第六章 红外辐射测量仪器及基本参数测量综述

1、 红外技术及应用红外技术及应用1第六章 红外辐射测量仪器及基本参数测量 红外技术及应用红外技术及应用2光谱学发展史 1 1、形成阶段：、形成阶段：16661666年牛顿在研究三棱镜时发年牛顿在研究三棱镜时发现将太阳光通过三棱镜太阳光分解为七色光。现将太阳光通过三棱镜太阳光分解为七色光。18141814年夫琅和费设计了包括狭缝、棱镜和视窗年夫琅和费设计了包括狭缝、棱镜和视窗的光学系统并发现了太阳光谱中的吸收谱线的光学系统并发现了太阳光谱中的吸收谱线（夫琅和费谱线）。（夫琅和费谱线）。 2 2、研究室和应用阶段：、研究室和应用阶段：18601860年基尔霍夫和本年基尔霍夫和本生为研究金属光谱设计成

2、较完善的现代光谱生为研究金属光谱设计成较完善的现代光谱仪仪光谱学诞生。由于棱镜光谱是非线性的，光谱学诞生。由于棱镜光谱是非线性的，人们开始研究光栅光谱仪。人们开始研究光栅光谱仪。 红外技术及应用红外技术及应用3单色仪概述 从复色光源中提取单色光从复色光源中提取单色光 测量复色光源的光谱：测量复色光源的光谱： 研究目的研究目的物质的辐射特性，光与物质的相互物质的辐射特性，光与物质的相互作用，物质的结构（原子分子能级结构），遥远作用，物质的结构（原子分子能级结构），遥远星体的温度、质量、运动速度和方向。星体的温度、质量、运动速度和方向。 应用范围应用范围采矿、冶金、石油、燃化、机器制采矿、冶金、石

3、油、燃化、机器制造、纺织、农业、食品、生物、医学、天体与空造、纺织、农业、食品、生物、医学、天体与空间物理（卫星观测）等等。间物理（卫星观测）等等。 红外技术及应用红外技术及应用4 一般的单色仪由一般的单色仪由入射狭缝、准直物镜、色散元件、入射狭缝、准直物镜、色散元件、成像物镜及出射狭缝成像物镜及出射狭缝组成。组成。 单色仪的种类较多，有通用型和专用型之分。主单色仪的种类较多，有通用型和专用型之分。主要性能指标包括如下内容：要性能指标包括如下内容： 工作波段范围工作波段范围 线色散率线色散率 光谱宽度或光谱分辨率光谱宽度或光谱分辨率 波长重复性波长重复性 波长准确度波长准确度 波长扫描速度波长

4、扫描速度 物镜视场角等物镜视场角等 红外技术及应用红外技术及应用5一、单色仪一、单色仪的特性的特性色散本领色散本领 色分辨本领色分辨本领 色散范围色散范围色散本领色散本领ddD单位波长间隔的偏向角差单位波长间隔的偏向角差在最小偏向角时棱镜的色散：在最小偏向角时棱镜的色散： dd)dd(dd1nnDmmddn棱镜材料的色散率棱镜材料的色散率1.1.棱镜棱镜tma 红外技术及应用红外技术及应用622222sin2sinddd22, ddd1sin ()1sin ()22lfnlnD DDfnn线色散线色散色散本领色散本领常用线色散常用线色散 Dl 的倒数表仪器的性能的倒数表仪器的性能色散范围色散范

5、围棱镜不会产生不同波长谱线重叠现象棱镜不会产生不同波长谱线重叠现象棱镜光谱仪的色散范围决定于材料对光谱的吸收棱镜光谱仪的色散范围决定于材料对光谱的吸收 红外技术及应用红外技术及应用7色分辨本领色分辨本领 和和 + 两束透射两束透射光的偏向角之差光的偏向角之差 m 决定于截面宽度决定于截面宽度 a棱镜色分辨本领棱镜色分辨本领maRtmaam由由瑞利判据瑞利判据 红外技术及应用红外技术及应用82.2.光栅光栅 sinKd色散本领色散本领不同波长的同级主极大分开的角距离不同波长的同级主极大分开的角距离D由光栅方程由光栅方程)A(rad/cosdKDd 越小，越小，K 越大，角色散越大越大，角色散越大

6、 很小，角色散与波长无关很小，角色散与波长无关角色散本领角色散本领讨讨 论论 红外技术及应用红外技术及应用9 线色散本领线色散本领接收屏上光谱分开的线距离接收屏上光谱分开的线距离cos)A(mm/ dfKDfllDll与与 f 相关相关色分辨本领色分辨本领 差异差异两个主极大分开的程度两个主极大分开的程度 主极大的重叠程度主极大的重叠程度光栅光栅色分辨本领色分辨本领R分辨极限光栅方程光栅方程 + + 的的 K 级极大级极大)(sin Kd 的的 K 级极大级极大旁旁第一极小第一极小)1(sinNKd 红外技术及应用红外技术及应用10KNRsinNdR 由光栅方程由光栅方程光栅宽度Nd当当 +

7、的的 K 级主极大级主极大正好位正好位于的于的 K 级极大级极大旁旁第一极小第一极小时时N 越大越大 R 越大越大 如：光栅长为如：光栅长为5cm，每，每mm刻痕为刻痕为1200条条,计算第计算第一级光谱的一级光谱的R和和6000附附近分辨极限近分辨极限 ？R = 6 104， = 0.1 红外技术及应用红外技术及应用11色散范围色散范围当当 + 的的 K 级主极大与级主极大与 的的 K+1 级主极大重叠级主极大重叠K 级级光谱线的色散范围：光谱线的色散范围：sin2dKG在此光谱范围内在此光谱范围内, , K 级级谱线不会与其它级次谱线重合谱线不会与其它级次谱线重合光栅光栅都在都在低级次低级

