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傅立叶变换红外光谱仪的原理

日期:2024-01-27 02:25
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摘要:

北京锦坤科技有限公司
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摘 要阐述了傅立叶变换红外光谱仪的原理并对红外光谱的特点进行了归纳和总结。
关键词: FT IR ; T EN SO R 27 型红外光谱仪迈克尔逊( M ich e-lso n ) 干涉仪
中图分类号: T Q 320.5+5  文献标志码: A

1 F TIR 的发展历程
红外光谱仪的发展经历了个阶段**阶段是棱镜式红外分光光度计它是基于棱镜对红外辐射的色散而实现分光的其缺点是光学材料制造麻
分辨本领较低而且仪器要求严格的恒温降湿**阶段是光栅式红外分光光度计它是基于光栅的衍射而实现分光的与**代相比分辨能
力大大提高且能量较高价格便宜对恒温、恒湿要求不高红外分光光度计发展的方向第三阶段是基于干涉调频分光的傅立叶变换红外光谱仪它的出现为红外光谱的应用开辟了新的领域[1].
2 F TIR 的基本原理
本文以我实验室拥有的德国BRUKER 公司生产的TENSOR27 型红外光谱仪FTIR 的基本原理进行说明。该仪器采用迈克尔逊( Michelson ) 干涉
仪来完成干涉调频其原理见图


光束进入干涉仪后被一分为二一束透射到动镜( T) , 另一束反射到定镜( R ) 。透射到动镜的红外光被反射到分束器后分成两部分一部分透射
返回光源( TT) , 另一部分经反射到达样品( TR ) ;反射到定镜的光再经过定镜的反射作用到达分束器一部分经过分束器的反射作用返回光源( RR ) , 另一部分透过分束器到达样品( RT) 。也就是说在干涉仪的输出部分有两束光这两束相干光被加和移动动镜可改变两光束的光程差从而产生干涉得到干涉图做出此干涉图函数的傅立叶余弦变化即得光谱这就是人们所熟悉的傅立叶变换。

3 F TIR 的特点
1 ) 分辨能力高。一般棱镜式红外分光光度计分辨能力为1.000 cm- 1已经很不容易了光栅式仪器也只是在个别光谱范围内达到0.200 cm- 1
但傅立叶变换红外光谱仪在整个光谱范围内分辨能力达到0.100 cm- 1并不困难而且更精密制造的仪器甚至能达到0.005 cm- 1

2 ) 扫描时间极快。一般棱镜式或光栅式红外分光光度计在单位时间内只能记录所研究的一个光谱元记录全部的光谱元就需要较长的时间有的需要5 min , 有的需要10 min 。而傅立叶变换红外光谱仪记录全部光谱元与记录一个光谱元的时间相等一般1 s 内即可完成光谱范围的扫描因而扫描速度比一般分光光度计提高数百倍这主要是由于干涉仪与扫描单色仪相比具有多路优点。有数据显示400.000 cm- 1范围内分辨率为1.000 cm- 1, 信噪比相同干涉仪比单色仪在取得信息上要快4 000 [2- 3]

3 ) 辐射通量大。干涉仪测量光谱具有辐射通量大的优点首先为物理学家Jacquinot 发现。常规分光计由于带有入射和出射狭缝使之能够达到检测
器上的辐射能量非常有限例如4 000.000 400.000 cm- 1区域里分辨为8.000 cm- 1任一时刻达到检测器上的能量仅为0.20% 左右而当分辨率提高到1.000 cm- 1到达检测器上的能量仅为0.03% 。因为不管高分辨率还是低分辨率的分光计都是在一个宽波数范围里测定红外光谱的低效设备。色散光谱仪仅那些通过单色器入射和出射击狭缝的辐射*终才能达到探测仪。而在FTIR 的干涉仪中没有狭缝的限制干涉仪辐射通量的大小只取决于平面镜头的大小因此在同样分辨的情况下其辐射通量要比色散型仪器大的多。由于此优点使FTIR 特别适用于测量弱信号光谱从而具有很高的灵敏度。

4 ) 具有极低的杂散辐射。因为具有某些波长的杂散辐射到达探测器后将产生不同的干涉环纹当变换为光谱之后它们可以被鉴别出来通常在全光谱范围内可低于0.30% 

5 ) 研究很宽的光谱范围。使用棱镜式红外分光光度计研究4 000.000400.000 cm- 1光谱要使用LiF , NaCl KBr3 个棱镜使用光栅式红外分光光
度计
至少也得两块光栅和若干滤光片。要研究400.000 10.000 cm- 1的远红外光谱就需要另添置一台远红外分光光度计。傅立叶变换红外光谱仪仅仅改变分束器和光源就可以研究整个红外区13 330.00010.000 cm- 1的光谱了。
6 ) 适于微少试样的研究。因为傅立叶变换红外光谱仪光束截面甚少1 mm 左右) , 可用于研究单晶、单纤维这类物质对于微量及痕量分析特别重要现代计算机化的红外光谱仪通过红外显微技术仅需几纳克( 10- 9g) 的样品或通过采用基质分离红外技术仅需要几皮克( 10- 12g) 的样品,
即可测出物质的红外吸收。

参考文献:
[1] 范世福光学分析仪器技术的若干新进展[J]. 分析仪器,1992(2):1- 5.
[2] 李长治红外傅立叶变换光谱及其在分析化学中的应用[J]. 分析化学,1981,9(1):112- 117.
[3] 李长治红外傅立叶光谱在化学上的应用[J]. 光谱学与光谱分析,1983,3(3):7- 12.

T h e P r in cip le a n d C h a r a ct er ist ic of t h e F T I R Spectrom et er F a n Son gca n
Ab st r a c t : This a rtic le ha s e xpa tia te d on the princ iple of the FTIR spe c trome te r, a nd summa rize d its c ha ra c te ristic s.
K e y wor d s: FTIR; TENSOR27-infra re d spe c trome te r; Mic he lson inte rfe rome te r

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