傅立叶变换红外光谱仪的基本原理及其应用.docx

1.H法一呼第d学飞W夕JIANQXINORMA1.UNIVERSITY2009届本科生毕业论文课题名称:傅立叶变换红外光谱仪的基本原理及其应用Basicprincip1.esandapp1.icationofFouriertransforminfraredspectrometer姓名高立峰学院理电学院专业物理学(师范)学号050702(X)16完成时间2009.4声明本人慎重声明：所呈交的毕业设计（论文）是本人在指导老师指导卜进行的探讨工作及取得的探讨成果。其中除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人己经发表或撰写并以某种方式公开过的探讨成果，也不包含为获得其他教化机构的学位或证书而作的材料“其他同志对本探讨所做的任何贞献均己在文中作了明确的说明并表示谢意。本毕业设计（论文）成果是本人在江西和范高校读书期间在指导老郎指导卜取得的，成果归江西师范高校全部。特此声明。声明人（毕业设计（论文）作者）学号：0507020016声明人（毕业设计（论文）作者）签名:摘要红外光谱仪是鉴别物侦和分析物质结构的有效手段，其中何立叶变换红外光谱仪（FTTR）是七十年头发展起来的第三代红外光谱仪的典型代表。它是依据光的相干性原理设计的，是一种干涉型光谱仪，具有优良的特性，完善的功能，并且应用范围极其广泛，同样也有若广泛的发展前景。本文就傅立叶变换红外光谱仪的基本原理作扼要的介绍，总结r傅立叶变换红外光谱法的主要特点，综述r其在各个方面的应用，并对傅立叶变换红外光谱仪的发展方向提出一些基本观点。关键词，便立叶变换红外光谱仪：基本原理：应用；发展AbstractInfraredspectroscopyisaneffectivemethodtoidenti,substanceatu1.ana1.yzethestructuresofmo1.ecu1.ar.Fouriertransforminfrared(FT-IR)spectrometersdeve1.opedintheseventiesarcatypica1.representativeofthethirdgenerationofinfraredspectroscopy.Theyarcakindofintcrfcrcncc-typcspectrometerswhichweredesignedbasedonihcprincip1.eofcoherent1.ight,withexce1.1.entfeaturesandperfectfunctions.Andtheyhaven'ton1.ybeenusedwide1.ybuta1.sohaveextensiveprospects.Inthispaper,thebasicprincip1.esofFouriertransforminfraredspectrometeraredescribedbrief1.y.ThemainfeaturesofFT-IRweresummedupaswe1.1.asitsapp1.icationinvariousfie1.ds,andsomebasicopinionsofdcvc1.opnwnta1.directionasfarasFT-IRwereputforward.Keywords：Fouriertransfo11ninfraredspectrometer：Basicprincip1.es：App1.ication：Deve1.opment摘要IABSTRACTII1傅里叶红外光谱仪的发展历史12基本原理42.1光学系统及工作原理42.2傅立叶变换红外光谱测定62.3傅立叶变换红外光谱仪的主要特点73样品处理83.1气体样品83.2液体和溶液样品83.3固体样品84傅立叶变换红外光谱仪的应用94.1 在临床医学和药学方面的应用“>94.2 在化学、化工方面的应用104.3 在环境分析中的应用114.4 在半导体和超导材料等方面的应用115全文总结12参考文献131傅立叶红外光谱仪的发展历史到目前为止红外光谱仪已发屣了三代。