8、次下使用，色散范围大，一般都在几百下使用，色散范围大，一般都在几百nm()(1)KKF-P 干涉仪干涉仪的使用范围是的使用范围是高级次高级次，色散范围很窄，色散范围很窄， =10-3 nm注注 意意 红外技术及应用红外技术及应用12光栅与棱镜相比光栅与棱镜相比 棱镜的工作光谱区受到棱镜的工作光谱区受到材料的限制（光的波长材料的限制（光的波长小于小于120nm120nm，大于，大于5050 m m时时不能用不能用) ) 光栅的角色散率与波长光栅的角色散率与波长无关，棱镜的角色散率无关，棱镜的角色散率与波长有关。与波长有关。 棱镜的尺寸越大分辨率棱镜的尺寸越大分辨率越高，但制造越困难，越高，但制造

9、越困难，同样分辨率的光栅重量同样分辨率的光栅重量轻，制造容易。轻，制造容易。 光栅存在光谱重叠问题光栅存在光谱重叠问题而棱镜没有。而棱镜没有。 光栅存在鬼线（由于刻光栅存在鬼线（由于刻划误差造成）而棱镜没划误差造成）而棱镜没有。有。优点优点缺点缺点 红外技术及应用红外技术及应用13闪耀光栅闪耀光栅 平面式光栅的零级谱无色散。但该级却具有最大平面式光栅的零级谱无色散。但该级却具有最大的能量。的能量。 能量集中是单元衍射的结果，大部分能量都集中能量集中是单元衍射的结果，大部分能量都集中在几何像点（衍射的中央主极大，即衍射零级）在几何像点（衍射的中央主极大，即衍射零级）上。上。 对于平面光栅，对于平

10、面光栅，单元衍射零级的位置与缝间干涉单元衍射零级的位置与缝间干涉零级的位置恰好是重合的。零级的位置恰好是重合的。 如果让衍射零级偏离干涉零级的位置，即让单元如果让衍射零级偏离干涉零级的位置，即让单元衍射的中央零级与衍射的中央零级与j=1j=1，或，或2 2，的光谱重合，的光谱重合，即可解决上述问题。即可解决上述问题。 闪耀光栅具有这种能力。闪耀光栅具有这种能力。 红外技术及应用红外技术及应用14-6-4-20246 -6-4-20246 j=0j=0 红外技术及应用红外技术及应用15-6-4-20246 j=0j=0 红外技术及应用红外技术及应用16二、常见单色仪光学系统二、常见单色仪光学系统

11、MNO 红外技术及应用红外技术及应用17 红外技术及应用红外技术及应用18 红外技术及应用红外技术及应用19 红外技术及应用红外技术及应用20 红外技术及应用红外技术及应用21 红外技术及应用红外技术及应用226.1 红外辐射测量仪器 1. 1. 单色仪单色仪 v定义：单色仪是利用分光元件（棱镜或光栅）从复杂辐射中获得紫外、可见和红外光谱且具有一定单色程度光束的仪器。 v组成：由狭缝、准直镜和分光元件按一定排列方式组合而成。 v应用：单色仪作为独立的仪器使用时，可用于物体的发射、吸收、反射和透射特性的分光辐射测量和光谱研究，也可用于各种探测器的光谱响应测量。若把单色仪与其他体系组合在一起，则可

12、构成各种光谱测量仪器，如红外光谱辐射计和红外分光光度计等。 v 红外技术及应用红外技术及应用23v v v早期的单色仪多采用棱镜作为色散元件如图6-1 v角色散为 v （6-1） v棱镜的材料和形状最终决定了棱镜的分辨本领。 v v分辨本领是指分离开两条邻近谱线的能力 ddnAnAdd21222sin12sin2 图6-1 棱镜对单色光的折射 红外技术及应用红外技术及应用24 红外技术及应用红外技术及应用25v则其理论分辨本领R即： v （6-2） v v图6-2所示为一种具有三角形线槽的反射式平面衍射光栅，称为闪耀光栅。闪耀光栅每个缝的平面和光栅平面之间有一个角度，每个缝对入射光产生衍射作用

13、。 ddnbR 红外技术及应用红外技术及应用26v闪耀光栅主极大的位置服从光栅方程式 v （6-3） v vm为衍射级次级，m=0，1，2，b为光栅常数；i为入射角；为衍射角。 v将式（6-3）对微分即可求出交色散率d/d为 v （6-4） v )sin(sinibmcosbmdd图6-2 闪耀光栅的横剖面图 红外技术及应用红外技术及应用27 红外技术及应用红外技术及应用28v光栅的分辨本领R也具有式（6-2）的形式，即 v （6-5） v v式中W是有效孔径宽度，W=bNcos，其中b是一条划线的宽度，N是划线总数，是衍射角。将式（6-4）代入上式得 v （6-6） v v由式（6-6）可知

14、，光栅的分辨本领与划线总数N和光谱的级数m成正比。 v ddWR mNR 红外技术及应用红外技术及应用29v v v单色仪的工作原理可用图6-3所示的反射式单色仪光路系统加以说明。来自辐射源的辐射束穿过入射狭缝S1后，经抛物面准直反射镜M1反射变成平行光束投射到平面反射镜M2，再被反射进入色散棱镜P，于是被分解为不同折射角的单色平行光束，经另一抛物面反射镜M3反射，并聚焦于出射狭缝S2输出。色散棱镜P与平面反射镜M2的 v v v 图6-3 反射式单色仪光路系统略图 红外技术及应用红外技术及应用30 v2. 光谱辐射计光谱辐射计 v定义和组成：光谱辐射计是在窄光谱区间测量光谱辐射通量的装置。辐

15、射计是在宽光谱区间测量辐射通量的装置。 v 图6-4 辐射计原理 红外技术及应用红外技术及应用31v v图6-5给出了光谱辐射计的结构示意图。光谱辐射计主要由两个部分组成：产生窄谱带辐射的单色仪和测量此辐射通量的辐射计。图6-5 光谱辐射计的结构示意图 红外技术及应用红外技术及应用32 红外技术及应用红外技术及应用33v v3. 红外分光光度计红外分光光度计 v定义和组成：红外分光光度计也称红外光谱仪，是进行红外光谱测量的基本设备，结构如图6-6所示。主要由辐射源、单色仪、探测器、电子放大器和自动记录系统等构成 v 图6-6 色散型双光束红外分光光度计结构方框图 红外技术及应用红外技术及应用3

