红外光谱仪
一. 设备名称:红外光谱仪
规格型号:Nicolet 6700
二. 技术参数:
1. 光谱范围:7800 - 350 cm-1。
2.分辨率:优于0.1 cm-1
3. 信噪比:优于45000:1(峰/峰值,4 cm-1分辨率,1分钟样品/背景扫描)
4. 光源:中远红外光源,空气冷却。
5. 红外分束器:KBr分束器(7800-350 cm-1)
6. 双红外检测器 :KBr窗口的DLaTGS 检测器(12500-350 cm-1)、液氮冷却高灵敏度MCT-A检测器(12500-350 cm-1),
7. 线性度:<0.07%T (ASTM 1421方法)
8. 波数精度:优于0.01 cm-1
三.工作原理
红外光学台基本光路图
红外光学台由红外光源、光阑、干涉仪、样品室、检测器以及各种红外反射镜、氦氖激光器、控制电路和电源组成。上图所示为红外光学台基本光路图。傅立叶变换红外光谱仪被称为第三代红外光谱仪,利用麦克尔逊干涉仪将两束光程差按一定速度变化的复色红外光相互干涉,形成干涉光,再与样品作用。探测器将得到的干涉信号送入到计算机进行傅立叶变化的数学处理,把干涉图还原成光谱图。傅里叶变换红外光谱是将迈克尔逊干涉仪动镜扫描时采集的数据点进行傅立叶变换得到的。动镜在移动过程中,在一定的长度范围内,在大小有限,距离相等的位置采集数据,由这些数据点组成干涉图,然后对它进行傅立叶变换,得到一定范围内的红外光谱图。每一个数据点由两个数组成,对应于X轴和Y轴。对应同一个数据点,X值和Y值决定于光谱图的表示方式。因此,在采集数据之前,需要设定光谱的横纵坐标单位。红外光谱图的横坐标单位有两种表示法:波数和波长。通常以波数为单位。而对于纵坐标,对于采用透射法测定样品的透射光谱,光谱图的纵坐标只有两种表示方法,即透射率T和吸光度A。透射率T是由红外光透过样品的光强I和红外光透过背景(通常是空光路)的光强I0的比值,通常采用百分数(%)表示。吸光度A是透射率T倒数的对数。
透射率光谱图虽然能直观地看出样品对红外光的吸收情况,但是透射率光谱的透射率与样品的质量不成正比关系,即透射率光谱不能用于红外光谱的定量分析。而吸光度光谱的吸光度值A在一定范围内与样品的厚度和样品的浓度成正比关系,所以大都以吸光度表示红外光谱图。
傅立叶变换红外光谱仪的典型光路系统
傅立叶变换红外光谱仪无色散元件,没有夹缝,故来自光源的光有足够的能量经过干涉后照射到样品上然后到达检测器,傅立叶变换红外光谱仪测量部分的主要核心部件是干涉仪,上图是单束光照射迈克尔逊干涉仪时的工作原理图,干涉仪是由固定不动的反射镜M1(定镜),可移动的反射镜M2(动镜)及分光束器B组成,M1和M2是互相垂直的平面反射镜。B以45°角置于M1和M2之间,B能将来自光源的光束分成相等的两部分,一半光束经B后被反射,另一半光束则透射通过B。在迈克尔逊干涉仪中,当来自光源的入射光经光分束器分成两束光,经过两反射镜反射后又汇聚在一起,再投射到检测器上,由于动镜的移动,使两束光产生了光程差,当光程差为半波长的偶数倍时,发生相长干涉,产生明线;为半波长的奇数倍时,发生相消干涉,产生暗线,若光程差既不是半波长的偶数倍,也不是奇数倍时,则相干光强度介于前两种情况之间,当动镜联系移动,在检测器上记录的信号余弦变化,移动四分之一波长的距离,信号则从明到暗周期性的改变一次,(如下图)。
单束光照射迈克尔逊干涉仪时的工作原理图
四.应用领域
1.材料科学与工程:
红外光谱仪可用于研究分子的结构和化学键,不同种类高分子材料的鉴别研究;也可以作为表征和鉴别化学物种的方法,进行化合物的鉴定 进行未知化合物的结构分析,具有高度特征性,可以采用与标准化合物的红外光谱对比的方法来做分析鉴定。利用化学键的特征波数来鉴别化合物的类型,并可用于进行化合物的定量分析,进行化学反应动力学、晶变、相变、材料拉伸与结构的瞬变关系研究。
2.工业:
工业流程与大气污染的连续检测以及在煤炭行业对游离二氧化硅的监测。
3.环境领域:
面对许多户外环境和特殊环境,人们会想到使用傅里叶变换红外光谱仪来分析和记录计算某些数据时,因为它可以在任何环境中最大化其准确的记录功能,从而使每一个傅里叶变换红外光谱仪记录的数据可以非常准确地记录。
4.生物领域:
与化学领域类似,傅里叶变换红外光谱仪也用于生物领域。生物领域的操作范围很广。因此,许多生物工业专家使用傅里叶变换红外光谱仪进行某些操作分析。为了分析和记录,它不再是一种新兴的设备和设备,在面对复杂的生物工业时,它已被公众广泛认可。
其他行业:
卫生检疫,制药,食品,环保,公安,石油, 化工,光学镀膜,光通信等诸多领域珠宝行业的检测水晶石英羟基的测量 聚合物的成分分析 药物分析
