰：有些物質(zhì)不能用紅外光譜法鑒別，例如光學(xué)異構(gòu)體，不同分子量的同一種高聚物往往不能鑒別。因此一些復(fù)雜物質(zhì)的結(jié)構(gòu)分析，還必須用控曼光譜、核磁、質(zhì)譜等方法配合。此外，紅外光譜中的一些吸收峰，尤其是指紋峰往往不能作理論上的解釋，它不像核磁譜峰那樣都有其歸屬。定

34、量分析的準確度和靈敏度低于可見紫外吸收光譜法。第48頁，共58頁，2022年，5月20日，9點38分，星期二三紅外光譜儀的應(yīng)用由于紅外吸收光譜法具有許多突出的優(yōu)點，因此它在與化學(xué)有關(guān)的許多領(lǐng)域都有廣泛應(yīng)用。在煤和石油化工產(chǎn)品以及染料、藥物、生物制品、食品、環(huán)保等有機化合物的研究方面，用于產(chǎn)品純度或基團的鑒定，異構(gòu)體的鑒別，分子結(jié)構(gòu)的推斷，化學(xué)反應(yīng)機理的研究以及定量分析；在合成纖維、橡膠、塑料、涂料和粘合劑等高聚物研究方面，用于單體、聚合物、添加劑的定性、定量和結(jié)構(gòu)分析。端基、支化度、共聚物系列分布等鏈結(jié)構(gòu)的研究，以及結(jié)晶度、取向性等聚集態(tài)結(jié)構(gòu)的研究。還用于高聚物力學(xué)性能、聚合反應(yīng)和光熱老化機理

35、等研究；在無機化合物研究方面，用于粘土、礦石、礦物等類型的鑒別及其某些加工工藝過程的研究，用于某些新型無機材料的測試， 第49頁，共58頁，2022年，5月20日，9點38分，星期二三紅外光譜儀的應(yīng)用，例如Si3N4中雜質(zhì)SiO2及SiN比的測定，光纖中雜質(zhì)OH基的測定，半導(dǎo)體材料內(nèi)O2、C等雜質(zhì)元素的測定和GaAs外延層厚度的測定，高聚物中天機填料的鑒別、催化劑表面結(jié)構(gòu)、化學(xué)吸附和催化反應(yīng)機理的研究以及絡(luò)合物性質(zhì)與結(jié)構(gòu)研究等方面。此外，紅外吸收光譜法還用于分子結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)研究，例如通過測定分子鍵長、鍵角來推斷分子的立體構(gòu)型。通過測定簡振頻率、計算力常數(shù)來推測化學(xué)鍵的強弱等等。第50頁，共58頁

36、，2022年，5月20日，9點38分，星期二四紅外試樣制備1對試樣的要求 1）試樣應(yīng)為“純物質(zhì)”（98%），通常在分析前，樣品需要純化；對于GC-FTIR則無此要求。 2）試樣不含有水（水可產(chǎn)生紅外吸收且可侵蝕鹽窗）； 3）試樣濃度或厚度應(yīng)適當(dāng)，以使T在合適范圍。2制樣方法液體或溶液試樣 1）沸點低易揮發(fā)的樣品：液體池法。 2）高沸點的樣品：液膜法（夾于兩窗片之間）。 3）固體樣品可溶于CS2或CCl4等無強吸收的溶液中。第51頁，共58頁，2022年，5月20日，9點38分，星期二四紅外試樣制備固體式樣 1）壓片法： 12mg樣品+200mg KBr干燥處理研細。 粒度小于2m（散射?。┗旌蠅撼赏该鞅∑苯訙y定； 2）石蠟糊法： 試樣磨細與液體石蠟混合夾于窗片間；(石蠟為高碳數(shù)飽和烷烴，因此該法不適于研究飽和烷烴)。 3）薄膜法： 高分子試樣加熱熔融涂制或壓制成膜； 高分子試樣溶于低沸點溶劑涂漬于窗片揮發(fā)除溶劑 第52頁，共58頁，2022年，5月20日，9點38分，星期二四紅外試樣制備紅外光譜儀壓片技巧 壓片質(zhì)量不正常的分析 （a）、由KBr粉末引起的問題：現(xiàn)象 1. 透過片子看遠距離物體