16、4v分类：红外分光光度计根据其结构特征可分为单光束分光光度计和双光束分光光度计两种。在全自动快速光谱分析中，多采用双光束分光光度计，双光束分光光度计又有不同结构及工作原理，最常见的是双光束光学自动平衡系统和双光束电学平衡系统。图6-7 红外分光光度计光路图 红外技术及应用红外技术及应用35v典型的双光束电学平衡式红外光谱仪的光学系统，如图6-8所示。 v v v v v v v v v v v v v v v v v v v v v v v v v v v v v v 图6-8 双光束电学平衡式红外光谱仪的光学系统 红外技术及应用红外技术及应用36 4. 傅里叶变换红外光谱仪傅里叶变换红外光谱

17、仪 功能功能：是使光源发出的光分为两束后造成一定的光程差，再使之复合以产生干涉，所得到的干涉图函数包含了光源的全部频率和强度信息。用计算机将干涉图函数进行傅里叶变换，就可计算出原来光源的强度按频率的分布。如果在复合光束中放置一个能吸收红外辐射的试样，由所测得的干涉图函数经过傅里叶变换后与未放试样时光源的强度按频率分布之比值，即可得到试样的吸收光谱。 红外技术及应用红外技术及应用37 组成组成：迈克尔逊干涉仪和计算机组成。迈克尔逊干涉仪主要的。 傅里叶变换红外光谱仪由以下四部分组成。 （1）光源 （2）分束器 （3）探测器 （4）数据处理系统 红外技术及应用红外技术及应用38v由傅里叶变换红外光

18、谱仪获得所需光谱，一般必须遵循如下步骤： v（1）当干涉仪动镜M1随时间作匀速移动时，记录相应的信号，测出I(x)值（等间隔取样）；图6-9 迈克耳逊干涉仪工作原理 红外技术及应用红外技术及应用39 （2）由实验测定光程差x=0时的I(0)； （3）将I(x)I(0)/2代入方程，对于选定的频率计算出积分； （4）对于每一频率完成方程的积分，即可得到S()与的光谱曲线图。 与红外分光光度计相比，傅里叶变换红外光谱仪有以下优点。 1）扫描时间短，信噪比高 2）光通量大 3）具有很高的波数准确度 4）具有较高的和恒定的分辨能力 5）具有很宽的光谱范围和极低的杂质辐射 v 红外技术及应用红外技术及应

19、用40 红外技术及应用红外技术及应用41v5. 多通道光谱仪多通道光谱仪 v多通道光谱仪与单色仪的相同之处在于均采用棱镜或光栅作为色散元件，与单色仪的不同之处在于能同时在很多波长的通道内收集色散能量。 图6-10 多通道光谱仪的基本结构 红外技术及应用红外技术及应用426.2 基本辐射量的测量基本辐射量的测量v1. 辐射亮度的测量辐射亮度的测量 v假定用下角标“s”表示与标准辐射源有关的量，而下角标“x”表示与待测辐射源有关的量。很显然，若定义仪器的光谱辐射亮度响应度RL()为，则 v （6-7） v v其中V()为在波长处仪器的光谱输出电压；Le()为入瞳处的被测光谱辐射亮度。借助此关系式，

20、可以写出在12波段内的响应度为 v （6-8）)()()(eLLVR2121()()()eLLeeLRdVRLLd 红外技术及应用红外技术及应用43v此时，用标准辐射源在处测得的电压为 v （6-9） v在12波长内测得的电压为 v （6-10） v式中Ls()为标准辐射源的光谱辐射亮度。同样，用待测辐射源所测得的电压为Vx和Vx，则 v （6-11） v )()(LssRLV21)()(dRLVLss)()(LxxRLV 红外技术及应用红外技术及应用44v （6-12） v其中Lx()为待测样品的光谱辐射亮度，于是可求得待测辐射源的辐射亮度为 v （6-13） v v （6-14） v v其

21、中Ls和Ls为标准辐射源在入射光瞳处的光谱辐射亮度和总辐射亮度。 v在运用式（6-13）和式（6-14）的最终结果时，不必考虑仪器的响应度，仅仅要求知道辐射源的光谱辐射亮度，以及仪器的输出电压信号就可以了。 v。21)()(dRLVLxx ssxLxxLVVRVL)(ssxssxLxxLVVdLVVRVL21)( 红外技术及应用红外技术及应用45v2. 辐射强度的测量辐射强度的测量 v辐射源的辐射强度是通过辐射照度的测量来获得的。假设辐射穿过透射率为a的大气后，在距离为d处产生的辐射照度为E，当d远大于辐射源的线度时，辐射强度为 v v （6-15） vEd2为表观辐射强度。 v如果辐射源是扩

22、展辐射源， v （6-16） aEdI2AdALIcos 红外技术及应用红外技术及应用46 3. 总辐射通量的测量图总辐射通量的测量图6-11 积分球原理积分球原理 积分球也称积分光度计。它是一个内壁涂白色漫反射涂层，球内放待测光源的完整球壳。由光源发射并经球壁漫反射的一部分辐射通过球壁上的一个小孔（窗口）射到测量用的接收器上。这部分辐射通量应正比于光源所发出的总辐射通量。 红外技术及应用红外技术及应用47图6-11 积分球原理 红外技术及应用红外技术及应用48 红外技术及应用红外技术及应用49 红外技术及应用红外技术及应用50v如图6-11所示为一个半径为R的积分球，其中C v是待测辐射源，

