概述
紅外光譜技術(shù)利用紅外光與物質(zhì)相互作用實現(xiàn)物質(zhì)光譜特征的測量。紅外光通常所指的是波長在780nm~1mm之間光譜范圍很寬的電磁波深入各系統。1800年左右解決問題，英國天文學(xué)家威廉-赫歇爾因紅外光的熱效應(yīng)發(fā)現(xiàn)了紅外光, 從此開啟了紅外光譜的征程。日常的紅外熱成像儀就是利用紅外相機(jī)對人體發(fā)出的紅外光進(jìn)行成像作用，只是沒有光譜分辨環境。根據(jù)紅外光與化學(xué)物相互作用的特點，進(jìn)一步分為近紅外光(NIR,12500~4000cm-1)高質量、中紅外(MIR,4000~400cm-1)以及遠(yuǎn)紅外波段(FIR,400~10cm-1)光譜測量。
1重要組成部分、紅外光譜原理
要了解紅外光與物質(zhì)相互作用的機(jī)制流程，首先從分子的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)開始〔鷻C；衔镏械脑右圆煌姆绞讲粩嗟剡\動和振動助力各業，即使像水這樣簡單的分子也有六種不同的振動方式：對稱拉伸、反對稱拉伸提供有力支撐、變形或彎曲振動應用、搖擺和扭曲振動等。每一種振動都以不同的頻率發(fā)生技術交流，這是化學(xué)鍵和化合物所特*的先進的解決方案。這些振動頻率恰好與電磁波譜中紅外光的頻率相匹配，當(dāng)滿足一定的條件創造更多，分子就會與紅外光作用宣講活動，引起光子數(shù)量的變化。由于每種化學(xué)物質(zhì)都有不同頻率的振動工藝技術，因此每種化合物的頻譜都是獨*無二的, 這意味著紅外光譜創(chuàng)造了一種“化學(xué)指紋"效率，可以用來識別和量化幾乎任何化學(xué)物種。
圖 1 分子振動模式
圖2極性分子與非極性分子
物質(zhì)紅外光譜的產(chǎn)生是由于化學(xué)鍵的振動能級和外紅光的能量相同近年來，發(fā)生了共振吸收講道理，從而發(fā)生能級躍遷。那么只要振動能級與紅外光子的能量相同就可以發(fā)生共振吸收么技術先進？事實上更多的合作機會，還需要滿足電偶極矩的變化。例如情況正常，考慮一對稱的非極性分子的對稱振動模式行業分類，總電偶極距在發(fā)生振動前后都為零技術特點，因此不會對紅外有吸收。與之差別的是拉曼光譜發展邏輯，對于非極性分子的對稱振動凝聚力量，由于外電磁場下分子集體產(chǎn)生宏觀極化率，雖然沒有紅外吸收信號聽得進，但是存在拉曼散射信號新的力量。而對于極性分子，可能在振動前后同時存在瞬間偶極矩和極化率的變化便利性，因此可能同時存在紅外吸收信號和拉曼散射信號全面展示。
圖3 水分子的振動光譜
絕大多數(shù)有機(jī)化合物的基頻振動出現(xiàn)在中紅外光譜(4000~400cm-1)區(qū)域。按照光譜特征與分子結(jié)構(gòu)的關(guān)系深刻認識，紅外光譜可分為特征區(qū)(官能團(tuán)區(qū),4000~1300cm-1)和指紋區(qū)(1300~400cm-1)核心技術。特征區(qū)光譜表現(xiàn)為吸收峰數(shù)目少，同時易鑒別主動性，可用于鑒別官能團(tuán)創造性，包括各種雙鍵、三鍵伸縮基頻峰(包含H原子的單鍵等)道路，因此它是鑒別官能團(tuán)有價值的區(qū)間性能，又稱為官能團(tuán)區(qū)。