Nicolet系列傅立葉變換紅外光譜儀的幾種附件

　  Nicolet系列傅立葉變換紅外光譜儀有以下6種附件：KBr透射附件、衰減全反射附件、智能漫反射附件、鏡面反射附件、氣體檢測附件、ESP透射變溫附件

基本的KBr透射附件

　　 載體材料的選擇：目前以中紅外區（4000～400cm-1）應用最廣泛，一般的光學材料為 NaCl (4000～600cm-1)、 KBr (4000~400cm-1)。這種晶體很易吸收水分是表面“發烏”，影響紅外光的透過。為此，所用的窗片應放在干燥器內，要在濕度較小的環境下操作。另外，晶體片質地脆，而且價格較貴，使用時要特別小心。對含水樣品的測試應采用 KRS-5 窗片（4000～250cm-1），ZnSe (400~650cm-1) 和CaF2 （4000～1000cm-1）等材料。近紅外區用石英和玻璃材料，遠紅外區用聚乙烯材料。KBr透射附件測試的對象為所有樣品制備方法得到的樣品。附件示意圖如下圖所示。

KBr透射附件示意圖

衰減全反射附件

　　衰減全反射光譜（ATR）技術用于收集材料表面的光譜信息，適合于普通紅外光譜無法測定的厚度大于0.1mm的塑料，高聚物，橡膠和紙張等樣品。衰減全反射附件可以測試微小樣品、表面粗糙不平的樣品；附件示意圖如圖所示。

衰減全反射附件示意圖

　　附件工作原理如圖所示：光從光密介質（全反射晶體）射到光疏介質（樣品）表面上，當入射角大于臨界角時，發生光的全反射。

衰減全反射附件工作原理

　　樣品是光疏介質，全反射棱鏡是光密介質有些附件的入射角設計成可調或可選(如30°、45°、60°可選) 方式。

智能漫反射附件（Diffuse Reflectance）

　　漫反射光譜技術是收集高散射樣品的光譜信息，主要用于測量細微粒和粉末狀樣品。漫反射光與樣品內部分子發生了相互作用，負載了樣品的結構和組成信息，可以用于光譜分析。漫反射附件的作用就是最大限度地把這些接觸樣品微粒表面后被漫射或散射出來的光能收聚起來送入檢測器，使得到具有良好信噪比的光譜信號。漫反射附件示意圖如圖所示：

漫反射附件示意圖

漫反射附件光路示意圖

　　漫反射紅外光譜測定法其實是一種半定量技術，將中紅外漫反射光譜用于定量分析，應滿足下列條件：第一，具有高質量的漫反射光譜；第二，樣品應與KBr粉末混合研磨；第三，樣品的濃度約1%，即樣品與KBr質量比為1:99；第四，樣品厚度至少3mm，樣品表面應該平整；第五，還應將DR（漫反射）譜轉換為 K-M （Kublka-Mukk）函數 f (R) 。

　　漫反射的制樣要求，（1）中紅外漫反射，通常用KBr或KCl粉末稀釋；（2）近紅外和遠紅外的漫反射光譜，通常不需要對樣品進行稀釋，直接將固體樣品研成粉末進行測試；（3）如果需要加稀釋劑，近紅外用硫酸鋇粉或溴化鉀粉末，遠紅外用碘化銫或聚乙烯粉末；（4）對液體樣品，可將樣品滴在粉末表面就可進行測試，也可將固體溶于易揮發溶劑中，滴在粉末表面，待溶劑揮發后測試漫反射光譜。

鏡面反射附件（Mirror Reflectance）

　　鏡面反射指的是紅外光束以某一入射角照射在樣品表面上發生的反射，反射角等于入射角反。鏡面反射入射角的選擇取決于所測樣品層的厚度。如果樣品層的厚度在微米級以上，入射角通常選30°；如果樣品層的厚度在納米級，如單分子層，入射角最好選80或85°。鏡面反射光譜技術用于收集平整、光潔的固體表面的光譜信息，測試反射表面上的超薄薄膜（單分子層）或金屬基體上的薄膜：如金屬表面的薄膜、金屬表面處理膜、食品包裝材料和飲料罐表面涂層、厚的絕緣材料、油層表面、礦物摩擦面、樹脂和聚合物涂層，鑄模塑料表面等。

