紅外分光光度計(jì)原理及主要部件

紅外分光光度計(jì)目前在我們生活中已經(jīng)普遍得到運(yùn)用，本文主要介紹了紅外分光光度原理、紅外分光光度計(jì)原理特點(diǎn)和主要用途、紅外分光光度計(jì)應(yīng)用領(lǐng)域以及　紅外分光光度及重要主要部件。

紅外分光光度原理

由光源發(fā)出的光，被分為能量均等對(duì)稱(chēng)的兩束，一束為樣品光通過(guò)樣品，另一束為參考光作為基準(zhǔn)。這兩束光通過(guò)樣品室進(jìn)入光度計(jì)后，被扇形鏡以一定的頻率所調(diào)制，形成交變信號(hào)，然后兩束光和為一束，并交替通過(guò)入射狹縫進(jìn)入單色器中，經(jīng)離軸拋物鏡將光束平行地投射在光柵上，色散并通過(guò)出射狹縫之后，被濾光片濾除高級(jí)次光譜，再經(jīng)橢球鏡聚焦在探測(cè)器的接收面上。探測(cè)器將上述交變的信號(hào)轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電信號(hào)，經(jīng)放大器進(jìn)行電壓放大后，轉(zhuǎn)入A/D轉(zhuǎn)換單位，計(jì)算機(jī)處理后得到從高波數(shù)到低波數(shù)的紅外吸收光譜圖。

紅外分光光度計(jì)原理特點(diǎn)和主要用途

一般的紅外光譜是指2.5-50微米(對(duì)應(yīng)波數(shù)4000--200厘米-1)之間的中紅外光譜，這是研究研究有機(jī)化合物最常用的光譜區(qū)域。紅外光譜法的特點(diǎn)是：快速、樣品量少(幾微克-幾毫克)，特征性強(qiáng)(各種物質(zhì)有其特定的紅外光譜圖)、能分析各種狀態(tài)(氣、液、固)的試樣以及不破壞樣品。紅外光譜儀是化學(xué)、物理、地質(zhì)、生物、醫(yī)學(xué)、紡織、環(huán)保及材料科學(xué)等的重要研究工具和測(cè)試手段，而遠(yuǎn)紅光譜更是研究金屬配位化合物的重要手段。

紅外分光光度計(jì)應(yīng)用領(lǐng)域

可廣泛地應(yīng)用在石油、化工、醫(yī)藥、環(huán)保、教學(xué)、材料科學(xué)、公安、國(guó)防等領(lǐng)域。

紅外分光光度計(jì)性能指標(biāo)

波數(shù)范圍：4000-400cm-1

波數(shù)精度：≤±4cm-1(4000-2000cm-1);≤±2cm-1(2000-400cm-1)

分辨能力：1.5cm-1(1000cm-1附近)

透過(guò)率精度：±0.2%T(不含噪聲電平)

Io線(xiàn)平直度：≤±2%T

雜散光：≤0.5%T(4000-650cm-1);≤1%T(650-400cm-1)

測(cè)試模式：3種(透過(guò)率、吸光度、單光束)

掃描速度：5檔(很快、快、正常、慢、很慢)

狹縫程序：5檔(很寬、寬、正常、窄、很窄)

響應(yīng)：4檔(很快、快、正常、慢)

工作方式：3種(連續(xù)掃描，重復(fù)掃描，定波長(zhǎng)掃描)

紅外分光光度計(jì)主要部件

紅外分光光度計(jì)由光源、吸收池、單色器、檢測(cè)器、記錄系統(tǒng)等組成。

1、光源

紅外光譜儀中所用的光源通常是一種惰性固體，用電加熱使之發(fā)射高強(qiáng)度的連續(xù)紅外輻射。常用的是Nernst燈或硅碳棒。Nernst燈是用氧化鋯、氧化釔和氧化釷燒結(jié)而成的中空棒或?qū)嵭陌?。工作溫度約1700℃，在此高溫下導(dǎo)電并發(fā)射紅外線(xiàn);但在室溫下是非導(dǎo)體，因此在工作之前要預(yù)熱。它的優(yōu)點(diǎn)是發(fā)光強(qiáng)度高，尤其在大于1000cm-1的高波數(shù)區(qū)，使用壽命長(zhǎng)，穩(wěn)定性好。缺點(diǎn)是價(jià)格比硅碳棒貴，機(jī)械強(qiáng)度差，且操作不如硅碳棒方便。硅碳棒是由碳化硅燒結(jié)而成，工作溫度在1200-1500℃。由于他在低波數(shù)區(qū)域發(fā)光較強(qiáng)，因此使用波束范圍寬，可以低至200-1，此外，硅碳棒還具備堅(jiān)固、發(fā)光面積大、壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)。

