《工程化学》课程教学资源_现代分析与测试技术_拓展课件2020_03红外吸收光谱分析-下

红外光谱仪

红外光谱仪

一、仪器类型与结构 两种类型：色散型 干涉型（傅里叶变换红外光谱仪) 美国Nicolet公司AVATAR-360型FT-IR

一、仪器类型与结构 两种类型：色散型 干涉型（傅里叶变换红外光谱仪） 美国Nicolet公司AVATAR-360型FT-IR

(一)色散型红外光谱仪 色散型红外光谱仪的组成部件与紫外-可见分光光度计相似， 但对每一个部件的结构、所用的材料及性能与紫外-可见分光光 度计不同。 红外光谱仪的样品是放在光源和单色器之间；而紫外 可见分光光度计是放在单色器之后。 工作原理： 色散型红外光谱仪一般均采用双光束。将光源发射的红 外光分成两束，一束通过试样，另一束通过参比，利用半圆 扇形镜使试样光束和参比光束交替通过单色器，然后被检测 器检测。当试样光束与参比光束强度相等时，检测器不产生 交流信号；当试样有吸收，两光束强度不等时，检测器产生 与光强差成正比的交流信号，从而获得吸收光谱

(一) 色散型红外光谱仪 色散型红外光谱仪的组成部件与紫外-可见分光光度计相似， 但对每一个部件的结构、所用的材料及性能与紫外-可见分光光 度计不同。 工作原理： 色散型红外光谱仪一般均采用双光束。将光源发射的红 外光分成两束，一束通过试样，另一束通过参比，利用半圆 扇形镜使试样光束和参比光束交替通过单色器，然后被检测 器检测。当试样光束与参比光束强度相等时，检测器不产生 交流信号；当试样有吸收，两光束强度不等时，检测器产生 与光强差成正比的交流信号，从而获得吸收光谱。 红外光谱仪的样品是放在光源和单色器之间；而紫外- 可见分光光度计是放在单色器之后

1.光源 红外光谱仪中所用的光源通常是一种惰性固体，用电加 热使之发射高强度的连续红外辐射。 常用的是能斯特(Nernst)灯或硅碳棒。 Nernst灯是用氧化锆、氧化钇和氧化钍烧结而成的中空棒和 实心棒。 工作温度约为1700C,在此高温下导电并发射红外线。但在 室温下是非导体，因此，在工作之前要预热。 它的特点是发射强度高，使用寿命长，稳定性较好。 缺点是价格比硅碳棒贵，机械强度差，操作不如硅碳棒方便。 硅碳棒是由碳化硅烧结而成，工作温度在1200~1500C左右

1 . 光源 红外光谱仪中所用的光源通常是一种惰性固体，用电加 热使之发射高强度的连续红外辐射。 常用的是能斯特（Nernst）灯或硅碳棒。 Nernst灯是用氧化锆、氧化钇和氧化钍烧结而成的中空棒和 实心棒。 工作温度约为1700 oC，在此高温下导电并发射红外线。但在 室温下是非导体，因此，在工作之前要预热。 它的特点是发射强度高，使用寿命长，稳定性较好。 缺点是价格比硅碳棒贵，机械强度差，操作不如硅碳棒方便。 硅碳棒是由碳化硅烧结而成，工作温度在1200~1500 oC左右

2.吸收池 因玻璃、石英等材料不能透过红外光（中红外区：2.5~25m), 红外吸收池使用可透过红外光的材料制成窗片；不同的样品状 态（固、液、气态)使用不同的样品池，固态样品可与晶体混 合压片制成。 材料 透光范围/m 注意事项 玻璃 可见光区 石英 可见光区和紫外光区 NaCl 0.25-25 易潮解、湿度低于40% KBr 0.25-40 易潮解、湿度低于35% CaF2 0.13~12 不溶于水，用于水溶液易 CsBr 0.255 潮解 0.55-40 微溶于水（有毒） 用NaCl、KBr、CsBr等材料制成的窗片需注意防潮

2. 吸收池 因玻璃、石英等材料不能透过红外光(中红外区：2.5~25 µm )， 红外吸收池使用可透过红外光的材料制成窗片；不同的样品状 态（固、液、气态）使用不同的样品池，固态样品可与晶体混 合压片制成。 用NaCl、KBr、CsBr等材料制成的窗片需注意防潮 材料 透光范围/μm 注意事项 玻璃 可见光区 石英 可见光区和紫外光区 NaCl 0.25~25 易潮解、湿度低于40% KBr 0.25~40 易潮解、湿度低于35% CaF2 0.13~12 不溶于水，用于水溶液易 CsBr 0.2~55 潮解 0.55~40 微溶于水（有毒）

3.单色器 单色器由色散元件、准直镜和狭缝构成。 色散元件：棱镜和光栅 棱镜：透光，干燥 光栅作色散元件的最大优点是： 1.不会受水汽的侵蚀； 2.使用的波长范围宽 3.分辨率恒定，改进了对长波部分红外辐射的分离一采用 程序增减狭缝宽度的办法