23、可以放在球内任意位置。假设球内壁各点都能产生均匀的漫反射，其漫反射比为，球心在O处，辐射源所发出的总辐射通量为。如果在C和球壁上一点B之间放一档屏，挡去直接射向B点的辐射，则在B点的辐射照度为 v v （6-17） v球壁上任何位置的辐射照度与辐射源的总辐射通量成正比。如果在图6-11的C处依次放入标准源和待测源，由它们分别在窗口处产生的辐射照度为Es和Ex，则待测源的总辐射通量为 v v （6-18） v式中s为标准源的总辐射通量。142REssxxEE 红外技术及应用红外技术及应用51v如果所选用的探测器是无光谱选择性的，而且是均匀响应的，那么就可以用相应的电信号表示待测源的辐射通量，即

24、v （6-19） v vix为用待测辐射源时所产生的光电流；is为用标准辐射源时所产生的光电流。 v如果C位于球心，设辐射源的最大尺寸为2b，窗口的直径为2a，则挡屏的半径为d=a+2(b-a)/3。 v通常要求辐射源的最大尺寸不超过球壳直径的1/10。尺寸较大的辐射源应选用直径较大的积分球。 ssxxii 红外技术及应用红外技术及应用52 实际的积分球并不满足上述的理想条件，其主要原因如下： （1）球内壁不可能发出理想的漫反射； （2）球内壁各点的漫反射率不可能是严格相同的； （3）挡屏不仅遮挡了源的辐射，而且也在球壁上形成了一定的阴影； （4）落在辐射源、悬浮装置以及挡屏上的辐射要被它们反

25、射或吸收； （5）在窗口或接收器处不可能完全像朗伯余弦定律那样传输辐射或吸收辐射，对于掠入射和正入射的情况也是不同的，等等。 因此，在使用积分之前，应该对积分球的测试精度进行检验。 红外技术及应用红外技术及应用536.3 红外发射率测量红外发射率测量v（1）根据定义，发射率是实际物体与黑体在相同条件（温度、光谱范围和几何条件）下的辐射之比。因此，报道测量结果时应指明测试条件，并把测量结果严格地说成是在某温度、光谱范围和方向上的发射率。如500K时的半球全发射率h（500K）或800K时5m处的法向光谱发射率n（5m，800K）等。 v（2）必须对样品状态有完整的描述：因为材料发射率的测量受一系

26、列因素影响，所以，报道测量结果时，应尽可能详尽地说明测试样品的成分、厚度、表面的形貌特征和结构特征。否则将会降低测量结果与报道的价值。 红外技术及应用红外技术及应用54v（3）对光学不均匀的样品必须考虑反射作用：关于发射、透射和反射的相互关系的许多论述，都只适用于光学均匀的材料。因此，在发射率测量中，应用基本关系式+=1时，必须注意式中的三个量要有一致的几何条件。例如，当从反射率和透射率计算法向发射率时，反射率和透射率必须属于均匀漫照射和v1. 半球全发射率测量半球全发射率测量 v当研究辐射热传递和热损耗问题时，最关心的是物体表面的半球全发射率。对它的测量， v绝大多数的方法是采用量热法。 v

27、这种方法的基本原理和装置如图 v6-12所示。图6-12 热丝法测量半球全发射率装置示意图 红外技术及应用红外技术及应用55 2. 法向光谱发射率测量法向光谱发射率测量 在各种具体方案中，可有如下几方面的变化： （1）比较的方法，包括单光路和双光路； （2）加热样品的方法，其中包括辐射、附加电阻加热器的热传导、对流或旋转样品炉等样品加热； （3）分光计的类型，棱镜或光栅式单色仪、滤光片等； （4）测量的光谱范围，取决于分光计和探测器的工作波带； （5）温度测量和控制方法，有热电偶、光学或辐射高温计，手动或自动控制； 红外技术及应用红外技术及应用56 （6）数据处理方法，一个波长一个波长地测量比

28、较，或在一个宽的波长范围内自动记录； （7）所用比较黑体的类型，有独立的实验室黑体源、加热样品的炉子或在样品中开的参比黑体腔孔。 双光路法向光谱发射率测量系统，广泛采用双光束比率记录的红外分光光度计工作模式，它以实验用黑体源和待测样品作为两个光束的辐射源。 v 红外技术及应用红外技术及应用57 为能直接记录样品的法向光谱发射率，上述双光路测试系统能够必须满足如下条件： （1）被测样品和比较黑体必须控制在相同温度，样品表面的温度梯度应尽可能小； （2）为使两光束有相同的大气吸收，并使这种吸收降到最低，两光束的光路长度必须相等，或使仪器保持在无吸收条件或真空中工作； 红外技术及应用红外技术及应用5

29、8 （3）除分光棱镜外，必须始终采用前表面反射系统，并在两光路中使用完全对等的光学元件，以使两光束在光学上有相等的吸收衰减； （4）两光束的源面积的场孔径必须相等，以保障两光束中的辐射功率来自相同的源面积和发射立体角。 v 红外技术及应用红外技术及应用59v若仪器对比率记录模式工作，得到的法向光谱发射率为: v （6-20） v v测量方法和步骤：测量前首先应对仪器进行定标，即波长定标和仪器线性响应定标。在不同波长范围，可用不同方法对单色仪进行波长定标,另外，利用大气吸收曲线也可在0.415m范围找出52个吸收峰，从而得到更长波长的定标曲线。 v )()()()()(ZHZSn 红外技术及应用

30、红外技术及应用60图6-13 单光路测试系统示意图 红外技术及应用红外技术及应用616.4 红外反射比测量红外反射比测量v1. 反射比的定义反射比的定义 v根据入射及收集反射辐射的几何关系，分别有不同的定义和表示方法。 v（1）双向反射比 v（2）方向-半球反射比 v（3）半球-方向反射比 v（4）双半球反射比 v除上述各种反射比以外，如果入射或接收反射辐射限制在某个有限的锥角i或r内，则又有下列五种反射比之分：方向-锥角反射比、锥角-方向反射比、双锥反射比、半球-锥角反射比、锥角-半球反射比。 v 红外技术及应用红外技术及应用62 在测量反射比时，应依不同的情况用不同的方法。目前常用的室内反