笫一代是最早运用的核镜式色散型红外光谱仪，用梭镜作为分光元件，辨别率较低，对温度、湿度敏感，对环境要求苛刻。60年头出现了其次代光栅型色散式红外光谱仪，由于采纳先进的光栅刻制和匆制技术，提高了仪罂的辨别率，拓宽了测量波段，降低了环境要求。70年头发展起来的干涉型红外光谱仪，是红外光谱仪的第三代的典型代表(见图D,具有宽的测改范圉、高测地精度、极高的辨别率以及极快的测量速度.傅立叶变换红外光谱仪是干涉型红外光谱仪器的代表，具有优良的特性，完善的功能.图1便立叶变换红外光谱仪实物图近年来各国厂家对其光源、干涉仪、检测器及数据处理等各系统进行了大员的探讨和改进，使之日趋完善由于计算机技术和自动化技术在仪器中的广泛运用，使得红外光谱仪的调整、限制、测试及结果的分析大部分由计算机完成，如显微红外光谱中的图像技术。各公司的显微红外光谱仪均能对样品的某区域进行面扫描，得到该区域的化学成分的分布图，如Continuum(NicoIct).EquinoxTM55(Brukcr)、SPCC1.rum2000(PerkinEI2mcr)和StingrayImaging(Bio-Rad)等显微镜都有此功能。随着仪器精密度的提高，红外光谱仪在辨别率和扫描速度等方面达到很高的指标。如BrukerIFSI20H最佳辨别率为(HOOOsCm1.Bomen公司的DA系列可达O1.Oo26CmJ。而扫描速度BnJker可达117张谱图s,利用步进扫描技术可达250皮纳秒的时间辨别率。Nico1.ct8700扫描速度为105次/s,步进扫描时间辨别率为IOnS。现有的俾立叶变换红外光谱仪已不仅限于中红外(M1.R)的运用，分束器的运用可将光谱范围可獴盖紫外到远红外的区段。如BrUkCr为500004cm,Bomen为500005cnr,NiCOIet为2500020Cm1.这些很高的技术指标、标记材料、光路设计、加工技术和软件都达到了很高的水平但是,通常的透射红外光谱，即使是傅里叶变换透射红外光谱，都存在如卜.不足：固体压片或液膜法制样麻烦，光程很难限制一样,给测址结果带来误差。另外，无论是添加红外情性物质或是压制自支撑片，都会给粉末状态的样品造成形态变更或表面污染,使其在肯定程度上失去其“原来面目”大多数物质都有独特的红外汲取，多组分共存时,普遍存在谱峰重叠现象。透射样品池无法解决催化气相反应中反应物的“短路”问题,使得催化剂表面的吸附物种浓度较低，影响检测的灵敏度。不能用于原位（在线）探讨，只能在少数探讨中应用。因此,漫反射傅里.叶变换红外光谱技术和衰减全反射傅里叶变换红外光谱技术应运而生。漫反射技术是一种对固体粉末样品进行干脆测量的光谱方法。虽然早在20世纪60年头就已发展成为光谱学中的一个分支,但与红外光谱结合,是在傅里叶变换红外光谱出现后,漫反射傅立叶变换红外光谱技术才进入好用阶段。与透射傅立叶变换红外光谱技术相比.漫反射傅里叶变换红外光谱法具有如卜优点：不须要制样、不变更样品的形态、不会污染样品，不要求样品有足够的透亮度或表面光滑度，也不须要破坏样品，不会对样品的外观及性能造成任何损坏,可干脆将样品放在样品支架上进行测定，可以同时测定多种组分,这些特点很适合对样品的无损检测,如对珠宝、钻石、纸而、邮票的真伪进行鉴定,对样品无任何不良作用。20世纪90年头初,衰诚全反射（ATR）技术起先应用到红外显微镜上，诞生了全反射俾里叶变换红外（ATR-FTIR）光谱仪.近年来者计算机技术和多媒体图视功能的运用，实现了非匀称样品和不平整样品表面的微区无损测此可以获得官能团和化合物在微区空间分布的红外光谱图像。