傅里叶红外光谱测试与分析毕业论文.docx

南京信息职业技术学院毕业设计论文作者 钱岗 学号 11118P26 系部 中认新能源学院 专业 电子信息工程技术(检测技术与应用) 题目 红外光谱制样与图谱分析 指导教师 袁小燕 评阅教师 完成时间： 2014年 05 月 10 日 摘要随着科技的发展，红外光谱仪已经成为鉴别物质和分析物质结构的有效手段之一，而其中傅立叶变换红外光谱仪（FT-IR）则是七十年代发展起来的第三代红外光谱仪的典型代表。它是就光的相干性原理而设计，是一种干涉型光谱仪，具有优良的特性，完善的功能，广泛的应用范围，以及不俗的发展前景。本文会就傅立叶变换红外光谱仪的基本原理作扼要的介绍，总结傅立叶变换红外光谱的主要特点，并综述其在各个方面的基本应用。然后就塑料产品领域进行重点介绍，旨在进行红外光谱的制样与图谱分析，并以建立各种型号的塑料产的红外光谱谱库为目的，完成这篇论文。关键词：傅立叶变换红外光谱仪、基本原理、应用、发展、塑料产品、谱库。AbstractWith the development of science and technology， infrared spectrometer has become one of the effective means of identification of material and analyze material structure， and the Fourier transform infrared spectrometer (FT - IR) is developed in the seventy s as the typical representative of the third generation of infrared spectrometer. The principle of coherence of light design， is a kind of interferometric spectrometer， it has excellent properties， perfect functions， and application scope is extremely widespread， also has a broad development prospects. This article would be the basic principle of Fourier transform infrared spectrometer， a briefly introduction of summarize the main characteristics of Fourier transform infrared spectroscopy， and reviews its application in all aspects of the basic. And then focus on plastic products， at the same time to complete the analysis of sample preparation and the spectra of ir， and to establish various types of plastic produce ir spectrum library for the purpose， to complete the paper.Keywords: Fourier transform infrared spectrometer， the basic principle， application， development and plastic products， spectral library.目录绪论51.进击的红外光谱仪：61.1.蜕变的发展：61.1.1初代：61.1.2二代：61.1.3三代：71.2.