红外光谱仪原理介绍_光谱仪的发展方向

　　傅里叶变换红外光谱仪（FTIR）广泛应用于有机合成、高分子科学、石油化工、医药工业和食品分析等领域。此外，由于FTIR光谱仪可以与色谱联用，因此可以研究化学反应机理和不稳定物质的检测。

　　傅里叶红外光谱仪介绍

　　红外范围为12800～10cm -1可分为近红外区（12800～4000cm -1)，中红外区（4000~200cm -1)远红外区（50～1000cm -1). 红外光的发现可以追溯到19世纪。从那时起，科学家们建立了各种利用红外光的方法。红外吸收光谱法是科学家利用分子对红外辐射的特征吸收来确定分子结构的方法。红外光谱是分子振动光谱。当样品分子受到红外辐射时，会选择性地吸收特定波长的辐射，从而引起样品分子偶极矩的变化。因此，样品分子的振动能级从基态转移到激发态。吸收峰的频率由振动能隙决定。吸收峰的数目与分子的振动自由度有关。吸收峰的强度与偶极矩的变化和能级跃迁的可能性有关。因此，通过对红外光谱的分析，可以很容易地获得分子丰富的结构信息。除了几个同核双原子分子，分子的振动和旋转中的零偶极子变化。使红外吸收光谱更有用的是它能够分析所有的气体、液体和固体样品。红外吸收光谱的常用区域为4000～400cm -1因为大多数有机化合物和无机离子的吸收辐射都在这个区域内。

　　红外光谱仪是第三代红外光谱仪。FTIR光谱仪有几个突出的优点：

　　（1）光谱的信噪比明显高于上一代红外光谱仪。

　　（2） 波数精度高。误差在±0.01cm范围内 -1.

　　（3） 所有频率的扫描时间短（约1s）。

　　（4） 分辨率极高（0.1~0.005cm -1).

　　（5） 扫描范围宽（1000~10cm -1).

　　（6） 减少了杂散光的干扰。由于这些优点，FTIR光谱仪已经取代了色散红外光谱仪。

　　红外光谱仪的发展方向

　　到目前为止，红外光谱仪已有三代。

　　***代红外光谱仪是20世纪50年代末发明的，它采用棱镜分光系统。棱镜是由氯化钠制成的。对样品的含水量和粒径要求非常严格。此外，扫描范围很窄。另外，重复性也很差。因此，***代红外光谱仪不再使用。

　　第二代红外光谱仪于20世纪60年代问世，它采用光栅作为单色仪。第二代红外光谱仪的性能优于棱镜单色仪红外光谱仪，但仍存在灵敏度低、扫描速度慢、波长精度差等突出缺点，使其在第三代红外光谱仪发明后已过时。

　　第三代红外光谱仪傅里叶变换红外光谱仪的发明，标志着单色仪的退位和干涉仪的繁荣。有了这个替代品，红外光谱仪变得异常强大。从而实现了红外光谱仪的多种应用。

　　色散红外光谱仪

　　为了理解傅里叶变换红外光谱仪的强大和有用性，有必要有一些色散红外光谱仪的背景信息。色散红外光谱仪的基本部件包括辐射源、单色仪和探测器。常见的红外辐射源是惰性固体，通过电加热来促进电磁光谱红外区辐射的热发射。单色仪是一种用于将宽光谱红外辐射分散或分离成单个窄红外频率的装置。通常，色散光谱仪采用双光束设计，来自同一源的两束等效光束作为独立光束穿过样品室和参考室。利用光斩波器，如扇形镜，这些参考光束和样品光束交替聚焦在探测器上。一束光将继续前进，穿过样品，而另一束将通过参考物质，用于分析比较透射光子波前信息。当入射光穿过样品后，辐射的波前被单色仪（光栅和狭缝）分散到其组成频率中。一个棱镜或光栅与可变的狭缝机制，反射镜和滤波器的组合组成了色散系统。较窄的狭缝通过区分更密集的辐射频率提供更好的分辨率，更宽的狭缝允许更多的光到达探测器，并提供更好的系统灵敏度。发射的波前光束（模拟光谱输出）击中探测器并产生一个电信号作为响应。

　　探测器是将模拟光谱输出转换为电信号的装置。这些电信号由计算机用数学算法进一步处理，得到最终的频谱。红外光谱仪中使用的探测器可分为光子/量子探测器或热探测器。它是样品对红外辐射的吸收，产生红外辐射强度的变化，被检测为非零信号（例如，与参考信号不同）。这种变化通过同步电动机的作用转化为记录器的响应。通过样品的每一个频率都是由探测器单独测量的，从而减慢了扫描整个红外区域的过程。

　　红外光谱仪的组成

　　常用的FTIR光谱仪由光源、干涉仪、样品室、探测器、放大器、A/D转换器和计算机组成。光源产生的辐射通过干涉仪到达探测器。然后分别通过放大器和模数转换器将信号放大并转换为数字信号。进行傅里叶变换，最终在计算机中进行。

　　傅里叶变换红外光谱仪和色散红外光谱仪的主要区别是迈克尔逊干涉仪。

　　迈克尔逊干涉仪

　　Michelson干涉仪是FTIR光谱仪的核心，它将一束光分成两束，使两束光的路径不同。然后迈克尔逊干涉仪将两束光束重新组合并导入探测器，在探测器中测量两束光的强度差作为路径差的函数。

　　典型的迈克尔逊干涉仪由两个垂直反射镜和一个分束器组成。一个镜子是固定的镜子，另一个是活动的镜子。分束器被设计成传输一半的光，反射一半的光。随后，透射光和反射光分别撞击静止反射镜和活动反射镜。当反射镜反射回来时，两束光束在分束器处重新组合。