环境现代仪器分析实验：聚合物样品红外光谱测定

一、实验目的

了解衰减全反射红外光谱法（ATR-FTIR）的原理和特点；掌握用于ATR-FTIR 的智能OMNI采样器的工作原理和使用方法；熟悉ATR-FTIR 直接测定特殊样品（用压片和涂膜法无法进行制样测定的样品）的技术和方法；熟悉几种聚合物或纤维膜的衰减全反射红外光谱图的特点和解析方法；通过谱图解析及标准谱图的检索，了解由红外光谱鉴定未知物的一般过程。

二、实验原理与仪器结构

1.实验原理

ATR-FTIR 是利用晶体对入射红外光的全反射原理完成物质红外光谱测试的一种分析方法。当入射角大于临界角时，入射光由高折射率的光密介质（晶体）透入低折射率的光疏介质（样品）一定深度后，会折回射入全反射晶体中，其中能被样品吸收部分的光强度会减弱，不吸收部分的光被全部反射而强度不变，即产生衰减全反射现象，由FTIR 记录并转换后得到物质的衰减全反射红外光谱。测定时将样品置于反射晶体上，用一定压力压紧样品，所得谱图反映的是光线经过的那部分样品的化学键及分子运动特征，即样品的表面或界面的化学特征，它与红外光透过样品（透射法）而产生的红外光谱形状一致，表征的是物质表面官能团的结构信息，适于难以用普通透射法完成制样并测定的样品。ATR 光谱强度取决于有效穿透强（深）度、反射次数、样品与反射晶体的紧密贴合程度及样品本身对红外光的吸收大小。

2.仪器结构

智能OMNI采样器的结构及其工作原理如图6-8所示。

图6-8　智能OMNI采样器结构及其工作原理

智能OMNI采样器采用Ge为全反射晶体材料，晶体的上表面为球面，可以使样品与晶体的接触面积很小。晶体上方安装有压力杆，测试时可将样品紧紧压在晶体上，二者之间形成“点对点”接触，克服了多次内反射晶体与样品不能紧密接触的缺点。因此，虽然只有一次反射，OMNI采样器仍然可以得到高质量的光谱。工作时，红外辐射穿透样品的深度dp 与入射波长λ，晶体折射率n1，样品折射率ns，入射角α 有如下关系：dp=λ／2πn1［sin2α-（ns／n1）2］1／2，可见，对于给定的样品，穿透深度只与波长有关，穿透深度越大，吸收峰越强。长波处（低波数处）吸收峰因透入样品深度大而谱峰强度大，测量灵敏度高；短波处（高波数处）则正好相反，谱峰强度小，灵敏度低。这种在高波数范围内出现的歧视现象，是它区别于透射法的根本所在，因此必须利用仪器提供的软件对ATR 谱进行校正。一般来说，穿透深度只有几个μm，所以这种单次衰减全反射ATR 红外光谱法，适用于常规方法难以测试的样品，如微小、微量样品，硬度大难以制备的样品，强吸收不透光的样品，难溶（熔）难粉碎的样品等。其特点是制样简单，无破坏性，对样品大小、形状、含水量没有特殊要求，可以实现原位测试、实时跟踪，但其灵敏度比透射法低。

三、实验条件

1.仪器设备

Nicolet5700智能傅里叶红外光谱仪（美国热电公司），智能OMNI采样器。

2.试剂及样品

无水丙酮，无水乙醇，高分子聚合物，纤维膜，纸。

3.测试参数

单反射ATR-OMNI采样器（Ge晶体）：分辨率为4cm-1，扫描次数为32 次，光谱范围为4 000～675cm-1。(www.xing528.com)

四、实验步骤

1.打开FTIR 红外光谱仪主机和电脑，预热30min；

2.安装智能OMNI采样器附件，出现仪器自动识别提示；

3.打开操作软件，设置实验参数；

4.剪取一片干净的高分子聚合物、纤维膜或纸质样品，将测试面直接放在OMNI采样器的Ge晶体上，旋紧采样器的固定旋钮，使探头压紧样品；

5.按照仪器操作程序进行测定：进入测试对话框→设置仪器参数→背景测试→样品测试→保存谱图→取下样品→擦拭晶体和探头。每个样品可选择多个采样点进行多次测试，直至谱图中信息符合要求为止。

五、数据处理与谱图解析

1.由于ATR-FTIR 法谱图的吸收强度与入射红外光的波长有关，为便于与透射法的测定结果进行对比，需要对谱图进行校正，方法是对所测谱图进行基线校正及适当平滑处理，标出主要吸收峰的波数值，保存数据后，打印谱图。利用已掌握的红外光谱分析知识解析谱图，推出待测物质可能的结构式。

2.对谱图进行解析，判别官能团，推测物质结构和种类。对于纯物质，可用仪器自带软件对图谱进行检索，得出各主要吸收峰的归属，推出化合物的结构，并与谱库内的已知化合物结构进行比对。

3.本法不宜测定厚度大的块状固体，硬度大的固体和直径小的丝状样品（毛发）。

六、问题与讨论

1.简述智能OMNI采样器的适用范围和操作要点。

2.简述OMNI采样器“点对点”接触式采样测定物质红外光谱的原理和优缺点并比较ATR-FTIR 与透射法FTIR 的不同之处。

七、注意事项

1.用智能OMNI采样器测试含水的液体样品时，要用仪器自带的样品架（池）进行固定，易挥发液体样品不能测试。

2.每测试完一个样品，要用脱脂棉蘸乙醇仔细擦拭反光晶体和探头，确保探头上没有样品残留。