31、射比测量系统主要分为四种：积分球反射计、热腔反射计、半球反射计、椭球镜或抛物镜反射计。 2. 积分球反射计积分球反射计 积分球是个内壁涂有MgO、BaSO4或BaCO3等漫反射涂层的球形腔体。因这些涂层有近似理想漫反射性能，所以，若有一辐射束照射球的内壁，则反射辐射将按余弦定律分布 积分球结构大同小异。归纳起来主要有下列两种类型： 红外技术及应用红外技术及应用63 （1）将待测样品置于球壁或球心，把光束引入球内，并依次照射样品和球内壁的高漫反射涂层（或已知反射比的标准反射体），从样品及球内壁反射的光束，经球内多次反射后，在球壁产生的辐射照度与样品及球内首次被照面的反射比有关。 （2）将待测样品

32、置于球壁或球心，把光束引入球内（或在入射孔处放一漫透射体），并在入射孔与样品之间用挡板屏蔽。 红外技术及应用红外技术及应用64v6.5 红外吸收比和透射比测量红外吸收比和透射比测量 v吸收和透射的光谱测量不能采用量热法，可运用下列方法： v（1）对于气体、半透明液体和固体材料，测量光谱吸收和光谱透射比的最简便的方法是直接利用6.1节描述的色散型红外分光光度计或傅里叶变换红外光谱仪测量。必要时应作表面反射修正。图6-14 积分球工作原理 红外技术及应用红外技术及应用65 （2）对于不透明固体材料，往往首先测量其光谱反射比()，然后根据()=1-()确定光谱吸收比。 （3）对于不能使用透射和反射法

33、测量的固体材料，可测量材料红外光谱发射比，获得光谱吸收系数a()。知道了光谱吸收系数a()后，可根据关系式()=exp-a()x和()=1-()确定光谱透射比和光谱吸收比。 红外技术及应用红外技术及应用66v如图6-15所示，设S1和S2是两块完全相同的试样薄片，其中S2为表面涂一层 v吸收比2已知的材料作标准面。当它们同时受辐射功率相同的辐射照射时，虽然二 v v 图6-15 稳态面积比较法示意图 红外技术及应用红外技术及应用67v者发射比相同，但因被照面吸收比不同而吸收不等的辐射功率，因此，二者热平衡 v温度不等。若调节S2上方窗口光阑，改变投射到标准面上的辐射功率，直至两块试 v样温度相

34、同（测定温度差热电偶的电位差计读数为零）为止。此时两块试样的热状态相 图6-15 稳态面积比较法示意图同，所以 v （6-21） 2211EAEA 红外技术及应用红外技术及应用68v式中E为试样表面辐照度，A1和A2分别是待测面和标准面的实际受照面积，1和2分别为它们的吸收比。由式（6-21）得到待测面的吸收比为 v v （6-22） 1221AA 红外技术及应用红外技术及应用69分光光度计 红外技术及应用红外技术及应用70一、分光光度计定义与应用一、分光光度计定义与应用定义定义: :分光光度计是利用物质对光的选择吸收或发光现分光光度计是利用物质对光的选择吸收或发光现象，通过测量不同波长的光能

35、量变化而对物质进行定象，通过测量不同波长的光能量变化而对物质进行定性和定量分析的仪器。它同时具有分光及光度测量的性和定量分析的仪器。它同时具有分光及光度测量的作用。作用。特点特点: :灵敏、精确、快速和简便，在复杂组分系统中，灵敏、精确、快速和简便，在复杂组分系统中，不需要分离，即能检测出其中所含的极少量物质。不需要分离，即能检测出其中所含的极少量物质。应用应用: :对于物质的吸收光谱、荧光光谱、拉曼散射光谱对于物质的吸收光谱、荧光光谱、拉曼散射光谱等均可利用分光光度计进行测量。等均可利用分光光度计进行测量。生物化学研究中广生物化学研究中广泛使用的方法之一，广泛用于各种物质成份的快速定泛使用的

36、方法之一，广泛用于各种物质成份的快速定量检测。量检测。 红外技术及应用红外技术及应用71分光光度计的分类分光光度计的分类红外分光光度计红外分光光度计: :可见光分光光度计可见光分光光度计: :紫外分光光度计紫外分光光度计: :测定波长范围为大于测定波长范围为大于760 760 nmnm的红外光区的红外光区 测定波长范围为测定波长范围为400760 400760 nmnm的可见光区的可见光区测定波长范围为测定波长范围为200200400 400 nmnm的紫外光区的紫外光区 红外技术及应用红外技术及应用72（一）物质的吸收光谱（一）物质的吸收光谱 如果在光源和棱镜之间放上某种物质的溶液，如果在光

37、源和棱镜之间放上某种物质的溶液，此时在屏上所显示的光谱已不再是光源的光谱，它此时在屏上所显示的光谱已不再是光源的光谱，它出现了几条暗线，即光源发射光谱中某些波长的光出现了几条暗线，即光源发射光谱中某些波长的光因溶液吸收而消失，这种被溶液吸收后的光谱称为因溶液吸收而消失，这种被溶液吸收后的光谱称为该溶液的吸收光谱。该溶液的吸收光谱。 不同物质的吸收光谱是不同的。因此根据吸收不同物质的吸收光谱是不同的。因此根据吸收光谱，可以鉴别溶液中所含的物质。光谱，可以鉴别溶液中所含的物质。 二、分光光度计的工作原理二、分光光度计的工作原理 红外技术及应用红外技术及应用73 当光线通过某种物质的溶液时，透过的光

38、的强度当光线通过某种物质的溶液时，透过的光的强度减弱。因为有一部分光在溶液的表面反射或分散，一减弱。因为有一部分光在溶液的表面反射或分散，一部分光被组成此溶液的物质所吸收，只有一部分光可部分光被组成此溶液的物质所吸收，只有一部分光可透过溶液。透过溶液。入射光入射光 = = 反射光反射光 分散光分散光 吸收光吸收光 透过光透过光 如果我们用蒸馏水如果我们用蒸馏水( (或组成此溶液的溶剂或组成此溶液的溶剂) )作为作为“空白空白”去校正反射、分散等因素造成的入射光的损去校正反射、分散等因素造成的入射光的损失，则：失，则：入射光入射光 = = 吸收光吸收光 十十 透过光透过光 红外技术及应用红外技术