指紋區(qū)包括各種單鍵(C-C對外開放，C-O)的伸縮振動以及多數(shù)基團(tuán)的彎曲振動技術創新，表現(xiàn)為吸收峰多、峰強(qiáng)資料，峰的強(qiáng)度廣泛應用、峰型受分子結(jié)構(gòu)的變化影響敏感，結(jié)構(gòu)上的微小變化(如同系物橫向協同，同分異構(gòu)體和空間異構(gòu)等)都會引起指紋區(qū)的變化組合運用，因此稱為指紋區(qū)。指紋區(qū)對于區(qū)別結(jié)構(gòu)類似的化合物至關(guān)重要迎難而上。
2積極、紅外光譜的測量
雖然紅外光譜已經(jīng)成為化學(xué)分析技術(shù)的一個通用術(shù)語，其中*常用的技術(shù)是傅里葉變換紅外光譜技術(shù)(Fourier transform infrared spectrum, FT-IR)堅持先行。通常所指的傅里葉變換紅外光譜儀測量范圍主要在中紅外波段(400~4000cm-1)產業，是光譜檢測中應(yīng)用十分廣泛的技術(shù)。1970年左右研制成功的傅里葉變換紅外*底改變了紅外檢測技術(shù)情況較常見。同時可持續，20世紀(jì)80年代后期，新的測量方式(如衰減全反射測量，Attenuated Total Reflection)經(jīng)過改進(jìn)不斷成熟構建，大大提高了紅外光譜測量的效率和適用范圍創新科技。目前，大量化學(xué)物種的紅外光譜信息已被匯編成光譜庫共創輝煌，即使對那些不了解其背后理論的人來說具有重要意義，紅外光譜學(xué)也非常簡單。傅里葉紅外光譜技術(shù)具有光譜采集效率高大部分、通光量大強大的功能、光譜分辨率高、信噪比好的優(yōu)點解決方案。該技術(shù)的數(shù)據(jù)采集與傳統(tǒng)的紅外光譜儀器不同優勢，是通過傅里葉變換的數(shù)學(xué)運算將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換光譜信息。
圖4 FT-IR技術(shù)的原理示意圖
如圖4是傅里葉變換紅外光譜儀的原理示意圖增產，光譜儀主要由邁克爾遜干涉儀構(gòu)成便利性，其中包括寬帶分束片，紅外寬帶光源以及寬帶紅外探測器高產。紅外光源產(chǎn)生的寬帶紅外光源經(jīng)過紅外分束鏡簡單化，一部分透射到動鏡，另一方部分經(jīng)過反射到固定鏡明確了方向。分別來自動鏡和定鏡的光束由于光程差發(fā)生干涉，信號強(qiáng)度被單點探測器測量勇探新路。通過來回移動動鏡, 獲得寬帶光源的干涉圖單產提升，再經(jīng)過傅里葉變換，得到隨波長(波數(shù))變化的光譜圖試驗。傅里葉變換的分光原理是基于光的干涉勞動精神，光譜儀采集到的是干涉圖，經(jīng)過快速傅里葉變換算法得到能量圖或光譜圖製度保障。再通過樣品的透過率或反射率測量得到樣品在不同波長(波數(shù))的紅外吸收光譜預下達。
圖5 FT-IR 紅外吸收光譜的測量原理
傅里葉變換光譜儀的光譜范圍受光學(xué)元件的限制，包括光源統籌推進、分束片方案、檢測器。根據(jù)光學(xué)系統(tǒng)的光譜范圍的要求了解情況，選擇合適的光源深入、分束片、探測器可以實現(xiàn)從近紅外重要的、中紅外到遠(yuǎn)紅外的測量開展研究。當(dāng)確定了光源、光路以及檢測器相互融合，那么怎么實現(xiàn)樣品的光譜測量呢首要任務？這需要從物質(zhì)的性質(zhì)和形態(tài)出發(fā)選擇不同的光譜測量方式綠色化。常見的紅外光譜的測量方式主要有四種模式，包括透射模式發展、衰減全反射模式保持穩定、漫反射模式以及鏡面反射模式。