品牌的代言71.2.1.布鲁克（bruker）71.2.2.尼高力（nicolet）71.2.3.福斯（foss）82.红外光谱仪的基本原理82.1.工作原理：82.2.傅立叶红外光谱仪的组成：82.3.仪器概要及解析：92.4.优缺点：102.4.1.优点：102.4.2.缺点：113.理论联系实际113.1.测量分析：113.1.1.样品收集：113.1.2.测试使用设备：133.1.3.样品制备：153.2.仪器操作流程：173.2.1.开机173.2.2.打开软件183.2.3.信号检测183.3.样品测试方法193.4.数据分析203.4.1.文件调入203.4.2.水汽补偿213.4.3.基线校正213.4.4.标峰位214.数据整理：235.注意事项：27结论28致谢29参考文献29绪论伴随着第三代红外光谱仪的问世，表明了其技术领域的发展有了较为长足的进步，摆脱了以往色散原理的调论，从干涉的角度另辟蹊径，并且已经日趋成熟，可以很好的适用于医药、烟草、塑料等产品材质分析的领域。究其前景，还有很大的发展空间。其中以傅立叶红外光谱仪为典型代表，广泛应用于各个领域，为社会的发展，做出了较为可观的贡献。当然，它本身依然存在着不小的缺陷，比如固体压片或液膜法的制样颇为麻烦，光程很难控制一致，给测量结果带来误差。另外，无论是添加红外惰性物质或是使用压片磨具，都会给粉末状态的样品造成形态变化或表面污染，使其在一定程度上失去其“本来面目”，虽然微不可查，但不容否认。因此，漫反射傅立叶变换红外光谱技术和衰减全反射傅立叶变换红外光谱技术（ATR附件）应运而生，在很大程度上弥补了以上的不足。但瑕不掩瑜，虽有缺陷，不过干涉原理的应用，是里程碑般的进步，本文依旧将以3代傅立叶红外光谱仪作为本次课题的主要研究用工具。1. 进击的红外光谱仪：1.1. 蜕变的发展：纵观红外光谱仪的发展历程，我们大致可以将其分为初代（雏形）、二代（成长）和三代（成熟）。1.1.1 初代：它是红外光谱仪的发展雏形。主要用棱镜作为分光元件，但是分辨率较低，对温度、湿度比较敏感，总的来说，对环境要求甚是苛刻。如图1，是以现代工艺制作的棱镜式色散型红外光谱仪模型。图11.1.2 二代：它是光谱仪的重要进步，虽然依然是基于色散原理，不过却是采用了先进的光栅刻制和复制技术，提高了仪器的分辨率，拓宽了测量波段，大大降低了环境要求，是其发展历程的重要成长。如图2，是光栅型色散式红外光谱仪。图21.1.3 三代：发展到第三代，这项技术已经趋于成熟，不仅从根本上打破了色散原理的桎梏，更是大胆的使用了干涉原理，发展出干涉型红外光谱仪，各项性能在二代基础上均得到了极大的提高。不得不说，创新才是硬道理。其中傅立叶变换红外光谱仪则是干涉型红外光谱仪的典型代表，特性优良，功能完善。如图3：图31.2. 品牌的代言以3代为例，让我们了解一下各品牌的代表：1.2.1. 布鲁克（bruker）图41.2.2. 尼高力（nicolet）图51.2.3. 福斯（foss）图62. 红外光谱仪的基本原理2.1. 工作原理：以傅立叶变换红外光谱仪为例，做以下介绍1） 光源产生的光由于分束器作用，形成光程差，产生干涉；2） 干涉光通过样品室后，含有样品信息的干涉光会到达检测器；3） 然后通过放大器放大信号；4） 为了便于计算机存储，再通过A/D变换器将模拟信号转变为数字信号；5） 数字信号通过傅立叶变换对信号进行处理，最终得到透过率或吸光度随波数或波长变化的红外吸收光谱图。（可参考下图7的图形介绍）2.2. 傅立叶红外光谱仪的组成：由光源、样品室、测光部分(干涉仪、检测器、放大器，A/D变换器、脉冲信号发生器)、傅立叶变换、数据处理、显示记录等部分组成。图7傅立叶红外光谱仪结构示意图2.3. 仪器概要及解析：1） 光源：由光源用发射体、光源用电源等组成。a. 光源发射体使用碳化硅、镍铬合金、陶瓷等发射材料，目的是发射稳定的红外线。b. 光源用电源向光源提供稳定的电压和电流。