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傅里叶变换红外光谱仪基本原理

2019-11-03 10:35

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傅里叶变换红外光谱仪基本原理: 傅里叶变换红外光谱仪(Fourier Transform Infrared Spectrometer,简写为FTIR Spectrometer),简称为傅里叶红外光谱仪。它不同于色散型红外分光的原理,是基于对干涉后的红外光进行傅里叶变换的原理而开发的红外光谱仪, 主要由红外光源、光阑、干涉仪(分束器、动镜、定镜)、样品室、检测器以及各种红外反射镜、激光器、控制电路板和电源组成。可以对样品进行定性和定量分 析,广泛应用于医药化工、地矿、石油、煤炭、环保、海关、宝石鉴定、刑侦鉴定等领域。 工作原理: 红外线和可见光一样都是电磁波,而红外线是波长介于可见光和微波之间的一段电磁波。红外光又可依据波长范围分成近红外、中红外和远红外三个波区,其中中红外区(2.5~25μm;4000~400cm-1)能很好地反映分子内部所进行的各种物理过程以及分子结构方面的特征,对解决分子结构和化学组成中的各种问题最为有效,因而中红外区是红外光谱中应用最广的区域,一般所说的红外光谱大都是指这一范围。 红外光谱属于吸收光谱,是由于化合物分子振动时吸收特定波长的红外光而产生的,化学键振动所吸收的红外光的波长取决于化学键动常数和连接在两端的原子折合质量,也就是取决于的结构特征。这就是红外光谱测定化合物结构的理论依据。 红外光谱作为“分子的指纹”广泛的用于分子结构和物质化学组成的研究。根据分子对红外光吸收后得到谱带频率的位置、强度、形状以及吸收谱带和温度、聚集状态等的关系便可以确定分子的空间构型,求出化学建的力常数、键长和键角。从光谱分析的角度看主要是利用特征吸收谱带的频率推断分子中存在某一基团或键,由特征吸收谱带频率的变化推测临近的基团或键,进而确定分子的化学结构,当然也可由特征吸收谱带强度的改变对混合物及化合物进行定量分析。而鉴于红外光谱的应用广泛性,绘出红外光谱的红外光谱仪也成了科学家们的重点研究对象。 傅立叶变换红外光谱仪是根据光的相干性原理设计的,因此是一种干涉型光谱仪,它主要由光源,干涉仪,检测器,计算机和记录系统组成,大多数傅立叶变换红外光谱仪使用了迈克尔逊(Michelson)干涉仪,因此实验测量的原始光谱图是光源的干涉图,然后通过计算机对干涉图进行快速傅立叶变换计算,从而得到以波长或波数为函数的光谱图,因此,谱图称为傅立叶变换红外光谱,仪器称为傅立叶变换红外光谱仪。 光学原理: 是傅立叶变换红外光谱仪的典型光路系统,来自红外光源的辐射,经过凹面反射镜使成平行光后进入迈克尔逊干涉仪,离开干涉仪的脉动光束投射到一摆动的反射镜B,使光束交替通过样品池或参比池,再经摆动反射镜C,使光束聚焦到检测器上。 傅立叶变换红外光谱仪无色散元件,没有夹缝,故来自光源的光有足够的能量经过干涉后照射到样品上然后到达检测器,傅立叶变换红外光谱仪测量部分的主要核心部件是干涉仪,图3是单束光照射迈克尔逊干涉仪时的工作原理图,干涉仪是由固定不动的反射镜M1,可移动的反射镜M2及分光束器B组成,M1和M2是互相垂直的平面反射镜。B以45°角置于M1和M2之间,B能将来自光源的光束分成相等的两部分,一半光束经B后被反射,另一半光束则透射通过B.在迈克尔逊干涉仪中,当来自光源的入射光经光分束器分成两束光,经过两反射镜反射后又汇聚在一起,再投射到检测器上,由于动镜的移动,使两束光产生了光程差,当光程差为半波长的偶数倍时,发生相长干涉,产生明线;为半波长的奇数倍时,发生相消干涉,产生暗线,若光程差既不是半波长的偶数倍,也不是奇数倍时,则相干光强度介于前两种情况之间,当动镜联系移动,在检测器上记录的信号余弦变化,每移动四分之一波长的距离,信号则从明到暗周期性的改变一次。

近红外光谱分析的应用在中国的发展较为缓慢,所以大部分人都应该不是很了解这项早在19世纪就被德国科学家威廉·赫歇尔发现的一种使用电磁光谱的近红外区域的光谱。

液体乙醇的近红外光谱图

首先给大家看一下我们生活中常见的液体乙醇的近红外光谱图,它的横轴代表的是光波的波数,而纵轴代表的是透射率。这是红外光谱的其中一种表示方法,另外一种使用的是吸光度作为图像的纵轴。

我们从初高中的化学课程的学习中,就了解到了物体是由分子构成的,而分子都会不同程度的吸收红外光,而当某一波长的光被分子吸收得越多,透射率也会随之降低,同时图像的”峰“也会增强。当物体的分子吸收了很多不同波长的光时,在最后测得的红外光谱就会出现不同的”峰“,我们一般将这种”峰“称为吸收峰。

而近红外光谱实际上是分子的振-转光谱,是由于分子在吸收了近红外光之后发生的振动能级跃迁与转动能级跃迁之后测得的光谱。

能级跃迁:是由于分子运动遵循量子力学规律,当分子在吸收光子之后,分子就有足够的能量向较高的能级进行跃迁,同样分子在释放光子之后也能从较高的能级跃迁到较低的能级。值得指出的是,分子的电子运动、振动和转动都是量子化的。

能级跃迁示意图

而每个分子或分子团的红外光谱都是不尽相同的,所以通过检测红外光谱,就能达到不用任何化学试剂,不用接触被测物体,就能够实现精确检测被测物的各种分子性质,就像本文给出的乙醇的红外光谱图一样,简单的说,只要红外光谱图长得像这样的,被测物就一定是乙醇溶液。所以红外光谱的发展前景和市场是十分可观的。

近红外光谱检测仪的作用简述

说了这么多近红外光谱,我们来讲一讲人类用来观察近红外光谱的“眼睛”,近红外光谱检测仪,现在最常用的检测仪是基于傅里叶变换所研制的傅里叶变换红外光谱仪,本文也只介绍这一种光谱仪。

市面上的一种傅里叶红外光谱仪

首先光谱仪中会使用红外光源来发生连续波长的红外光,在连续波长的光源照射到被测样品后,样品中的分子会吸收某些波长的光。而没有被分子吸收的光则会到达检测器,检测器会将检测到的光信号进行模数转换,在通过傅里叶变换后就可以得到被测物的单光束光谱,而实际上这个光谱还包括了空气与仪器中零部件的信息,需要扣除掉这些噪音光谱,才能最后得到被测物的红外光谱。

而仪器中的各种干涉仪与零部件也导致了这种仪器十分的笨重且难以移动,只能进行固定的分子检测

而为什么作者我会说近红外光谱分析是大数据时代冉冉升起的一颗新星呢?这种只会在实验室出现的笨重的检测仪器完全与大数据搭不上边呀!

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