39、及应用74 设设 I0 为经过空白校正后入射光的强度；为经过空白校正后入射光的强度；I 为透过为透过光的强度。光的强度。 根据实验得知根据实验得知 I = I0 10c l 式中，式中，c 表示吸收物质的浓度；表示吸收物质的浓度；l 表示吸收物质的表示吸收物质的光程，用光程，用cm表示；表示；表示吸收物质的消光系数，它表表示吸收物质的消光系数，它表示物质对光的吸收特性，不同物质的示物质对光的吸收特性，不同物质的数值不同。数值不同。 所以所以 I / I0 = 10c l 令令 T（透射比）（透射比） = I / I 0 T = 10cl 由上式可得由上式可得 1g（1 / T） = c l l

40、g（l / T）为物质的吸光度）为物质的吸光度 A = 1g（1 / T） 红外技术及应用红外技术及应用75 上式说明了物质的吸光度与吸收物质的浓度和上式说明了物质的吸光度与吸收物质的浓度和液层的厚度成正比，这就是光吸收的基本定律液层的厚度成正比，这就是光吸收的基本定律-Lambert-BeerLambert-Beer（朗伯（朗伯- -比耳）定律。比耳）定律。 红外技术及应用红外技术及应用760.5750.575光源光源单色器单色器样品室样品室检测器检测器显示显示 分光光度计可按照波长、光度测量方式或记录方分光光度计可按照波长、光度测量方式或记录方式进行分类，但是其基本结构大致相同如下：式进行

41、分类，但是其基本结构大致相同如下：三、分光光度计的基本结构三、分光光度计的基本结构 红外技术及应用红外技术及应用77 在光学系统的设计中，由于光源能量微弱，为了在光学系统的设计中，由于光源能量微弱，为了使仪器能够正常工作，首先要保证输出信号有足使仪器能够正常工作，首先要保证输出信号有足够的能量够的能量(达到一定的信躁比达到一定的信躁比)； 其次是改善象质量，提高分辨率，并使仪器整体其次是改善象质量，提高分辨率，并使仪器整体有合理的布局；有合理的布局； 光路在选用合适的红外光源和探测器的同时，还光路在选用合适的红外光源和探测器的同时，还要充分利用光强，避免一切能量损失；要充分利用光强，避免一切能

42、量损失； 在红外区域因受材料透光范围限制，一般较少采在红外区域因受材料透光范围限制，一般较少采用透镜，而是多采用反射镜，并且准之物镜都具用透镜，而是多采用反射镜，并且准之物镜都具有较大的相对孔径。有较大的相对孔径。 红外技术及应用红外技术及应用78用于提供足够强度和稳定的连续光谱。分光用于提供足够强度和稳定的连续光谱。分光光度计中常用的光源有热辐射光源和气体放电光光度计中常用的光源有热辐射光源和气体放电光源两类。源两类。热辐射光源如能斯特灯、硅碳棒、钨丝灯和热辐射光源如能斯特灯、硅碳棒、钨丝灯和卤钨灯等，可产生从可见光到中远红外波段的光卤钨灯等，可产生从可见光到中远红外波段的光源；钨灯和碘钨灯

43、可使用的范围在源；钨灯和碘钨灯可使用的范围在3402500nm。气体放电光源用于紫外光区，如氢灯和氘灯。气体放电光源用于紫外光区，如氢灯和氘灯。氢灯和氘灯。它们可在氢灯和氘灯。它们可在160375 nm范围内产生连范围内产生连续光源。续光源。 另外，为了使光源发出的光在测量时稳定，另外，为了使光源发出的光在测量时稳定，光源的供电一般都要用稳压电源，即加有一个稳光源的供电一般都要用稳压电源，即加有一个稳压器。压器。 （一）光源：（一）光源： 红外技术及应用红外技术及应用79分光系统即单色仪。单色仪是能从光源辐射分光系统即单色仪。单色仪是能从光源辐射的复合光中分出单色光的光学装置，其主要功能：的复

44、合光中分出单色光的光学装置，其主要功能：产生光谱纯度高的光波且波长在待测区域内任意产生光谱纯度高的光波且波长在待测区域内任意可调。可调。（二）分光系统：（二）分光系统：单色器一般由入射狭缝、准光器（透镜或凹单色器一般由入射狭缝、准光器（透镜或凹面反射镜使入射光成平行光）、色散元件、聚焦面反射镜使入射光成平行光）、色散元件、聚焦元件和出射狭缝等几部分组成。其核心部分是色元件和出射狭缝等几部分组成。其核心部分是色散元件，起分光的作用。散元件，起分光的作用。 红外技术及应用红外技术及应用80能起分光作用的色散元件主要是棱镜和光栅。能起分光作用的色散元件主要是棱镜和光栅。棱镜有玻璃和石英两种材料。它们

45、的色散原棱镜有玻璃和石英两种材料。它们的色散原理是依据不同的波长光通过棱镜时有不同的折射理是依据不同的波长光通过棱镜时有不同的折射率而将不同波长的光分开。由于玻璃可吸收紫外率而将不同波长的光分开。由于玻璃可吸收紫外光，所以玻璃棱镜只能用于光，所以玻璃棱镜只能用于350 3200 nm的波长的波长范围，即只能用于可见光域内。石英棱镜可使用范围，即只能用于可见光域内。石英棱镜可使用的波长范围较宽，可从的波长范围较宽，可从185 4000nm，即可用于，即可用于紫外、可见和近红外三紫外、可见和近红外三 个光域。个光域。 红外技术及应用红外技术及应用81在分光光度法中，一般都是用液体溶液进行在分光光度