2、吸收池

因玻璃、石英等材料不能透過(guò)紅外光，紅外吸收池要用可透過(guò)紅外光的NaCl、KBr、CsI、KRS-5(TⅡ58%，TlBr42%)等材料制成窗片需注意防潮。固體樣品常與純KBr混勻壓片，然后直接進(jìn)行測(cè)定。

3、單色器

單色器由色散元件、準(zhǔn)直鏡和狹縫構(gòu)成。復(fù)制的閃耀光柵是最常用的色散元件，它的分辨本領(lǐng)高，易于維護(hù)。紅外光譜儀常用幾塊光柵常數(shù)不同的光柵自動(dòng)更換，使測(cè)定的波束范圍更為擴(kuò)展且能得到更高的分辨率。

狹縫的寬度可控制單色光的純度和強(qiáng)度。狹縫越窄，分辨率越高，但是，使光源能量的輸出減少，這在紅外光譜分析中尤為突出。由于光源發(fā)射的紅外光在整個(gè)波數(shù)范圍內(nèi)不是恒定的，在掃描過(guò)程中狹縫將隨光源的發(fā)射特性曲線(xiàn)自動(dòng)調(diào)節(jié)狹縫寬度，既要使到達(dá)檢測(cè)器上的光的強(qiáng)度近似不變，又要達(dá)到盡可能高的分辨能力。

4、檢測(cè)器

紫外-可見(jiàn)分光光度計(jì)中所用的光電管或光電倍增管不適用于紅外區(qū)，因?yàn)榧t外光譜區(qū)的的光子能量較弱，不足以引發(fā)光電子發(fā)射?，F(xiàn)用于紅外輻射的檢測(cè)器可分為兩大類(lèi)：熱檢測(cè)器和量子檢測(cè)器。前者是將大量入射光子的累計(jì)能量，經(jīng)過(guò)熱效應(yīng)，轉(zhuǎn)變成可測(cè)的響應(yīng)值;后者實(shí)為一種半導(dǎo)體裝置，利用光導(dǎo)效應(yīng)進(jìn)行檢測(cè)。

熱電偶 它是由兩根溫差電位不同的金屬絲焊接在一起，并將一節(jié)點(diǎn)安裝在涂黑的接受面上。吸收了紅外輻射的接受面及節(jié)點(diǎn)溫度上升，就使它與另一節(jié)點(diǎn)之間產(chǎn)生了電位差。此電位差與紅外輻射強(qiáng)度成正比。

測(cè)熱輻射計(jì) 將極薄的黑化金屬片做受光面，并作為惠斯頓電橋的一臂。當(dāng)紅外輻射投射到受光面而使它的溫度改變，進(jìn)而引起的電阻值改變，電橋就有信號(hào)輸出。此信號(hào)大小與紅外輻射強(qiáng)度成正比。

熱釋電檢測(cè)器 它是利用硫酸三苷肽(TGS)這類(lèi)熱電材料的單晶體薄片做檢測(cè)元件。將10-20μm厚的硫酸三苷肽薄片的正面鍍鉻，反面鍍金，形成兩電極，并連接至放大器，將TGS與放大器一同封入帶有紅外透光窗片的高真空玻璃外殼內(nèi)。當(dāng)紅外輻射投射至TGS薄片上，溫度上升，TGS表面電荷減少。這相當(dāng)于TGS釋放了一部分電荷。釋放的電荷經(jīng)放大后記錄。由于它的響應(yīng)極快，因此，可進(jìn)行高速掃描，在中紅外區(qū)，掃描一次僅需1s，因而適合于在傅里葉變換紅外光譜儀中使用。目前最廣泛使用的晶體材料是氘化的TGS(DTGS)，該材料作為檢測(cè)器的特點(diǎn)是熱點(diǎn)系數(shù)小于TGS。

半導(dǎo)體檢測(cè)器 紅外線(xiàn)能量低，不足以激發(fā)一般光電檢測(cè)器的電子，而一些半導(dǎo)體材料的帶隙所需的激發(fā)能較小，人們利用半導(dǎo)體的這種性質(zhì)制成了可用于紅外光譜的檢測(cè)器。半導(dǎo)體檢測(cè)器屬于量子化檢測(cè)器。目前使用的半導(dǎo)體檢測(cè)器是碲化汞鎘檢測(cè)器。碲化汞鎘檢測(cè)器是由寬頻帶的半導(dǎo)體碲化鎘和半導(dǎo)體金屬化合物碲化汞混合而成的，其組成為Hg1-x CdxTe，x=0.2，改變x值能改變混合物組成，獲得測(cè)量波段不同靈敏度各異的各種MCT檢測(cè)器。它的靈敏度高，響應(yīng)速度快，適于快速掃描測(cè)量和GC/FTIR聯(lián)機(jī)檢測(cè)。MCT檢測(cè)器分為兩種，光電導(dǎo)型是利用入射光子與檢測(cè)器材料中的電子能態(tài)起作用，產(chǎn)生載流子進(jìn)行檢測(cè)。光伏型是利用不均勻半導(dǎo)體受光照時(shí)，產(chǎn)生電位差的光伏效應(yīng)進(jìn)行檢測(cè)。MCT檢測(cè)器都需在液氮溫度下工作，其靈敏度高于TGS約10倍。[!--empirenews.page--]