(1)紅外透射
根據(jù)比爾-朗伯定律A=lg(1/T)=aLc(A為吸光度, T為透光度, a為吸光系數(shù), L為吸收層厚度, c為吸光物質(zhì)的濃度)宣講活動，透射模式的吸光強(qiáng)度和樣品的吸收系數(shù)不斷進步、厚度以及濃度成正比。紅外透射是紅外光譜測量的標(biāo)準(zhǔn)方法效率，經(jīng)常用于固體規模、液體、氣體的定性和定量分析適應性，具有高靈敏度和低成本的優(yōu)勢節點。固體常用壓片法利用稀釋劑進(jìn)行中紅外透射率測試。具體操作是將樣品和溴*鉀一起研磨成微米顆粒后落地生根，壓片成直徑13mm的特點、厚度0.5mm的薄片，溴*鉀和樣品的比例約為100:1(樣品1~2mg)有效保障。由于溴*鉀易于吸水潮解大數據，為了避免水分吸收對紅外光譜測量的干擾，壓片之前需要對KBr粉末進(jìn)行干燥處理講實踐。對于液體和氣體數字技術，可以根據(jù)吸光系數(shù)，選擇不同光程的透射樣品池市場開拓，根據(jù)揮發(fā)性和腐蝕性選擇可拆卸或密封式樣品池措施。總之要落實好，選擇合適的樣品池后緊密相關，透射模式基本可以實現(xiàn)ppm和ppb靈敏度量級的樣品檢測。
(2)衰減全反射測量模式(Attenuated Total Reflection, ATR)
由于紅外透射測量需要對樣品進(jìn)行研磨和壓片等繁瑣的前處理先進技術，而利用紅外ATR測量可以直接進(jìn)行測量培訓，這大大提高了紅外光譜的測量效率。ATR模式是基于全內(nèi)反射原理宣講手段，當(dāng)一束紅外光從光密介質(zhì)到光疏介質(zhì)效高，會產(chǎn)生一束反射光和折射光，當(dāng)入射角大于全反射角時基礎，折射光線將沿晶體界面?zhèn)鞑バ阅?，引起隱逝波。隱逝波傳播方面沿界面進(jìn)行，等相位面垂直于界面技術創新，隨著遠(yuǎn)離界面距離增加深入交流研討，光強(qiáng)逐漸衰減為零，衰減深度為：
圖6 FT-IR ATR測量的示意圖
衰減全反射時廣泛應用，光經(jīng)過全反射晶體(光密介質(zhì)關註度，如金剛石)反射，隱逝波在樣品(光疏介質(zhì))內(nèi)部傳播和衰減哪些領域。消逝波與光疏介質(zhì)(樣品)的相互作用越強(qiáng)橋梁作用，全反射的信號相對越小，如果樣品在入射光的頻率區(qū)域有吸收求索，反射光強(qiáng)度在樣品有吸收的頻率位置發(fā)生減弱讓人糾結，可產(chǎn)生和普通透射吸收相類似的譜圖，因此可用于化學(xué)組成的定性和定量分析穩定發展。采用ATR 附件測量基石之一，因為不同波數(shù)隱逝波的穿透深度不同，測得的紅外光譜在高波數(shù)和低波數(shù)的穿透深度不同增持能力，意味著不同波長的光程不同共同努力，為了與普通透射紅外光譜進(jìn)行比較，需要對 ATR附件測得的光譜進(jìn)行校正追求卓越，以1000 cm-1為基準(zhǔn)(1000cm-1處AB=AB(ATR)校正公式：
AB(ATR)= AB* ν[cm-1] / 1000 [cm-1]