3 . 单色器 单色器由色散元件、准直镜和狭缝构成。 棱镜：透光，干燥 光栅作色散元件的最大优点是： 1.不会受水汽的侵蚀； 2.使用的波长范围宽 3.分辨率恒定，改进了对长波部分红外辐射的分离——采用 程序增减狭缝宽度的办法。 色散元件：棱镜和光栅

4.检测器 常用的红外检测器有高真空热电偶、热释电检测器和 碲镉汞检测器。 高真空热电偶是利用不同导体构成回路时的温差电现 象，将温差转变为电位差。 热释电检测器是利用硫酸三苷肽的单晶片作为检测元 件。硫酸三苷肽（TGS)是铁电体，在一定的温度下，能 产生很大的极化反应，其极化强度与温度有关，温度升高 ，极化强度降低。将TGS薄片正面真空渡铬（半透明） , 背面镀金，形成两电极。当红外辐射光照射到薄片上时， 引起温度升高，TGS极化度改变，表面电荷减少，相当于 “释放”了部分电荷，经放大，转变成电压或电流方式进 行测量

4 . 检测器 常用的红外检测器有高真空热电偶、热释电检测器和 碲镉汞检测器。 高真空热电偶是利用不同导体构成回路时的温差电现 象，将温差转变为电位差。 热释电检测器是利用硫酸三苷肽的单晶片作为检测元 件。硫酸三苷肽（TGS）是铁电体，在一定的温度下，能 产生很大的极化反应，其极化强度与温度有关，温度升高 ，极化强度降低。将TGS薄片正面真空渡铬（半透明）， 背面镀金，形成两电极。当红外辐射光照射到薄片上时， 引起温度升高，TGS极化度改变，表面电荷减少，相当于 “释放”了部分电荷，经放大，转变成电压或电流方式进 行测量

几种红外检测器 红外检测器 原理 构成 特点 温差热电 涂黑金箔（接受面）连接金属（热接 光谱响应宽且一致性 热电偶 效应 点)与导线（冷接端）形成温差。 好、灵敏度高、受热噪 音影响大 涂黑金箔（接受面）作为惠斯顿电桥 稳定、中等灵敏度、较 测热辐射计 电桥平衡 的一臂，当接受面温度改变，电阻改 宽线性范围、受热噪音 变，电桥输出信号。 影响大 硫酸三甘酞(TG$)单晶片受热，温 响应极快，可进行高速 热释电检测 半导体热 度上升，其表面电荷减少，即TGS 扫描（中红外区只需 器(TGS) 电效应 释放了部分电荷，该电荷经放大并记 1s)。适于FT-R。 录。 碲镉汞检测 光电导； 混合物Hg.Cd.Te对光的响应 灵敏度高、响应快、可 器(MCT) 光伏效应 进行高速扫描

红外检测器 原理 构成 特点 热电偶 温差热电 效应 涂黑金箔（接受面）连接金属（热接 点）与导线（冷接端）形成温差。 光谱响应宽且一致性 好、灵敏度高、受热噪 音影响大 测热辐射计 电桥平衡 涂黑金箔（接受面）作为惠斯顿电桥 的一臂，当接受面温度改变，电阻改 变，电桥输出信号。 稳定、中等灵敏度、较 宽线性范围、受热噪音 影响大 热释电检测 器（TGS） 半导体 热 电效应 硫酸三甘酞（TGS）单晶片受热，温 度上升，其表面电荷减少，即 TGS 释放了部分电荷，该电荷经放大并记 录。 响应极快，可进行高速 扫描（中红外区只需 1s）。适于 FT-IR。 碲镉汞检测 器（MCT） 光电导； 光伏效应 混合物 Hg1-xCdxTe 对光的响应 灵敏度高、响应快、可 进行高速扫描。 几种红外检测器

(二)Fourier2变换红外光谱仪 FT-IR Fourier2变换红外光谱仪：没有色散元件，主 要由光源（硅碳棒、高压汞灯）、迈克尔逊 (Michelson)干涉仪、样品室、检测器、计算机 和记录仪组成。 核心部分为Michelson干涉仪，它将光源来的 信号以干涉图的形式送往计算机进行Fourier?变换 的数学处理，最后将干涉图还原成T-σ光谱图。 它与色散型红外光度计的主要区别在于干涉仪 和电子计算机两部分

(二) Fourier变换红外光谱仪（FT-IR） Fourier变换红外光谱仪： 没有色散元件，主 要由光源 （ 硅碳棒 、 高 压 汞灯 ） 、 迈 克 尔逊 （Michelson）干涉仪、样品室、检测器、计算机 和记录仪组成。 核心部分为Michelson干涉仪，它将光源来的 信号以干涉图的形式送往计算机进行Fourier变换 的数学处理，最后将干涉图还原成T-光谱图。 它与色散型红外光度计的主要区别在于干涉仪 和电子计算机两部分

傅里叶变换红外光谱仪结构框图 干涉仪 样品室 检测器 显示器 光源 计算机 绘图仪 干涉图 FTS 光谱图

傅里叶变换红外光谱仪结构框图 干涉仪 光源 样品室 检测器 显示器 绘图仪 计算机 干涉图 光谱图 FTS