46、法中，一般都是用液体溶液进行测定的，用于盛放试液的器皿就是吸收池或比色测定的，用于盛放试液的器皿就是吸收池或比色皿。一般由玻璃、石英或熔凝石英制成，用来盛皿。一般由玻璃、石英或熔凝石英制成，用来盛被测的溶液。在低于被测的溶液。在低于350 nm350 nm的紫外光区工作时，的紫外光区工作时，必须采用石英池或熔凝石英池。有玻璃和石英两必须采用石英池或熔凝石英池。有玻璃和石英两种。种。 吸收池（比色皿）必须与光束方向垂直。吸收池（比色皿）必须与光束方向垂直。此外，每套比色皿的质料、厚度应完全相同，以此外，每套比色皿的质料、厚度应完全相同，以免产生误差。比色皿上的指纹、油污或壁上的沉免产生误差。比色

47、皿上的指纹、油污或壁上的沉积物都会显著地影响其透光性，因此在使用前务积物都会显著地影响其透光性，因此在使用前务必彻底清洗。必彻底清洗。（三）吸收池（样品室）（三）吸收池（样品室） 红外技术及应用红外技术及应用822. 2. 吸收池吸收池 红外吸收池使用可透过红外的材料制成窗片；不同的样品红外吸收池使用可透过红外的材料制成窗片；不同的样品状态（固、液、气态）使用不同的样品池，固态样品可与晶体状态（固、液、气态）使用不同的样品池，固态样品可与晶体混合压片制成。混合压片制成。材材 料料 透透光光范围范围/ m 注注 意意 事事 项项 NaCl 0.2-25 易易潮潮解解、湿度湿度低低于于 40% K

48、Br 0.25-40 易易潮潮解解、湿度湿度低低于于 35% CaF2 0.13-12 不不溶溶于于水水，用用于于水水溶溶液液 CsBr 0.2-55 易易潮潮解解 TlBr + TlI 0.55-40 微微溶溶于于水水（有有毒毒） 红外技术及应用红外技术及应用83用于检测光信号。利用光电效应将光强度信用于检测光信号。利用光电效应将光强度信号转换成电信号的装置，也叫光电器件。号转换成电信号的装置，也叫光电器件。分光光法中，得到的是一定强度的光信号，分光光法中，得到的是一定强度的光信号，这个信号需要用一定的部件检测出来。检测时，这个信号需要用一定的部件检测出来。检测时，需要将光信号转换成电信号才

49、能测量得到。光检需要将光信号转换成电信号才能测量得到。光检测系统的作用就是进行这个转换。测系统的作用就是进行这个转换。常用的光检测系统主要有光电池、光电管和常用的光检测系统主要有光电池、光电管和光电倍增管。光电倍增管。（四）光检测系统（四）光检测系统 红外技术及应用红外技术及应用84光光电电倍倍增增管管1个光电子可产生个光电子可产生106107个电子个电子 红外技术及应用红外技术及应用85它的作用是放大信号并以适当方式指示或记它的作用是放大信号并以适当方式指示或记录下来。常用的信号指示装置有直读检流计、电录下来。常用的信号指示装置有直读检流计、电位调节指零装置以及数字显示或自动记录装置等。位调

50、节指零装置以及数字显示或自动记录装置等。很多型号的分光光度计装配有微处理机，一方面很多型号的分光光度计装配有微处理机，一方面可对分光光度计进行操作控制，另一方面可进行可对分光光度计进行操作控制，另一方面可进行数据处理。数据处理。（五）信号记录系统（五）信号记录系统 红外技术及应用红外技术及应用860.5750.575光源光源单色器单色器样品池样品池检测器检测器显示显示四、分光光度计的类型四、分光光度计的类型（一）单光束分光光度计（一）单光束分光光度计 红外技术及应用红外技术及应用87这类分光光度计的特点是：这类分光光度计的特点是：结构结构简单，价格便宜。简单，价格便宜。另外，结果受电源另外，结

51、果受电源的波动影响较大。主要适用于的波动影响较大。主要适用于定性分定性分析，而不适用于作定量分析。析，而不适用于作定量分析。 红外技术及应用红外技术及应用88（二）单波长双光束分光光度计（二）单波长双光束分光光度计光源光源单色器单色器吸收池吸收池检测器检测器显示显示分束器分束器比值比值 红外技术及应用红外技术及应用89双光束分光光度计是自动比较了透过参比溶双光束分光光度计是自动比较了透过参比溶液和样品溶液的光的强度，它液和样品溶液的光的强度，它不受光源（电源）不受光源（电源）变化的影响。变化的影响。双光束分光光度计还能进行波长扫描，并自双光束分光光度计还能进行波长扫描，并自动记录下各波长下的吸

52、光度，很快就可得到试液动记录下各波长下的吸光度，很快就可得到试液的吸收光谱。所以能用于的吸收光谱。所以能用于定量分析。定量分析。 红外技术及应用红外技术及应用901.1.双光束光学零位平衡法双光束光学零位平衡法 红外技术及应用红外技术及应用91 红外技术及应用红外技术及应用92 红外技术及应用红外技术及应用93优缺点：优缺点： 透射率测量精度主要决定于减光器的线性精度。透射率测量精度主要决定于减光器的线性精度。减光器的精度依靠线性加工，一般可达减光器的精度依靠线性加工，一般可达1%1%。 对电学放大器系统不要求线性精度。对电学放大器系统不要求线性精度。 在样品透射率发生变化时，两路光强也同时变

53、化，在样品透射率发生变化时，两路光强也同时变化，在透射率接近零时，减光器透过的光强也接近为在透射率接近零时，减光器透过的光强也接近为零。由于两路光同时减弱，输出信号变得很小，零。由于两路光同时减弱，输出信号变得很小，系统反应迟缓，因此在透过率较低时，测量精度系统反应迟缓，因此在透过率较低时，测量精度明显下降。明显下降。 红外技术及应用红外技术及应用942.2.双光束电比率平衡法双光束电比率平衡法 红外技术及应用红外技术及应用95 红外技术及应用红外技术及应用96优缺点：优缺点： 光路中不需要放置减光器，可以省去减光器的加光路中不需要放置减光器，可以省去减光器的加工和制造。工和制造。 在样品透射