5、記錄系統(tǒng)

紅外光譜儀一般都有記錄儀自動(dòng)記錄譜圖。新型的儀器還配有微處理機(jī)，以控制儀器的操作、譜圖中各種參數(shù)、譜圖的檢索等。

紅外分光光度計(jì)在有機(jī)分析方面的應(yīng)用

1、化合物中各原子團(tuán)組合排列情況，是同紅外光譜中出現(xiàn)的特征官能團(tuán)來(lái)確定的。

1) 溴化四氯化對(duì)位甲酚的結(jié)構(gòu)，過(guò)去實(shí)驗(yàn)認(rèn)為它有三種可能的結(jié)構(gòu)，但未能鑒別確定，現(xiàn)經(jīng)過(guò)紅外光譜證實(shí)只有一種結(jié)構(gòu)。

2) 二分子醛縮合醇酮，應(yīng)為(I)式。若(I)式R換成吡啶基，則化學(xué)性質(zhì)和(I)卻不相同了，它具有烯二醇式的反應(yīng)如(II)式。可是在極烯的溶液中，也看不到自由羥基的3700cm(-1)-譜帶，卻在2750cm(-1)有締全氫鍵出現(xiàn)?？芍研纬闪朔肿觾?nèi)氫鍵。(I)羥酮式(II)烯二醇式

2、異構(gòu)體的測(cè)定——可鑒定立體異構(gòu)體和同分異構(gòu)體

1) 順?lè)串愺w的測(cè)定——順?lè)串悩?gòu)體原子團(tuán)排列順序因無(wú)對(duì)稱(chēng)中心，故C=C雙鍵在1630cm(-1)，724cm(-1)，而反式的C=C在較高頻率。

2) 同分異構(gòu)體的鑒定——紅外光譜900～660cm(-1)區(qū)內(nèi)可看到苯環(huán)取代位置不同的同分體。

如二甲苯三個(gè)異構(gòu)體的吸收譜帶很不相同。鄰位在742cm(-1)，間位在770cm(-1)，對(duì)位在800cm(-1)，且因?qū)Χ妆綄?duì)稱(chēng)性強(qiáng)，它的C=C雙鍵(苯骨架)在1500cm(-1)變小，并且600cm(-1)譜帶消失。

又如正丙基、異丙基、叔丁基由紅外光譜中的甲基彎曲振動(dòng)可以看出。在1375cm(-1)只出現(xiàn)一個(gè)吸收帶，則表示為正丙基;若在1375cm(-1)出現(xiàn)相等強(qiáng)度的雙峰，則為異丙基;若在`1390cm(-1)及1365cm(-1)出現(xiàn)一強(qiáng)一弱譜帶，則為叔丁基。

乙醇和甲醚的分子式完全相同C2H6O，乙醇有羥基吸收帶在3500cm(-1)，C-0伸縮振動(dòng)在1050～1250cm(-1)，羥基彎曲振動(dòng)在950cm(-1)。甲醚在3500cm(-1)無(wú)羥基吸收。它的第一強(qiáng)1150～1250cm(-1)，這兩個(gè)同分異構(gòu)體很容易區(qū)別。

3、化學(xué)反應(yīng)的檢查——一個(gè)化學(xué)反應(yīng)是否已進(jìn)行完全，可用紅外光譜檢查，這是因原料和預(yù)期的產(chǎn)品都有其特征吸收帶。例如氧化仲醇為酮時(shí)，原料仲醇的羥基吸收應(yīng)消失，酮的羰基171cm(-1)應(yīng)在產(chǎn)物中出現(xiàn)才反應(yīng)進(jìn)行完全。

4、未知物剖析——可先將未知物分離提純，作元素分析，寫(xiě)出分子式，計(jì)算不飽和度。從紅外光譜可得到此未知物主要官能團(tuán)的信息，確定它是屬于哪種化合物。結(jié)合紫外、核磁等可鑒定此化合物的結(jié)構(gòu)。