傅里叶变换红外光谱仪-仪器分析快速成果

1.光　源

光源作用是产生能量高、稳定性好的红外光。较常用的是改进型硅碳棒（EVER-GLO）光源和空气冷却陶瓷光源。硅碳棒是一种由SiC材料烧结而成两端粗中间细的实心棒，发射频率范围为9600～20cm-1，改进型的发光面积小（20mm2），红外光辐射很强，热辐射很弱，因此无需冷却。陶瓷光源是在陶瓷器件保护下的镍铬合金线光源，发射频率范围为9600～50cm-1，早期以水冷却，现改进为空气冷却。

2.分光系统

分光系统主要由反射镜、狭缝和色散元件组成，色散元件是其核心部件。第一代仪器的色散元件是棱镜，它由KBr、NaCl、CaF2或LiF等盐的单晶制成，这类棱镜怕潮湿、分辨率低；第二代仪器的色散元件是衍射光栅，光栅对环境要求不高，分辨率也大大提高；第三代仪器是以迈克逊干涉仪代替分光系统的功能。

迈克逊干涉仪由固定反光镜、移动反光镜、光束分裂器组成，如图4-17所示。光束分裂器有一层半透明，与入射光成45˚角，使入射光的50%透过、50%反射。移动反光镜可以沿着入射光的方向前后移动。当光源发出的红外光进入干涉仪时，由分裂器分裂为透射光Ⅰ和反射光Ⅱ，Ⅰ、Ⅱ两束光分别被固定镜和移动镜反射，而形成相干光。当移动镜连续移动时，Ⅰ、Ⅱ两束光的光程差就会连续改变。当光程差是波长的整数倍时，为相长干涉，亮度最大（亮条纹）；当光程差是半波长的奇数倍时，为相消干涉，亮度最小（暗条纹）。因此，当移动镜以匀速向光源方向移动时，就连续改变了两束光的光程差。在连续改变光程差的同时，记录下中央干涉条纹的光强度变化，即可得到干涉图。

图4-17Michelson干涉仪工作原理

干涉仪的基本功能是产生两束相干光，并使之以可控制的光程相互干涉，以给出干涉图。干涉图就是检测器记录下来的干涉强度和两束光光程差之间的函数关系。如果在干涉仪与检测器之间插入样品，检测器得到的是含有样品信息的干涉图。这种含有样品信息的干涉图是不能直接识别的，需要通过计算机进行傅里叶变换后转换为我们可以识别的红外光谱图。

由于干涉光的强度比单束光强度大，能量更高，所以使振动-转动能级跃迁的效率更高，使检测信号更加敏锐，灵敏度提高，这是优于第一、二代仪器的根本原因所在。

3.检测器(www.xing528.com)

红外光谱仪的检测器是将红外光强度信号转换为电信号的装置，主要有真空热电偶、高莱池和热电量热计三种。

真空热电偶检测器应用最多。它的应用范围为2～50μm。当红外光通过窗片射到涂黑的热电偶接点上时，因接点温度升高而产生温差电势，回路有电流产生。热电偶的时间常数为0.05s。由于热电偶时间常数大，所以不能用作高速扫描红外光谱仪的检测器。热电偶的使用寿命可达10年以上。

高莱池是灵敏度较高的气胀式检测器。在充氮的气室两端各封有低硝化纤维素膜。前面的膜涂黑，可接受红外光；后面的膜真空镀Sb作为可伸屈膜的反射镜。当红外光透过窗片射到涂黑的膜上，气室内温度升高，改变了可伸屈膜的曲率，导致射到光电管上的光线强度发生变化。高莱池寿命短，1～2年。膜容易老化引起漏气，现在已很少使用。

热电量热计由硫酸三甘肽（TGS）和其氘代产物（DTGS）作热电材料制成，是一种铁电物质，在居里点以下时显示出很大的极化效应，极化强度与温度有关。若将这种材料的薄片两面与电极相连，即形成一个电容。当红外光照射在上面时使其极化度发生改变，两电极产生感应电荷，接入外电阻后可以检测出来。由于它在室温下热电系数大，时间常数小，斩光频率可达2000Hz，可以实现高速扫描，已经广泛用于傅里叶变换红外分光光度计中。

硫酸三甘肽[(NH2CH2COOH)3H2SO4，简称TGS]晶体，具有良好的热电性质，它在大部分红外区域都有良好的吸收特性，在室温下，该晶体呈现目前已知材料中最大的热电系数。

氘化硫酸三甘肽（DTGS）晶体将居里温度提高到57～62℃，这样，所制成器件的温度范围可以提高。L-丙氨酸掺杂的氘化硫酸三甘肽（DATGS）晶体由于掺杂后建立了内在偏压场，使晶体能避免退极化，大大改善了晶体的热电性质。

在FTIR中检测器常用热释电检测器，如氘代硫酸三肽（DATGS）、汞镉碲（MCT）。

光学系统控制电路的主要任务是把检测器得到的信号经放大器、滤波器等处理，然后传递到计算机接口，再传入数据处理系统，把模拟信号转换为数字信号，进行运算处理，结果输出、显示或打印。

傅里叶变换红外分光光度计不用狭缝和分光组件，消除了狭缝对光谱能量的限制光能的利用率大大通过，使仪器具有测量时间短、高通量、高信噪比、高分辨率的特性。与色散型仪器的扫描不同，傅里叶变换红外分光光度计能同时测量、记录全光程信息，使得在任何测量时间内都能够获得辐射源的所有频率的全部信息。