红外分光光度计原理及主要部件

　　摘要：红外分光光度计目前在我们生活中已经普遍得到运用，本文主要介绍了红外分光光度原理、红外分光光度计原理特点和主要用途、红外分光光度计应用领域以及　红外分光光度及重要主要部件。

　　红外分光光度原理

　　由光源发出的光，被分为能量均等对称的两束，一束为样品光通过样品，另一束为参考光作为基准。这两束光通过样品室进入光度计后，被扇形镜以一定的频率所调制，形成交变信号，然后两束光和为一束，并交替通过入射狭缝进入单色器中，经离轴抛物镜将光束平行地投射在光栅上，色散并通过出射狭缝之后，被滤光片滤除高级次光谱，再经椭球镜聚焦在探测器的接收面上。探测器将上述交变的信号转换为相应的电信号，经放大器进行电压放大后，转入A/D转换单位，计算机处理后得到从高波数到低波数的红外吸收光谱图。

 

　　红外分光光度计原理特点和主要用途

　　一般的红外光谱是指2.5-50微米（对应波数4000--200厘米-1）之间的中红外光谱，这是研究研究有机化合物最常用的光谱区域。红外光谱法的特点是：快速、样品量少（几微克-几毫克），特征性强（各种物质有其特定的红外光谱图）、能分析各种状态（气、液、固）的试样以及不破坏样品。红外光谱仪是化学、物理、地质、生物、医学、纺织、环保及材料科学等的重要研究工具和测试手段，而远红光谱更是研究金属配位化合物的重要手段。

　　红外分光光度计应用领域

　　可广泛地应用在石油、化工、医药、环保、教学、材料科学、公安、国防等领域。

 

　　红外分光光度计性能指标

　　波数范围：4000-400cm-1

　　波数精度：≤±4cm-1（4000-2000cm-1）；≤±2cm-1（2000-400cm-1）

　　分辨能力：1.5cm-1（1000cm-1附近）

　　透过率精度：±0.2%T（不含噪声电平）

　　Io线平直度：≤±2%T

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

　　测试模式：3种（透过率、吸光度、单光束）

　　扫描速度：5档（很快、快、正常、慢、很慢）

　　狭缝程序：5档（很宽、宽、正常、窄、很窄）

　　响应：4档（很快、快、正常、慢）

　　工作方式：3种（连续扫描，重复扫描，定波长扫描）

　　红外分光光度计主要部件

　　红外分光光度计由光源、吸收池、单色器、检测器、记录系统等组成。

　　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Nernst灯或硅碳棒。Nernst灯是用氧化锆、氧化钇和氧化釷烧结而成的中空棒或实心棒。工作温度约1700℃，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。它的优点是发光强度高，尤其在大于1000cm-1的高波数区，使用寿命长，稳定性好。缺点是价格比硅碳棒贵，机械强度差，且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℃。由于他在低波数区域发光较强，因此使用波束范围宽，可以低至200-1，此外，硅碳棒还具备坚固、发光面积大、寿命长等优点。

　　2、吸收池

　　因玻璃、石英等材料不能透过红外光，红外吸收池要用可透过红外光的NaCl、KBr、CsI、KRS-5（TⅡ58%，TlBr42%）等材料制成窗片需注意防潮。固体样品常与纯KBr混匀压片，然后直接进行测定。

　　3、单色器

　　单色器由色散元件、准直镜和狭缝构成。复制的闪耀光栅是最常用的色散元件，它的分辨本领高，易于维护。红外光谱仪常用几块光栅常数不同的光栅自动更换，使测定的波束范围更为扩展且能得到更高的分辨率。

　　狭缝的宽度可控制单色光的纯度和强度。狭缝越窄，分辨率越高，但是，使光源能量的输出减少，这在红外光谱分析中尤为突出。由于光源发射的红外光在整个波数范围内不是恒定的，在扫描过程中狭缝将随光源的发射特性曲线自动调节狭缝宽度，既要使到达检测器上的光的强度近似不变，又要达到尽可能高的分辨能力。

　　4、检测器

　　紫外-可见分光光度计中所用的光电管或光电倍增管不适用于红外区，因为红外光谱区的的光子能量较弱，不足以引发光电子发射。现用于红外辐射的检测器可分为两大类：热检测器和量子检测器。前者是将大量入射光子的累计能量，经过热效应，转变成可测的响应值；后者实为一种半导体装置，利用光导效应进行检测。

　　热电偶 它是由两根温差电位不同的金属丝焊接在一起，并将一节点安装在涂黑的接受面上。吸收了红外辐射的接受面及节点温度上升，就使它与另一节点之间产生了电位差。此电位差与红外辐射强度成正比。

