红外光谱仪器的基本构成及工作原理

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　　一.仪器的基本构成

　　1.光源

　　光源能发射出稳定、高强度、连续波长的红外光，通常使用能斯特(Nernst)灯、碳化硅或涂有稀土化合物的镍铬旋状灯丝。

　　2.干涉仪

　　迈克耳孙(Michelson)干涉仪的作用是将复色光变为干涉光。中红外干涉仪中的分束器主要是由溴化钾材料制成的;近红外分束器一般以石英和CaF2为材料;远红外分束器一般由Mylar膜和网格固体材料制成。

　　3.检测器

　　红外光谱仪检测器一般分为热检测器和光检测器两大类。热检测器是把某些热电材料的晶体放在两块金属板中，当光照射到晶体上时，晶体表面电荷分布变化，由此可以测量红外辐射的功率。热检测器有氘代硫酸三甘肽(DTGS),钽酸锂(LiTaO3)等类型。光检测器是利用材料受光照射后，由于导电性能的变化而产生信号，最常用的光检测器有锑化铟、汞镉碲等类型。

二.工作原理

　　用一定频率的红外光聚焦照射被分析的样品时，如果分子中某个基团的振动频率与照射红外线频率相同便会产生共振，从而吸收一定频率的红外线，把分子吸收红外线的这种情况用仪器记录下来，便能得到全面反映样品成分特征的光谱，进而推测化合物的类型和结构。20世纪70年代出现的傅里叶变换红外光谱仪是一种非色散型的第三代红外吸收光谱仪，其光学系统的主体是迈克耳孙(Michelson)干涉仪，干涉仪的结构如图14-2所示。

　 　图14-2迈克耳孙干涉仪结构图

　　迈克耳孙干涉仪主要由两个互成90o的平面镜(动镜和定镜)和一个分束器组成。固定定镜、可调动镜和分束器组成了傅里叶变换红外光谱仪的核心部件—迈克耳孙干涉仪。动镜在平稳移动中要时时与定镜保持90o。分束器具有半透明性质，位于动镜与定镜之间并和它们呈45o放置。由光源射来的一束光到达分束器时即被它分为两束，Ⅰ为反射光，Ⅱ为透射光，其中50%的光透射到动镜，另外50%的光反射到定镜。射向探测器的Ⅰ和Ⅱ两束光会合在一起成为具有干涉光特性的相干光。动镜移动至两束光光程差为半波长的偶数倍时，这两束光发生相长干涉，干涉图由红外检测器获得，单色光的干涉如图14-3所示，结果经傅里叶变换处理得到红外光谱图。FTIR的工作原理如图14-4所示。

　　 图14-3单色光的干涉图

　 　图14-4傅里叶变换红外光谱仪工作原理

　　单色光的干涉图和基本方程：

　　Michelson干涉仪移动时两镜相差任意δ时的光强I (δ) 
,①当O点到动镜和定镜的距离相等时无光程差。②当O点到两镜距离(δ表示)相差λ/4的偶数倍时为相长干涉，光强加强;相差λ/4的奇数倍时为相消干涉，光强减弱。发生在上述

　　两种位移之间，部分为相消干涉。

　　若令I为两光束干涉后的强度，

　　则

　　I(δ) =0. 51(

　　) cos2πδ/λ

　　或

　　I(δ)=0. 51(

　　)cos2δvπ

　　光强随波长变化I(v)而不是光强随两镜距离差变化I(δ)。

　　依此类推，Ⅰ和Ⅱ两相干光光程差变化所产生的干涉有如下规律：光程差为±nλ(n=0,1,2,…)，发生相长干涉，光程差为n±1/2λ (n=0,1, 
2,…)，发生相消干涉。正号表示动镜从零位向远离分束器方向移动;负号表示动镜从零位向分束器方向移动;零位是动镜距分束器和定镜距分束器相等的部位。此时，探测器上检测到的信号强度为

　　 这就是波数为

　　的单色光的干涉图方程。