五.可开展实验项目
1.有机物红外光谱表征实验
2.聚合反应在线监测实验
3.利用二维红外研究聚合物转变实验
六.可培训技能
1.根据红外图谱推测待测物质成分。
2.制备粉末,液体及薄膜样品的能力。
3.掌握读红外图谱的能力。
七.操作规程
1、测试前准备
打开红外光谱仪开关,预热30min;然后启动计算机,打开软件OMNIC。
2、制样
根据样品特性以及状态,选择相应的制样方法。对于固体样品,常采用粉末压片法,即将固体研磨成2μm以下的粉末后均匀分散在KBr粉末中,通过压片机制成薄片;对于液体样品,取微量直接涂敷在KBr薄片表面。压片时压力至15MPa并静置5min。制样时,待测样品与KBr的质量比控制在1:100左右。
3、采集背景
点击“Col Bkg”按钮,进行背景采集(视样品形式选择相应的背景采集方式,如薄膜类样品以空气为背景,由粉末压片法制得的样品以KBr薄片为背景)。
4、样品测试
将测试样品放置在光路中,点击“Col Smp”按钮,进行样品信息采集。
5、数据处理
选中谱线(红色谱线为当前操作对象),依次点击“数据处理”中的“吸光度”、“自动基线校正”、“其他修正”中的“H2OandCO2”,然后点击“自动平滑”,完成数据处理。
6、关机
依次点击“实验设置”、“光学台”,点击“光源”后的“关”,再点击“确定”。然后关闭电脑。
7、测试登记
实验结束后,请在《大型设备及精密贵重仪器使用记录本》上做好相关登记。
八.安全注意事项
(1)测定时实验室的温度应在15~30℃,相对湿度应在65%以下,所用电源应配备有稳压装置和接地线。因要严格控制室内的相对湿度,因此红外实验室的面积不要太大,能放得下必须的仪器设备即可,但室内一定要有除湿装置。
(2)如所用的是单光朿型傅里叶红外分光光度计(目前应用最多),实验室里的CO2含量不能太高,因此实验室里的人数应尽量少,无关人员最好不要进入,还要注意适当通风换气。
(3)如供试品为盐酸盐,因考虑到在压片过程中可能出现的离子交换现象,标准规定用氯化钾(也同溴化钾一样预处理后使用)代替溴化钾进行压片,但也可比较氯化钾压片和溴化钾压片后测得的光谱,如二者没有区别,则可使用溴化钾进行压片。
(4)为防止仪器受潮而影响使用寿命,红外实验室应经常保持干燥,即使仪器不用,也应每周开机至少两次,每次半天,同时开除湿机除湿。特别是霉雨季节,最好是能每天开除湿机。
(5)红外光谱测定最常用的试样制备方法是溴化钾(KBr)压片法(药典收载品种90%以上用此法),因此为减少对测定的影响,所用KBr最好应为光学试剂级,至少也要分析纯级。使用前应适当研细(200目以下),并在120℃以上烘4小时以上后置干燥器中备用。如发现结块,则应重新干燥。制备好的空KBr片应透明,与空气相比,透光率应在75%以上。
(6)压片法时取用的供试品量一般为1~2mg,因不可能用天平称量后加入,并且每种样品的对红外光的吸收程度不一致,故常凭经验取用。一般要求所没得的光谱图中绝大多数吸收峰处于10%~80%透光率范围在内。最强吸收峰的透光率如太大(如大于30%),则说明取样量太少;相反,如最强吸收峰为接近透光率为0%,且为平头峰,则说明取样量太多,此时均应调整取样量后重新测定。
(7)测定用样品应干燥,否则应在研细后置红外灯下烘几分钟使干燥。试样研好并具在模具中装好后,应与真空泵相连后抽真空至少2分钟,以使试样中的水分进一步被抽走,然后再加压到0.8~1GPa(8~10T/cm2)后维持2~5min。不抽真空将影响片子的透明度。
(8)压片时KBr的取用量一般为200mg左右(也是凭经验),应根据制片后的片子厚度来控制KBr的量,一般片子厚度应在0.5mm以下,厚度大于0.5mm时,常可在光谱上观察到干涉条纹,对供试品光谱产生干扰。
(9)压片时,应先取供试品研细后再加入KBr再次研细研匀,这样比较容易混匀。研磨所用的应为玛瑙研钵,因玻璃研钵内表面比较粗糙,易粘附样品。研磨时应按同一方向(顺时针或逆时针)均匀用力,如不按同一方向研磨,有可能在研磨过程中使供试品产生转晶,从而影响测定结果。研磨力度不用太大,研磨到试样中不再有肉眼可见的小粒子即可。试样研好后,应通过一小的漏斗倒入到压片模具中(因模具口较小,直接倒入较难),并尽量把试样铺均匀,否则压片后试样少的地方的透明度要比试样多的地方的低,并因此对测定产生影响。另外,如压好的片子上出现不透明的小白点,则说明研好的试样中有未研细的小粒子,应重新压片。
(10)压片用模具用后应立即把各部分擦干净,必要时用水清洗干净并擦干,置干燥器中保存,以免锈蚀。