　　在鏡面反射測量中，由于不同波長位置下的折射指數有所區別，因而在強吸收譜帶范圍內，經常會出現類似于導數光譜的特征，這樣測得的光譜難以解釋。如使用K-K （Kramers-Kronig）變換為吸收光譜后，可解決解析上的困難。

　　注意鏡面反射光束沒有進入樣品顆粒內部，未與樣品發生作用，鏡面反射光不負載樣品的任何信息，會干擾測試，引起光譜畸變，測試時濃度應盡量低，濃度越大，鏡面反射越嚴重，高濃度還會使譜帶變寬，還會出現全吸收現象。粒度盡量小，2~5μm。樣品的顆粒越大，越容易產生鏡面反射。樣品的折射率越高，鏡面反射越多，譜帶變得越寬。

　　鏡面反射光譜的測量裝置有很多種，但基本結構一般有三種：固定角反射附件、可變角反射附件和掠角反射附件。主要用于測試金屬表面改性樣品、樹脂和聚合物薄膜或涂層、油漆、半導體外延等；掠角反射附件適合于測定金屬表面亞微米級薄膜、納米級薄膜、LB膜、單分子膜等。鏡面反射附件提供一種非破壞性的紅外光譜測試方法。

　　a、固定角反射附件：

　　入射光的入射角固定不變，通常分為10°、30°、45°、70°、80°和85°，入射角為80°或85°的固定角反射附件又稱為掠角反射附件。圖為入射角為30°的固定角反射附件示意圖。

入射角為30°的固定角反射附件示意圖

入射角為30°的固定角反射附件光路

　　b、

　　可變角反射附件：

　　入射角變化范圍通常為30°~80°或20°~85°，如果入射角設定為80°或85°，這時的可變角鏡面反射附件又成為掠角反射附件。圖為可變角反射附件光路圖。

可變角反射附件光路

　　C 、掠角反射附件：

　　如果入射角設定為80°或85°，這時的固定角反射附件和可變角鏡面反射附件又成為掠角反射附件。附件示意如圖 所示。

入射角為80°的掠角反射附件示意圖

入射角為80°掠角反射附件光路圖

　　鏡面反射側重于晶體或半導體材料，有機和無機化合物的定性和定量分析（不常用），極性晶體光學常數的測量（負介電常數——折射率），III-V族化合物半導體電學參數的測量（負介電常數），對極性晶體鏡面反射譜的數據處理可以獲得其透射譜，鏡面反射譜進行數學處理可獲得常溫下材料的輻射譜，半導體外延層厚度的測量。

氣體檢測附件

　　氣態試樣可在氣體吸收池內進行測定。

　　短光程氣體池指的是長度為10~20cm的氣體池，10cm氣體池由長為10cm直徑5cm的玻璃管，管壁上連一個玻璃活塞，用于通氣，它的兩端磨平后粘有兩塊直徑相同的紅外透光溴化鉀、氯化鉀等窗片。

　　長光程氣體池指的是紅外光路在氣體池中經過的路程達到米級以上的氣體池，如10m，100m，200m或更長的，一般用不銹鋼材料制成圓柱形，紅外光進入氣體池后，在氣體池內多次反射，達到預定光程后，從另一個窗口射出，到達檢測器。

　　10m的氣體池可以安在一起的樣品倉中，再長的則需要將光路從儀器中引出來。長光程氣體池主要用于大氣污氣體的測試或局部有害氣體的測試。

　　小體積氣體池、加壓氣體池、高溫氣體池、低溫氣體池等。圖示為短光程氣體池。

短光程氣體池示意圖

ESP透射變溫附件

　　變溫紅外光譜是研究物質相變、分子間相互作用、化學反應等物理和化學過程的有力工具。樣品用熱電偶加熱，溫度從室溫到400℃。用于測試KBr壓片樣品，糊狀或薄膜法制備的樣品及液體樣品。室溫下以固態存在的樣品，在較高的溫度下可能會發生相轉變，或變成液態。隨著溫度的升高，樣品的紅外譜圖譜帶的峰形、峰寬、峰位和峰高可能會發生變化。原有的譜帶可能會消失，還可能出現新的譜帶。樣品熔化導致晶格破壞也會引起紅外光譜的變化。因此，變溫紅外光譜已成為紅外光譜學的一個重要組成部分。可以對物質進行以下研究：（1）溫度變化對長鏈碳氫化合物光譜的影響，（2）溫度變化對環氧樹脂固化反應光譜的影響，（3）溫度變化對晶格振動光譜的影響。

 ESP透射變溫附件示意圖