傅立葉紅外光譜儀的分光元件

傅立葉紅外光譜儀的分光元件傅里葉變換紅外光譜儀（FourierTransformInfraredSpectrometer，簡寫為FTIRSpectrometer）,簡稱為傅里葉紅外光譜儀。它不同于色散型紅外分光的原理，是基于對干涉后的紅外光進行傅里葉變換的原理而開發(fā)的紅外光譜儀，主要由紅外光源、光闌、干涉儀（分束器、動鏡、定鏡）、樣品室、檢測器以及各種紅外反射鏡、激光器、控制電路板和電源組成。可以對樣品進行定性和定量分析，廣泛應(yīng)用于醫(yī)藥化工、地礦、石油、煤炭、環(huán)保、海關(guān)、寶石鑒定、刑偵鑒定等領(lǐng)域。傅里葉變換紅外光譜儀主要由邁克爾遜干涉儀和計算機組成。邁克爾遜干涉儀的主要功能是使光源發(fā)出的光分為兩束后形成一定的光程差，再使之復(fù)合以產(chǎn)生干涉，所得到的干涉圖函數(shù)包含了光源的全部頻率和強度信息。用計算機將干涉圖函數(shù)進行傅里葉變換，就可計算出原來光源的強度按頻率的分布。它克服了色散型光譜儀分辨能力低、光能量輸出小、光譜范圍窄、測量時間長等缺點。它不僅可以測量各種氣體、固體、液體樣品的吸收、反射光譜等，而且可用于短時間化學(xué)反應(yīng)測量。目前，紅外光譜儀在電子、化工、醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域均有著廣泛的應(yīng)用。傅里葉變換紅外（FourierTransformInfrared，F(xiàn)TIR）光譜儀主要由紅外光源、分束器、干涉儀、樣品池、探測器、計算機數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)、記錄系統(tǒng)等組成，是干涉型紅外光譜儀的典型代表，不同于色散型紅外儀的工作原理，它沒有單色器和狹縫，利用邁克爾遜干涉儀獲得入射光的干涉圖，然后通過傅里葉數(shù)學(xué)變換，把時間域函數(shù)干涉圖變換為頻率域函數(shù)圖（普通的紅外光譜圖）。（1）光源：傅里葉變換紅外光譜儀為測定不同范圍的光譜而設(shè)置有多個光源。通常用的是鎢絲燈或碘鎢燈（近紅外）、硅碳棒（中紅外）、高壓汞燈及氧化釷燈（遠紅外）。（2）分束器：分束器是邁克爾遜干涉儀的關(guān)鍵元件。其作用是將入射光束分成反射和透射兩部分，然后再使之復(fù)合，如果可動鏡使兩束光造成一定的光程差，則復(fù)合光束即可造成相長或相消干涉。對分束器的要求是：應(yīng)在波數(shù)v處使入射光束透射和反射各半，此時被調(diào)制的光束振幅最大。根據(jù)使用波段范圍不同，在不同介質(zhì)材料上加相應(yīng)的表面涂層，即構(gòu)成分束器。（3）探測器：傅里葉變換紅外光譜儀所用的探測器與色散型紅外分光光度計所用的探測器無本質(zhì)的區(qū)別。常用的探測器有硫酸三甘鈦（TGS）、鈮酸鋇鍶、碲鎘汞、銻化銦等。（4）數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)：傅里葉變換紅外光譜儀數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的核心是計算機，功能是控制儀器的操作，收集數(shù)據(jù)和處理數(shù)據(jù)。按光學(xué)系統(tǒng)分光譜儀按照光學(xué)系統(tǒng)的不同可以分為色散型和干涉型，色散型光譜儀根據(jù)分光元件的不同，又可分為棱鏡式和光柵式，干涉型紅外光譜儀即傅里葉變換紅外光譜儀（FTIR）。其中光柵式的優(yōu)點是可以重復(fù)光譜響應(yīng)，機械性能可靠，缺點是效率偏低，對偏振敏感；干涉型光譜儀的優(yōu)點在于可以提供很高的光譜分辨率以及很高的光譜覆蓋范圍，同時其需要高精度的光學(xué)組件及機械組件作為支持。干涉型紅外光譜儀憑借其高分辨率、高波數(shù)精度、高靈敏度等優(yōu)點，迅速成為的分析儀器中的研究熱點。按使用場景分傅里葉變換紅外光譜儀根據(jù)使用場景不同可分為專業(yè)型與多用途型。專業(yè)型傅里葉變換紅外光譜儀包括了大氣環(huán)境傅里葉紅外光譜儀、太空星載傅里葉光譜儀、化學(xué)分析傅里葉紅外光譜儀、車載遙感傅里葉變換紅外光譜儀等；多功能傅里葉變換光譜儀可以實現(xiàn)多種物質(zhì)的分析，通常用于實驗室對相應(yīng)樣品進行分析。基本原理光源發(fā)出的光被分束器（類似半透半反鏡）分為兩束，一束經(jīng)透射到達動鏡，另一束經(jīng)反射到達定鏡。