在线FTIR光谱仪的优化及应用

在线FTIR光谱仪的典型光谱分析范围为2.5~25 μm（4 000~400 cm-1）。FTIR光谱仪的核心部件是迈克尔逊干涉仪，其工作原理如图3.22所示。该系统中有一个移动反射镜（动镜），它可以改变光束穿行的距离。图中的氦氖激光器用于精确测定动镜移动的距离（x）。来自红外光源的光，通过光束分离器被分成两束，一束光透射穿过，一束光被反射出去。透射光束射向动镜，经动镜回射再返回光束分离器。反射光束射向固定反射镜（定镜），同样经定镜回射返回光束分离器。这两束光在光束分离器汇合后，穿过样品池到达检测器。

图3.22　迈克尔逊干涉仪工作原理示意图

当光束分离、各自穿行不同的距离后再度汇合时，根据它们的相位是否相同或者相反（在同一相位或在不同相位），将发生相长或相消干涉。这种干涉产生了光谱信息，可用于测定气体的浓度。

在现今的FTIR光谱仪中，参比气室已经不是典型配置，取而代之的是仪器初始运行时获得的参比光谱，这种参比光谱是在测量气室中通入某种不吸收红外光的气体（一般采用氮气）测得的。红外光穿过参比气体后得到的信号提供了一个参比基准（空白值），或者说提供了一个“背景光”测量值，以便与样品测量值进行比较。这个参比信号储存在微处理器系统中，作为随后进行计算时的I0参比值。

对于使用多色光源的干涉仪，所形成的干涉图如图3.23和图3.24所示。

图3.23　参比气室干涉图

注：检测器的信号强度是波数的函数，这是采用多色光源，在某一固定的x处得到的一张图，图中的虚线表示光源的强度分布。

图3.24　样品气室干涉图

注：检测器的信号强度是波数的函数，这是当测量气室中有样品气存在，在某一的固定的x处得到的一张图。图中透射率的降低是由于样品气体对红外辐射的吸收。

图3.23是使用氮气作参比测量时的干涉图。该图是波数的函数，图中的x是对应于动镜所处某一位置的一个固定值。注意，这张图是一条正弦曲线，这条曲线被各种波长的光强所调制。图3.23中峰面积积分的数学表达式为：

式中：(www.xing528.com)

式（3.19）中的I0（x）表示干涉图中各点光的总强度（各种波长光的综合强度）。对于x的每一个值，即动镜的每一个位置，都有一张不同的干涉图和一个不同的I0值。总的参比气室干涉图是通过绘制对应于每个x值的I0值得到的。

FTIR光谱分析方法也是基于朗伯—比尔定律。当测量气室中通入样品气时，红外光将被气室中的样品吸收，结果造成图3.23中的吸收峰缩小，如图3.24所示。同样，图3.24中峰面积积分的数学表达式为：

注意，气体浓度c是朗伯—比尔定律表达式中的一个参数，而这里的积分表达式是波数的函数，干涉仪不能够扫描波数、频率或者波长。干涉仪检测器上测得的光强只是动镜移动距离x的函数。但是，傅里叶变换技术能够将干涉图（它给出的光强变化是动镜移动距离x的函数）转变为频谱图（它给出的光强变化是多色光源波数的函数）。

通过傅里叶逆变换将积分表达式中的 转换为x：

式（3.22）和式（3.23）是当被限定在一个波数范围内时的吸收光谱表达式。

如果两式相除，即可由这种积分式推导出由朗伯—比尔定律形式表达的被测气体浓度计算式：

通过氦氖激光器精确测定x，当红外光束穿过参比气室时测量对应每个x的光强，则可确定值。一旦获得这种离散的吸收光谱信息，分析仪的微处理器将立即搜寻期望的定性定量信息。这一步是借助于“光谱图库”实现的，计算机中储存有所有被测气体组分的吸收光谱资料，用来与实测的谱图数据比对。光谱图库是采用FTIR光谱仪分析已知浓度的各种化合物组分获得的。各种数学方法（如最小二乘方法）被用于这种数据处理以获得ppm级的浓度。

FTIR分析技术涉及多种技术手段和数学方法的综合应用，其分析过程和操作步骤如图3.25所示。

图3.25　FTIR分析过程和操作步骤

FTIR技术的吸引力在于，对于某种新的应用对象，如果需要测量一种“新”的化合物，并不需要设计一种新的仪器。FTIR技术能够测量任何一种化合物，条件是这种化合物在特定的红外波段吸收光能。对于某种新的应用对象，FTIR光谱仪需要将这种化合物的吸收特性及其在排放源中的浓度范围纳入光谱图库。这些谱图仪器制造厂家可能事先已经存入数据库中备用，但有时也需要从其他来源获得。