54、率变化时，参考光路的光强不受影响，在样品透射率变化时，参考光路的光强不受影响，在透射率在透射率0 0100%100%全程范围内都有相同的测量精度。全程范围内都有相同的测量精度。 电比率平衡法的透射率测量精度，主要决定于放电比率平衡法的透射率测量精度，主要决定于放大器的线性精度，如果将模拟信号经过高位数的大器的线性精度，如果将模拟信号经过高位数的A/DA/D转换器后，测量精度一般可达转换器后，测量精度一般可达0.1%0.1%以下。以下。 红外技术及应用红外技术及应用97光源光源单色器单色器单色器单色器检测器检测器切切光光器器狭狭缝缝吸吸收收池池（三）双光束双波长分光光度计（三）双光束双波长分光光

55、度计 红外技术及应用红外技术及应用98 既能扫描样品的吸收或透射光谱，又能记录样品既能扫描样品的吸收或透射光谱，又能记录样品反应的动力学过程反应的动力学过程. .双波长方式对于测量浑浊样品双波长方式对于测量浑浊样品( (如完整细胞的悬浮液如完整细胞的悬浮液) )和光吸收峰相互重叠的多和光吸收峰相互重叠的多组分样品特别有利，比通常的单波长分光光度测组分样品特别有利，比通常的单波长分光光度测定更灵敏更有选择性。由于双波长定更灵敏更有选择性。由于双波长/ /双光束分光光双光束分光光度计具有这些优良的功能，它在生物学，医学和度计具有这些优良的功能，它在生物学，医学和化学的广泛领域中得到应用。化学的广泛

56、领域中得到应用。 红外技术及应用红外技术及应用99通常在实验室工作中，验收新仪器或实验室通常在实验室工作中，验收新仪器或实验室使用过一段时间后都要进行波长校正和吸光度校使用过一段时间后都要进行波长校正和吸光度校正。正。采用下述的较为简便和实用的方法来进行校采用下述的较为简便和实用的方法来进行校正：镨铷玻璃或钬玻璃都有若干特征的吸收峰，正：镨铷玻璃或钬玻璃都有若干特征的吸收峰，可用来校正分光光度计的波长标尺，前者用于可可用来校正分光光度计的波长标尺，前者用于可见光区，后者则对紫外和可见光区都适用。也可见光区，后者则对紫外和可见光区都适用。也可用标准溶液来校正吸光度标度。用标准溶液来校正吸光度标度

57、。五、分光光度计的校正五、分光光度计的校正 红外技术及应用红外技术及应用100TJ270-30（A）型双光）型双光束红外分光光度计束红外分光光度计 红外技术及应用红外技术及应用101 红外技术及应用红外技术及应用102 红外技术及应用红外技术及应用1036.10 傅立叶变换红外光谱仪 红外技术及应用红外技术及应用104一、概述一、概述 红外光谱仪的红外光谱仪的用途用途：用来鉴别化合物和确定物质分子结构，：用来鉴别化合物和确定物质分子结构，对单一组分或混合物中各组分也可以进行定量分析，尤其对单一组分或混合物中各组分也可以进行定量分析，尤其对一些较难分离并在紫外、可见区找不到明显特征峰的样对一些较

58、难分离并在紫外、可见区找不到明显特征峰的样品也可以方便、迅速地完成定量分析。品也可以方便、迅速地完成定量分析。 与红外色谱联用与红外色谱联用可以进行多组分样品的分离和定性。可以进行多组分样品的分离和定性。 与拉曼光谱联用与拉曼光谱联用可得到红外光谱弱吸收的信息。可得到红外光谱弱吸收的信息。 第一代红外光谱仪第一代红外光谱仪以棱镜为色散元件以棱镜为色散元件 第二代红外光谱仪第二代红外光谱仪以光栅为色散元件以光栅为色散元件 傅立叶变换红外光谱仪（傅立叶变换红外光谱仪（第三代红外光谱仪第三代红外光谱仪），无分光系），无分光系统，一次扫描可得到全谱统，一次扫描可得到全谱 红外技术及应用红外技术及应用1

59、05二、工作原理二、工作原理 由固定平面镜、分光器和可调平面镜组成傅立叶变换红外由固定平面镜、分光器和可调平面镜组成傅立叶变换红外光谱仪的核心部件迈克尔逊干涉仪光谱仪的核心部件迈克尔逊干涉仪 迈克尔逊干涉仪的作用是将复色光变为干涉光。中红外干迈克尔逊干涉仪的作用是将复色光变为干涉光。中红外干 涉仪中的分束器主要是由溴化钾材料制成的。涉仪中的分束器主要是由溴化钾材料制成的。 由光源发出的红外光经过固定凹面镜后，由分光器分为两由光源发出的红外光经过固定凹面镜后，由分光器分为两束：束：5050的光投射到可调平面镜，另外的光投射到可调平面镜，另外5050的光反射到固的光反射到固定平面镜。可调平面镜移动

60、至两束光光程差为半波长的偶定平面镜。可调平面镜移动至两束光光程差为半波长的偶数倍时，这两束光发生相长干涉，干涉图由红外检测器获数倍时，这两束光发生相长干涉，干涉图由红外检测器获得，经过计算机傅立叶变换处理后得到红外光谱图。得，经过计算机傅立叶变换处理后得到红外光谱图。 红外技术及应用红外技术及应用106利用光的相干性原理而设计的干涉型红外分光光度仪。利用光的相干性原理而设计的干涉型红外分光光度仪。仪器组成为：仪器组成为：红外光源红外光源摆动的摆动的凹面镜凹面镜摆动的摆动的凹面镜凹面镜迈克尔逊迈克尔逊干扰仪干扰仪检测器检测器样品池样品池参比池参比池同步摆动同步摆动干涉图谱干涉图谱计算机计算机解析