全反射晶體的選擇主要考慮因素有折射率逐漸完善、臨界角、入射角合理需求、穿透深度是目前主流、適用光譜范圍、反射次數(shù)高效、有效光程、晶體耐酸堿度提高、晶體硬度等機構。金剛石的硬度最大，且耐酸耐堿耐化學(xué)腐蝕交流，應(yīng)用廣泛基礎，但其在1800~2300 cm-1(4.3~5.5um)波段有強(qiáng)吸收，在此區(qū)域有吸收的樣品需要避免使用還不大。ZnSe晶體可適用的光譜范圍在20000~650 cm-1高產，符合絕大數(shù)樣品的測試，但其不耐酸堿發揮作用，硬度不高良好，容易產(chǎn)生劃痕。實驗中需要根據(jù)實際需求對ATR晶體進(jìn)行選擇。
(3)漫反射光譜測量
圖7 鏡面反射和漫反射
紅外固體透射測量模式需要研磨引領、粉末干燥以及壓片等前樣品處理過程自動化裝置。ATR測量模式雖然適合絕大多數(shù)樣品，但是如果樣品很硬應用前景，很容易把全反射晶體壓壞高質量，或者樣品不適合壓頭擠壓，就不再能夠利用ATR模式進(jìn)行測量激發創作，這時候可以考慮漫反射光譜測量模式進(jìn)行紅外光譜測量前景。漫反射測量模式非常適用于很硬的固體顆粒或固體粉末增幅最大，或者負(fù)載在載體上微量樣品共享應用，是紅外原位測試的很重要的附件，比如對環(huán)境催化劑相關(guān)的原位研究研究成果，研究催化劑表面改性取得了一定進展、催化劑在反應(yīng)過程中的吸附、反應(yīng)動力學(xué)等大面積。漫反射法不需要對固體粉末進(jìn)行處理積極參與，可以直接測試顆粒、塊體培養、片狀等樣品交流研討。利用積分球漫反射光譜測量可以對樣品進(jìn)行定性、定量分析形式。
(4)鏡面反射光譜測量
根據(jù)菲涅爾定律建設應用，反射率和偏振相關(guān)，平行光和垂直光的反射率表示如下:
當(dāng)光入射角為布魯斯特角(Brewster angle)
時日漸深入，反射光與折射光相互垂直動力，同時水平偏振光的反射率為零，
=0互動式宣講，反射光部分只有垂直偏振光效高性，根據(jù)菲涅爾定律有：
可以通過選擇合適的偏振進(jìn)行測量，得到樣品表面的光譜反射率曲線自動化，再通過K-K關(guān)系得到樣品的光學(xué)常數(shù)(折射率n和消光系數(shù)k)以及色散關(guān)系(與波長的依賴關(guān)系)提升，再間接得到樣品在不同波長下的吸收系數(shù)。鏡面反射紅外測量模式主要針對薄膜樣品的測量不折不扣，對于薄膜樣品紅外光通過的光程不夠信號微弱的問題支撐能力，可以通過與高反射襯底一起構(gòu)建更大通光程的樣品，或掠入射等方式實現(xiàn)更加靈敏的測試高效利用。
3特征更加明顯、紅外光譜分析
采集到一幅紅外光譜圖估算，首先可以判斷采集譜圖的質(zhì)量，保證紅外吸收強(qiáng)度大且無飽和空間廣闊、圖譜噪聲較小營造一處、基線平整，水和CO2峰等干擾不明顯等知識和技能。樣品的紅外光譜由一系列紅外吸收峰構(gòu)成取得顯著成效，不同的吸收峰具有不同的峰位、峰強(qiáng)以及峰型實現。分子內(nèi)各種官能團(tuán)的特征吸收峰主要出現(xiàn)在紅外光波段的官能團(tuán)區(qū)(4000~1300cm-1)不容忽視，而基頻峰主要出現(xiàn)在指紋區(qū)(1300~400cm-1)。紅外吸收峰的強(qiáng)度取決于分子振動前后偶極矩的變化大小服務體系，偶極矩變化越大吸收越強(qiáng)說服力。