whx衰减全反射――傅里叶变换红外光谱技术的 发展及应用

1、第20卷武夷科学V o l . 202004年12月WU Y I SC IEN CE JOU RNAL D ec . 2004文章编号:1001242762(2004 0120192203衰减全反射傅里叶变换红外光谱技术的 , , 张福娣, 福建福州, 350002摘要:本文介绍了衰减全反射傅里叶变换红外光谱技术的发展概况、基本理论、技术特点、新型附件及其应用。关键词:傅里叶变换红外光谱; 衰减全反射; OM N I 采样器中图分类号:O 657. 33文献标识码:A红外光谱是化合物结构定性分析的主要手段之一, 其常规分析方法很多, 有压片法、涂膜法、漫反射法等。但对一些特殊样品, 如难溶、难

2、熔、难粉碎等的试样(如合成树脂、橡胶、塑料、纤维、珍珠、翡翠、织物、胶囊等 就很难直接测得红外光谱。采用衰减全反射(A TR 分析就可以方便地克服这些困难。该方法应用范围广泛、制样简单、无需前处理、不破坏样品就可以直接进行红外分析, 所测得的红外光谱与透射光谱的谱带位置、形状完全一致, 不存在干涉条纹, 特征谱带清晰1。1衰减全反射傅里叶变换红外光谱(A TR -FT I R 技术发展概况20世纪60年代初出现了衰减全反射红外附件, 但由于受色散型红外光谱仪性能限制, A TR 技术应用研究领域不甚广泛。80年代初将显微技术应用到傅里叶变换红外光谱仪, 诞生了A TR -FT I R 仪, 它

3、使微区成分的分析变得方便而快捷, 检测灵敏度可达数纳克(ng , 测量显微区直径达数微米。近年来, 随着计算机技术的发展, 实现了非均匀、表面凹凸、弯曲样品的微区无损测定, 可以获得官能团和化合物在微分空间分布的红外光谱图像。2衰减全反射(A TR 谱的基本理论衰减全反射原理可以简单地概括为:当入射角大于临界角时, 入射光在透入光疏介质(样品 一定深度后, 会折回射入全反射晶体中。进入样品的光, 在样品有吸收的频率范围内光线会被样品吸收而强度衰减, 在样品无吸收的频率范围内光线被全部反射。A TR 光谱就是置于晶体上样品的红外光谱, 反映出来的是光线经过的那部分样品的化学键分子运动特征, 亦即

4、表面收稿日期:2004-04-30作者简介:蔡碧琼(1977- 女, 助理实验师, 大学本科, 研究方向:红外光谱仪器分析技术的研究与应用第20卷蔡碧琼:衰减全反射傅里叶变换红外光谱技术的发展及应用193或界面的化学特征。A TR 光谱强度取决于有效穿透强度、反射次数和样品与反射晶体的紧密贴合程度以及样品本身吸收的大小。而有效穿透强度取决于三个因素:(1 光波波长(2 反射晶2体与样品的折射率比(n 1 n 2 (3 入射角。影响样品与反射晶体接触程度的主要因素是样品与晶体间的压力。A TR 技术主要用于研究有机化合物的红外光谱, 而大多数有机物的折射率小于1. 5。因此, 根据发生全反射条件

5、(n 1>n 2 要求, 要获得A TR 谱需使用折射率大于1. 5体。常用的A TR 晶体材料有Ge 、, 已少用。ZnSe 和KR S -5KR S -33. 1而是通过样品表面的反射信号获得样品表层有机成分:(1 非破坏性分析方法, 能够保持样品原貌进行测定。常用的KB r 压片法, 对样品研磨或挤压可能改变样品的微观状态。(2 对样品的大小、形状没有特殊要求, 甚至可测极微小物如纤维、毛发等。(3 可测定含有水和潮湿样品。(4 红外辐射通过穿透样品与样品发生相互作用而产生吸收, 因此, A TR 谱具有透射吸收谱的特性和形状, 因红外光谱数据库中多以透射谱形状出现, A TR 谱