2） 样品室：由样品池、样品架、可组装附件的样品架组成。傅立叶变换红外光谱仪通常是单光束光谱仪，光路中设置一个样品架。多光束红外光谱仪在样品光路和参比光路分别设置样品架。图83） 测光部分：测光部分由干涉仪、检测器、放大器、A/D变换器、脉冲信号发生器等组成。4） 干涉仪：一般使用迈克尔逊干涉仪，其光学系统如图9所示。5） 检测器：根据人射光的强度变换成电信号，使用热电型检测器、半导体检测器、光声检测器等。6） 放大器：放大检测器传出的模拟信号，使以后的信号处理系统处理方便。7） A/D变换器：为了使放大器的信号储存在计算机的存储器中，把模拟信号变为数字信号。8） 脉冲信号发生器：测定干涉图形时作为脉冲使用，通常使用氦氖激光。图9迈克尔逊干涉仪光学系统示意图9） 傅立叶变换：数字化的干涉图形经过傅立叶变换变化成光谱。10） 数据处理：对得到的数据，进行透过率吸光度变换、峰检测、定量计算、光谱差计算、基线校正、K-M变换、K-K变换、光谱数据检索等处理。11） 显示记录：在屏幕上显示分析结果、数据处理结果，由显示器、记录器组成。2.4. 优缺点：2.4.1. 优点：a. 仪器的分辨率较高，测量波段很宽，环境要求较低，测量数据较为准确。2.4.2. 缺点：a. 固体压片或液膜法制样麻烦，光程很难控制一致，给测量结果带来误差。另外，无论是添加红外惰性物质或是压片磨具，都会给粉末状态的样品造成形态变化或表面污染，使其在一定程度上失去其“本来面目”b. 大多数物质都有独特的红外吸收，多组分共存时，普遍存在谱峰重叠现象。c. 透射样品池无法解决催化气相反应中反应物的“短路”问题，使得催化剂表面的吸附物种浓度较低，影响检测的灵敏度。d. 不能用于原位(在线)研究，只能在少数研究中应用。3. 理论联系实际傅立叶红外光谱的使用已经涵盖了多项领域，无论是医药、烟草，还是塑料产品的认证等等下面我将就塑料产品领域进行分析、探讨。3.1. 测量分析：3.1.1. 样品收集：为了测试数据的更加全面，必须先做好前期测试样品的收集工作，务必使样品的种类全面、准确且具有代表性。如下图，是各个厂家的塑料粒子图示： 图10 图11 图12 图13 图14 图15 图16 图17图18以上将是本次研究课题的主要样品的一部分，由于样品量较大，其他不再一一罗列。只筛选典型代表。3.1.2. 测试使用设备：1） 玛瑙研钵：研磨样品时使用。图192） 溴化钾粉末（分析纯）：与粉末状样品混合研磨，便于压片。（研钵内白色粉末为溴化钾）（注：样品与溴化钾比例为1:1001:200，因为样品量较少时，峰的强度较小，可能会掩盖部分特征峰，样品量较多时，所制备的样片透光度过低，难以形成便于观察的峰形）图203） 压片装置：压出规则样片。图214） 红外灯：研磨过程中使用，保持实验环境的绝对干燥，防止溴化钾或者样片吸水受潮，影响峰位。图225） 锉刀：样品制备使用，磨出最够细小的粉末样品。图236） 压片机：高压制做样片使用。 （通常压力为10MPa）图24 图257） 其他物品：（脱脂棉、洗耳球、分析纯乙醇、无尘纸、镊子、样品勺、尖嘴钳等） 图26酒精瓶 图27样品勺 图28洗耳球 图29尖嘴钳3.1.3. 样品制备：这可以说是红外光谱测试中至关重要的一部分，将直接影响到最终的测试数据。1） 样品制备的方式方法：通常有薄膜法、压片法、裂解法以及溶解法。下面将就压片法对样品进行测试研究。2） 样品制备流程（压片法）：a. 用脱脂棉沾适当乙醇将玛瑙研钵、压片装置擦拭干净，再用干的无尘纸二次擦拭，最后用洗耳球吹净，确保表面无其他杂质。b. 用洗干净的锉刀，锉样品表面，得到适当粉末与玛瑙研钵中，加入适量溴化钾混合，通常比例为1：1001:200左右（样品为比例1）。c. 在红外灯下研磨35min，直到样品均匀的粘在玛瑙研钵上（用手捏，像面粉一样细腻），务必使样品与溴化钾混合均匀，。d. 用样品勺将样品移入压片磨具中，在底部均匀铺放。图30e. 