一般來說極性較強(qiáng)的基團(tuán)振動(如C=O,C-H)，吸收強(qiáng)度越大分析。而極性越弱的基團(tuán)(如C=C)振動吸收強(qiáng)度越弱表示。不同基團(tuán)的振動可能振動頻率相近，可能一段頻率有多個振動的強(qiáng)吸收非常激烈，但是由于基團(tuán)內(nèi)多個振動峰位和強(qiáng)度不太可能都相同競爭力所在，出現(xiàn)雖然峰位相同但峰型不相同的情況，如-OH領域、-NH伸縮振動峰在3400~3200cm-1, 但是兩者的峰型很不同溝通機製，從而區(qū)分出不同的官能團(tuán)。官能團(tuán)區(qū)主要是確定哪一類物質(zhì)註入新的動力，確認(rèn)完官能團(tuán)后領先水平，再通過指紋區(qū)鑒別物質(zhì)的精細(xì)結(jié)構(gòu)，通官能團(tuán)區(qū)和值指紋區(qū)可以對樣品的結(jié)構(gòu)進(jìn)行定性的判斷雙重提升。另外針對定性判斷戰略布局，也可以利用眾多光譜解析工具解析光譜，以及利用譜庫檢索幫助鑒別樣品光譜表現明顯更佳。通過透射等測量模式得到吸光度或透過率的紅外光譜圖狀態，根據(jù)Beer-Lambert定律進(jìn)行定量分析。
圖8 Zolix FI-RXF100傅里葉變換光譜儀測量對乙酰氨基苯*(P-acetamidophenol)紅外光譜圖(包括官能團(tuán)區(qū)和指紋區(qū))
總結(jié)
卓立漢光儀器有限公司長期從事光譜穩定發展、光電以及光譜成像等國產(chǎn)分析儀器的自主研發(fā), 25年來始終以客戶的需求作為出發(fā)點基石之一，與科研院所和高等教育研究機(jī)構(gòu)建立了緊密無間的合作聯動，為眾多科研用戶提供解決方案增持能力。針對紅外光譜測量中對信噪比、光通量組成部分，光譜范圍等高性能的需求影響，推出了多種機(jī)型的傅里葉變換紅外光譜儀新的動力，能夠?qū)崿F(xiàn)對包括液體、固體發展契機、氣體等樣品在近紅外廣泛關註、中紅外、遠(yuǎn)紅外波段(12800~50cm-1)寬光譜范圍實現(xiàn)高光譜分辨(1~0.25cm-1)的紅外光譜測量 (具體請關(guān)注相關(guān)機(jī)型)發力。
Zolix FI-RXF200研究型傅里葉變換紅外光譜儀, 擁有優(yōu)于 0.25cm-1 光譜分辨率優勢領先、光譜范圍可擴(kuò)展到 12800~350cm-1, 可選擇光源和檢測器的自動切換，同時兼容各種內(nèi)置共創美好、外置型附件推動並實現，能夠滿足科研用戶多種不同的原位紅外測量需求。
Zolix FI-RIR便攜式紅外拉曼一體機(jī)專門應(yīng)用于突發(fā)性事故現(xiàn)場覆蓋範圍、爆炸事件優化程度、化學(xué)事故現(xiàn)場、衛(wèi)生醫(yī)療奮勇向前、地震不斷豐富、火災(zāi)、實驗室未知物檢組建、重大污染事故和*端環(huán)境中各有優勢，是一種對各種未知化學(xué)物質(zhì)進(jìn)行現(xiàn)場采樣、快速定性分析的高度一體化的光譜鑒定儀顯著，它可以在數(shù)秒鐘之內(nèi)對固體快速增長、液體、粉末狀占、粘稠狀等樣品進(jìn)行快速定性分析高質量。
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