衰减全反射不须要通过透过样品的信号,而是通过样品表面的反射信号获得样品表层有机成分的结构信息，因此,衰减全反射具有如下特点：D不破坏样品,不须要象透射红外光谱那样要将样品进行分别和制样。对样品的大小,形态没有特殊要求,属于样品表面无损测量。2）可测量含水和潮湿的样品。3）检测灵敏度高,测量区域小,检测点可为数微米。4）能得到测量位置处物质分子的结构信息、某化合物或仃能团空间分布的红外光谱图像及微区的可见显微图象。5）能进行红外光谱数据库检索以及化学官能团协助分析，确定物资和种类和性质。6）操作简便，自动化,用计算机进行选点、定位、聚集、测量。由于衰减全反射的上述特点，极大地扩大了红外光谱技术的应用范围，使很多采纳透射红外光谱技术无法制样,或者样品制做过程非常困难、难度大、而效果又不志向的试险成为可能，采纳衰减全反射附件和试脸方法，可以获得常规的透射红外光谱技术所不能得到的检测效果。傅立叶变换红外光谱仪与其他仪器的联用技术是近代探讨发屣的至要方向。在现代分析测试技术也用丁困难试样的微量或痕量组分的分别分析的多功能红外联机检测技术代表了新的发展方向。傅立叶变换红外光谱仪与色谱段用可以进行多组分样品的分别和定性，与显微镜联用可进行微星样品的分析鉴定，与热失重联用可进行材料的热稳定性探讨，与拉殳光谱联用可得到红外光谱弱汲取的信息。实践证明，红外光谱联用技术是一种非常有效的好用技术，现已实现联机的有气相色谱-红外、高效液相色谱-红外、超临界流体色谱红外、薄层色谱-红外、热失重-红外、显微锢-红外及气相色谱-红外-质谱等，这将进一步提高分析仪罂的分别分析实力。随着傅立叶变换红外光谱技术的发展，远红外、近红外、偏振红外、高压红外、红外光声光谱、红外遥感技术、变温红外、拉曼光谱、色散光谱等技术也相维出现，这些技术的出现使红外成为物质结构和鉴定分析的有效方法。近年来，随着计算机技术的发展，红外光谱定性分析实现了计算机检索和协助光谱解析概括地说，就是首先将相当数Ift化合物的红外光谱图,依据肯定规则进行编码后，存放在计算机的存储设备中形成谱库，然后，对待分析样品的红外光谱图也进行同样的编码，再以某种计算方法与谱库中存储的数据逐个进行比较，选择出类似的数据,最终按类似的程度输出选择结果，从而达到光谱检索目的。而这也大大削减了光谱解析的工作量。2基本原理红外线和可见光一样都是电磁波，而红外线是波长介于可见光和微波之间的一段电磁波。红外光又可依据波长疮图分成近红外、中红外和远红外三个波区，其中中红外区（2525m:4000-40Ocm1）能很好地反映分子内部所进行的各种物理过程以及分子结构方面的特征，对解决分子结构和化学组成中的各种问题最为有效，因而中红外区是红外光谱中应用最广的区域，般所说的红外光谱大都是指这一范围。红外光谱属于汲取光谱，是由于化合物分子振动时汲取特定波长的红外光而产生的，化学键振动所汲取的红外光的波长取决于化学键动力常数和连接在两端的原子折合质出，也就是取决于的结构特征。这就是红外光谱测定化合物结构的理论依据.红外光谱作为“分子的指坡”广泛的用于分子结构和物质化学组成的探讨。依据分子对红外光汲取后得到谱带频率的位置、强度、形态以及汲取谱带和温度、聚集状态等的关系便可以确定分子的空间构型，求出化学建的力常数、庭长和键用。从光谱分析的角度看主要是利用特征汲取谱带的频率推断分子中存在某一博团或链，由特征汲取谱带频率的变更推想接近的基团或键，进而确定分子的化学结构,当然也可由特征汲取谱带强度的变更时混合物及化合物进行定舟分析.而鉴于红外光谱的应用广泛性,绘出红外光谱的红外光谱仪也成了科学家们的重点探讨对象.傅立叶变换红外（Fr1.R）光谱仪是依据光的相干性原理设计的，因此是一种干涉型光谱仪，它主要由光源（硅碳棒，高压汞灯,干涉仪，检测器，计算机和记录系统组成，大多数停立叶变换红