兩束光分別經(jīng)定鏡和動鏡反射再回到分束器，動鏡以一恒定速度作直線運動，因而經(jīng)分束器分束后的兩束光形成光程差，產(chǎn)生干涉。干涉光在分束器會合后通過樣品池，通過樣品后含有樣品信息的干涉光到達檢測器，然后通過傅里葉變換對信號進行處理，最終得到透過率或吸光度隨波數(shù)或波長的紅外吸收光譜圖。主要特點信噪比高傅里葉變換紅外光譜儀所用的光學(xué)元件少，沒有光柵或棱鏡分光器，降低了光的損耗，而且通過干涉進一步增加了光的信號，因此到達檢測器的輻射強度大，信噪比高。重現(xiàn)性好傅里葉變換紅外光譜儀采用的傅里葉變換對光的信號進行處理，避免了電機驅(qū)動光柵分光時帶來的誤差，所以重現(xiàn)性比較好。掃描速度快傅里葉變換紅外光譜儀是按照全波段進行數(shù)據(jù)采集的，得到的光譜是對多次數(shù)據(jù)采集求平均后的結(jié)果，而且完成一次完整的數(shù)據(jù)采集只需要一至數(shù)秒，而色散型儀器則需要在任一瞬間只測試很窄的頻率范圍，一次完整的數(shù)據(jù)采集需要十分鐘至二十分鐘。[1]技術(shù)參數(shù)光譜范圍：4000--400cm-1或7800--350cm-1(中紅外)/125000--350cm-1(近、中紅外)最高分辨率：2.0cm-1/1.0cm-1/0.5cm-1信噪比：15000:1(P-P)/30000:1(P-P)/40000:1(P-P)分束器：溴化鉀鍍鍺/寬帶溴化鉀鍍鍺檢測器：DTGS檢測器/DLATGS檢測器光源：空冷陶瓷光源主流產(chǎn)品國產(chǎn)主流廠家：天津港東生產(chǎn)的FTIR-650傅里葉變換紅外光譜儀、FTIR-850傅里葉變換紅外光譜儀；北京瑞利生產(chǎn)的WQF-510傅里葉變換紅外光譜儀、WQF-520傅里葉變換紅外光譜儀；進口品牌廠家：日本SHIMADZU生產(chǎn)的IRAffinity-1,IRAffinity-21傅里葉變換紅外光譜儀；美國ThermoFisher生產(chǎn)的Nicolet6700、IS10、IS5傅里葉變換紅外光譜儀；德國BrukerOptics生產(chǎn)的Tensor27、Tensor37傅立葉變換紅外光譜儀；應(yīng)用酒制品檢測分析不同產(chǎn)地的葡萄酒具有不同的質(zhì)量與風(fēng)格，市場上葡萄酒以假亂真、以次充好現(xiàn)象頗多，尋找簡單有效地鑒別葡萄酒產(chǎn)區(qū)的方法，有利于葡萄酒市場的健康發(fā)展。向伶俐等人采用近、中紅外光譜的貝葉斯信息融合技術(shù)對葡萄酒原產(chǎn)地進行快速識別，建模集準(zhǔn)確率為87.11%，檢驗集準(zhǔn)確率為90.87%，提高判別的準(zhǔn)確度，為葡萄酒原產(chǎn)地真?zhèn)巫R別提供了一種高效低成本的新方法。此外，利用紅外光譜對白酒年份與香型鑒別也有十分效。因不同香型白酒的成分有所差異，其紅外光譜也不盡相同，可根據(jù)紅外光譜差異鑒別不同年份的白酒。蜂蜜檢測分析我國蜂蜜質(zhì)量參差不齊，摻假現(xiàn)象也較為嚴重。孫燕等利用中紅外圖譜分析儀結(jié)合化學(xué)計量軟件建立饒河黑蜂蜂蜜產(chǎn)地真假判別模型判別饒河本地的蜂蜜樣品和其它地區(qū)蜂蜜樣品，準(zhǔn)確率達90.3%，為蜂蜜真?zhèn)舞b別提供了一種有效的方法。谷類檢測分析近年來，少數(shù)造假者頻頻在陳舊大米中涂抹摻加植物油、礦物油，增加其亮度和光澤，冒充優(yōu)質(zhì)新鮮大米銷售，嚴重危害消費者身心健康。張耀武等利用紅外光譜對涂有和摻有礦物油的大米進行定性鑒別。將分離出含有礦物油的試樣進行紅外光譜測試，未出現(xiàn)1745cm-1脂C=O的伸縮振動吸收和1000~1300cm-1伸縮振動吸收，證明該試樣中含有直鏈烷烴的礦物油。該方法可用于對大米、餅干、瓜子和食用油中是否摻加工業(yè)礦物油的鑒定。糧食在高溫高濕條件下極易發(fā)霉變質(zhì)，不僅造成經(jīng)濟損失還嚴重威脅人畜健康。劉凌平等利用傅里葉變換衰減全反射紅外光譜技術(shù)結(jié)合化學(xué)計量學(xué)方法，對稻谷中7種常見有害霉菌進行了快速鑒定，建立的線性判別分析和偏最小二乘判別分析模型對7種不同類別菌株的留一交互驗證整體正確率分別達到87.1%和87.3%，表明該技術(shù)可用于谷物中霉菌不同屬間的快速鑒別，尤其對不同菌屬的霉菌具有良好的判別效果。果蔬檢測分析果蔬中農(nóng)藥殘留快速、高效的檢測技術(shù)是當(dāng)前食品安全控制關(guān)注的重大問題。朱春艷