什么是红外光谱仪?

什么是红外光谱仪?

[拼音]：hongwai guangpuyi

[外文]：infrared spectrometer

通过物质的红外辐射透射比的仪器。所得到的谱图，称为红外光谱图。分子的振动－转动光谱主要在红外波段，利用红外光谱方法可测定分子的键长、键角，并由此推测分子的立体构型。根据所得的力常数可推知化学键的强弱，由简正频率计算热力学函数等。但是，红外光谱最广泛的应用还在于对化学组成的分析，依照特征吸收峰的强度测定混合物中各组分的含量。红外光谱是公认的一种重要分析工具。

发展简况

20世纪40年代中期，出现双光束红外光谱仪。它们大都采用棱镜作为色散元件，称为棱镜式红外光谱仪。50年代末期，用光栅作为色散元件的光栅式红外光谱仪问世。由于对气象和大气污染研究的需要，以及电子技术的发展，60年代以来，基于干涉调频分光的傅里叶变换红外光谱仪得到迅速发展。这种仪器的特点是分辨力极高和扫描速度极快，对弱信号和微小样品的测定具有很大的优越性。

色散型红外光谱仪

棱镜式和光栅式的红外光谱仪都是色散型的光谱仪。色散型双光束红外光谱仪大多数采用光学零位平衡系统。它主要由5个部分组成，即光源、单色器、检测器、电子放大器和记录机械装置（图1）。

如果样品光路中没有放置样品，或样品光路和参比光路的吸收情况相同，检测器即不输出信号。若把样品插入样品光路中，则样品的吸收破坏两束光的平衡，检测器就有信号输出。这种信号经放大后用于驱动梳状光阑，使它进入参比光路以遮挡辐射，直到参比光路的辐射强度与样品光路的辐射强度相等为止。这就是所谓的光学零位平衡法。参比光路中梳状光阑所削弱的能量，就等于样品所吸收的能量。因此，当记录笔和梳状光阑作同步运动时，就直接记下样品的吸收百分比。另外，有些仪器采用双光束电比率记录系统。在这种系统中，检测中输出的电信号经放大后，不是去驱动梳状光阑，而是输入到解调器中，使代表样品光束和参比光束的电信号得到解调。这两个分开的电信号在数字比率器中进行比较，并经数字-模拟转换器变成模拟输出（相应于透射比），用X-Y型记录器记录下来。这种记录机构的最大特点是具有高的信噪比。

干涉分光型红外光谱仪

傅里叶变换红外光谱仪主要由光学探测部分和计算机部分组成。光学部分大多数是由迈克耳逊干涉仪组成。干涉仪将来自光源的信号以干涉图的形式送经计算机进行傅里叶变换的数学处理，将干涉图还原成光谱图。

迈克耳逊干涉仪由互成直角的两块平面镜M1、M2和与M1、M2分别成45°角的光束分裂器所构成（图2）。其中M2可以沿箭头方向等速移动，而M1为固定平面镜。从M1和M2反射回来进入探测器之前的两束光的光程差，随平面镜M2的等速直线运动而周期性变化。因而对频率为ν的单色光来说，干涉图的强度为

I(x)＝B(ν)cos(2πνx)

式中x为光程差；B(ν)为光源（被测对象）的强度，是一个恒定值。对于多色光源来说，其干涉图I(x)是光源中各个频率所产生的干涉图强度的叠加。其结果是一个迅速衰减的干涉图，中央为极大的对称图形。单色光和多色光的干涉图见图2中b和c。在数学上，多色光干涉图中的变化部分表示为

这是对光源中频率范围积分的结果。根据博里叶变换原理，可由I(x)计算出光源的光谱分布B(ν)

干涉图包含着光源的全部频率和强度按频率分布的信息。因此，如将一个有红外吸收的样品放在干涉仪的光路中，由于样品吸收掉某些频率的能量，所得到的干涉图强度曲线就相应地产生某些变化。对这个包含每个频率强度信息的干涉图进行傅里叶变换，就能得到红外光谱。但是，这种变换的数学运算非常冗长，为了得到准确的频率和强度的数值，必须用电子计算机来完成。傅里叶变换红外光谱仪的排列和工作如图3。

光源的辐射经过干涉扫描得到干涉图。探测器将干涉图光信号转变成电信号，后者经数字化后进入计算机作傅里叶变换，最后显示成光谱并记录下来。

参考书目

P. R. Griffiths， Chemical Infrared Fourier Transform Spectroscopy， Wiley-Interscience， New York，1975.