将磨好的试样装入压片模具后，放在压片机上用转盘压紧，拧紧螺母，搬动压力杆，使压力表指针指到10MPa。图31f. 等待至少10秒，然后取出压片模具，轻轻打开模具，取出加压成薄片状的试样。（试样尽量以透明为宜、部分样品粉末颗粒较大时，可退而求其次以均匀为宜） 图32 图33 图343.2. 仪器操作流程：3.2.1. 开机打开仪器后侧的电源开关，开启仪器。仪器通电后，会开始自检，仪器右上角标识（见图35）湿度D，湿度I、激光、状态三灯均由红变绿，说明自检通过，仪器正常。仪器加电后至少要等待10 分钟，等电子部分和光源稳定后，才能进行测量。 傅立叶红外光谱仪 未稳定 稳定图35 仪器上面板3.2.2. 打开软件图36 登陆OPUS界面3.2.3. 信号检测1） 点击软件界面菜单栏“测量”“高级测量选项”，在打开的“测量”窗口上面选择“检查信号”，切换到“检查信号”页面。2） 在左侧“存储模式”一栏选择“干涉图”，然后点击右上方的“全程扫描”，几秒钟后在中间窗口可以看到红色十字架形干涉图（见图37）。确认干涉图幅度和位置在正确范围内（见注1），则点击保存峰位。若不在范围内，则联系仪器工程师询问。图37 检查信号窗口（干涉图）注1：新仪器的干涉图正常幅度（Amplitude）的绝对值应在20000以上（随仪器使用时间而减弱），位置（position）范围应该在6000060500。3） 在左侧“存储模式”一栏选择“光谱图”, 然后点击右上方的“全程扫描”，几秒钟后在中间窗口可以看到红色光谱图。确认光谱图形状是否正确（见图38），若光谱图正确，则点击保存峰位。若光谱图不正确，则联系仪器工程师询问。图38 检查信号窗口（光谱图）3.3. 样品测试方法1） 首先确保样品仓没有样品。点击软件菜单栏的“测量”“高级测量选项”，打开“测量”面板。2） 在弹出的“测量”面板中选择“高级设置”（见图39），输入“文件名”、“路径”，设置分辨率为4cm-1，样品扫描时间和背景扫描时间为32，保存数据从4000cm-1到400cm-1。同时在下面“要保存的数据块”中勾选需要保存的数据，具体见图39（也可点击上面的“调入”，选择与本次测试相同设置的一个文件，这样下面的参数会自动与打开的文件参数相同）。之后点击“基本设置”面板，返回基本设置页面，点击“测量背景单通道光谱”进行背景测量。图39 高级设置窗口3） 待测量单通道光谱完成后，立即将压好的试样装入样品腔内的样品腔壁的洞中，之后点击“测量样品单通道光谱”进行样品测量。图403.4. 数据分析3.4.1. 文件调入图413.4.2. 水汽补偿图423.4.3. 基线校正图433.4.4. 标峰位图44并用“交互模式”对峰值进行筛选。图45 交互模式标峰位用鼠标拖动页面中间的水平线的中间（红色框选中的地方），直到希望标注的峰全部在水平线下方为止。然后拖动页面左边阀值的滑块，直到希望标注的峰值全部标记出来为止。标记完成后，点击左上方的保存即可。图464. 数据整理：通过大量样品的测试，对相同型号的塑料产品进行比对、分析，得到如下不同型号的塑料产品的红外光谱图谱：图47 ABS（丙烯腈、丁二烯和苯乙烯）图48 PA66（尼龙66：聚己二酰己二胺）图49 PBT（聚对苯二甲酸丁二醇酯）图50 PC（聚碳酸酯）图51 PMMA（聚甲基丙烯酸甲酯）图52 PP（聚丙烯）图53 PVC（聚丙乙烯）图54 PS（聚苯乙烯）图55 PE（聚乙烯）5. 注意事项：1） 制备样品时，锉刀的清洁度一定要高，可以采用两种方式尽量避免杂质的影响。a. 用酒精浸泡，并用马弗炉加热清洁；b. 在锉取样品时，先舍弃刚开始的锉取的样品，取后续的样品。2） 仪器样品腔内应常年放一杯变色硅胶使样品腔保持干燥，如图56。图563） 测量开始前，确保指示灯为黄绿色（如图57），若D/I位置为红色（如图58）则更换分子筛（如图59、60）。确保测试环境的相对干燥。 图57 图58 图59 图604） 研磨样品时，确保样品与溴化钾比例为1:100