　　测热辐射计 将极薄的黑化金属片做受光面，并作为惠斯顿电桥的一臂。当红外辐射投射到受光面而使它的温度改变，进而引起的电阻值改变，电桥就有信号输出。此信号大小与红外辐射强度成正比。

　　热释电检测器 它是利用硫酸三苷肽（TGS）这类热电材料的单晶体薄片做检测元件。将10-20μm厚的硫酸三苷肽薄片的正面镀铬，反面镀金，形成两电极，并连接至放大器，将TGS与放大器一同封入带有红外透光窗片的高真空玻璃外壳内。当红外辐射投射至TGS薄片上，温度上升，TGS表面电荷减少。这相当于TGS释放了一部分电荷。释放的电荷经放大后记录。由于它的响应极快，因此，可进行高速扫描，在中红外区，扫描一次仅需1s，因而适合于在傅里叶变换红外光谱仪中使用。目前最广泛使用的晶体材料是氘化的TGS（DTGS），该材料作为检测器的特点是热点系数小于TGS。

　　半导体检测器 红外线能量低，不足以激发一般光电检测器的电子，而一些半导体材料的带隙所需的激发能较小，人们利用半导体的这种性质制成了可用于红外光谱的检测器。半导体检测器属于量子化检测器。目前使用的半导体检测器是碲化汞镉检测器。碲化汞镉检测器是由宽频带的半导体碲化镉和半导体金属化合物碲化汞混合而成的，其组成为Hg1-x CdxTe，x=0.2，改变x值能改变混合物组成，获得测量波段不同灵敏度各异的各种MCT检测器。它的灵敏度高，响应速度快，适于快速扫描测量和GC/FTIR联机检测。MCT检测器分为两种，光电导型是利用入射光子与检测器材料中的电子能态起作用，产生载流子进行检测。光伏型是利用不均匀半导体受光照时，产生电位差的光伏效应进行检测。MCT检测器都需在液氮温度下工作，其灵敏度高于TGS约10倍。

　　5、记录系统

　　红外光谱仪一般都有记录仪自动记录谱图。新型的仪器还配有微处理机，以控制仪器的操作、谱图中各种参数、谱图的检索等。

 

　　红外分光光度计在有机分析方面的应用

　　1、化合物中各原子团组合排列情况，是同红外光谱中出现的特征官能团来确定的。

　　（1） 溴化四氯化对位甲酚的结构，过去实验认为它有三种可能的结构，但未能鉴别确定，现经过红外光谱证实只有一种结构。

　　（2） 二分子醛缩合醇酮，应为（I）式。若（I）式R换成吡啶基，则化学性质和（I）却不相同了，它具有烯二醇式的反应如（II）式。可是在极烯的溶液中，也看不到自由羟基的3700cm（-1）-谱带，却在2750cm（-1）有缔全氢键出现。可知它已形成了分子内氢键。（I）羟酮式（II）烯二醇式

　　2、异构体的测定——可鉴定立体异构体和同分异构体

　　（1） 顺反异体的测定——顺反异构体原子团排列顺序因无对称中心，故C=C双键在1630cm（-1），724cm（-1），而反式的C=C在较高频率。

　　（2） 同分异构体的鉴定——红外光谱900～660cm（-1）区内可看到苯环取代位置不同的同分体。

　　如二甲苯三个异构体的吸收谱带很不相同。邻位在742cm（-1），间位在770cm（-1），对位在800cm（-1），且因对二甲苯对称性强，它的C=C双键（苯骨架）在1500cm（-1）变小，并且600cm（-1）谱带消失。

　　又如正丙基、异丙基、叔丁基由红外光谱中的甲基弯曲振动可以看出。在1375cm（-1）只出现一个吸收带，则表示为正丙基；若在1375cm（-1）出现相等强度的双峰，则为异丙基；若在`1390cm（-1）及1365cm（-1）出现一强一弱谱带，则为叔丁基。

　　乙醇和甲醚的分子式完全相同C2H6O，乙醇有羟基吸收带在3500cm（-1），C-0伸缩振动在1050～1250cm（-1），羟基弯曲振动在950cm（-1）。甲醚在3500cm（-1）无羟基吸收。它的第一强1150～1250cm（-1），这两个同分异构体很容易区别。

　　3、化学反应的检查——一个化学反应是否已进行完全，可用红外光谱检查，这是因原料和预期的产品都有其特征吸收带。例如氧化仲醇为酮时，原料仲醇的羟基吸收应消失，酮的羰基171cm（-1）应在产物中出现才反应进行完全。

　　4、未知物剖析——可先将未知物分离提纯，作元素分析，写出分子式，计算不饱和度。从红外光谱可得到此未知物主要官能团的信息，确定它是属于哪种化合物。结合紫外、核磁等可鉴定此化合物的结构。