6、的这一特性使它便于与透射谱比较。但由于不同波数区间A TR 技术灵敏度不同, 因此, A TR 谱吸收峰相对强度与透射谱相比并不完全一致。(5 操作简便、自动化程度高, 可用计算机进行选点、定位、聚集、测定。3. 2衰减全反射傅里叶变换红外光谱的应用3-8由于衰减全反射的上述特点, 使许多采用常规透射红外光谱技术无法得到的检测结果得以实现。因此, A TR 分析广泛应用于塑料、纺织、橡胶、涂料、医药、生物、农林业、环境等领域的检测与分析。近年来, A T -FT I R 光谱技术在物质的物理或化学行为的研究应用, 国内外已有不少报导3-8。N . D up uy 等3对固态脂肪样品采用衰减全反

7、射中红外光谱(A TR 分析, 根据不饱和脂肪酸含量的不同, 将黄油和菜油区分开来; N iu 等4利用A TR 技术研究了硅氧烷对阴离子表面活性剂二辛基硫化琥珀酸钠(SDO SS 在乳化过程中渗出物在膜空气和膜一体界面的分配量的影响; T such ida H 等5用高灵敏度A TR FT I R 光谱技术对Si C 表面的化学状态研究; 诸培奋等6利用A TR -OM N I 采样器直接对防紫外线伞面内外进行衰减全反射分析, 结果表明不同品牌伞的里层均为尼龙-6, 外面涂层均为聚氨脂。陶巧凤等1在药用塑料红外光谱定性分析中, 采用OM N I 采样器A TR 技术、溶液成膜和热压膜法三种不

8、同方法, 结果表明, 三种不同方法所测得的红外光谱基本一致。钱浩等7用衰减全反射傅里叶变换红外光谱8技术定量测定PEG PE 共混物的表面组成。姚杰等用红外A TR -OM N I 采样器研究了麦秸各层面红外光谱的差异, 并进一步研究了麦草表面在不同的处理条件下, 表面化学成分的变化规律。上述等都是很成功的实例。3. 3新型的衰减全反射附件-OM N I 采样器在红外分析领域, 新近推出的多功能采样器OM N I (图1 , 既方便又快捷地获取样品各层面的红外光谱, 它的设计是利用衰减全反射原理。它用一个金属探头将任意形状样品以点接触的方式紧紧地压在Ge 晶体(Ge 是一种很好的A TR 晶体

9、材料, 它的折射率(n =4. 0 远远大于有机物的折射率 上进行红外分析, 用一扭矩扳手来控制样品和晶体间的压力, 能自动控制压力使样品与晶体最大程度地接触, 以避免损坏Ge 晶体。OM N I 采样器的出现, 使A TR -FT I R 光谱技术得到了更广泛的应用, 尤其为材料科学、194武夷科学第20卷生物工程、医药业的发展提供了有实用价值的信息, 但在使用OM N I 采样器过程中必须注意以下几点:(1 样品与Ge 晶体间必须紧密接触, 不留缝隙。否则红外光射到空气层就(2 对于热、发生衰减全反射, 不进入样品层。烫、冰冷、强腐蚀性的样品不能直接置于晶体上进行测定, 以免Ge 晶体裂痕

10、和腐蚀。(3尖、硬且表面粗糙的样品不适合用OM N I 采样器采样, 因为这些样品极易刮伤晶片, 甚至使其碎裂。(4 OM N I 采样器是单点采样, 采样信息很弱, 时常还带有CO 2和2O 干扰, N ico let 和H 2O , , 、化学、医学、生物、食品、环保等许多领域, 但其中大部分属于透射光谱, 其制样及检测方法对于厚度在微米或纳米级的表面及界面分析已不再适用。而A TR -FT I R 光谱技术的发展和完善, 为解决上述难题提供了实用手段, 尤其是对一些用常规红外光谱分析方法很难或无法解决的问题更显示出它的优越性。A TR -图1OM N I 采样器(N ico let 公司

11、无需前处理、FT I R 光谱技术具有操作简便、不破坏样品原貌、不限制样品大小及形状等优点, 是近年来国内外广大研究工作者所追求的测试技术, 它扩展了红外光谱的应用领域。参考文献1陶巧凤等. 药用塑料瓶的红外光谱定性分析J . 中国药品标准, 2003, 4(4 :62-64.2陆水玉等. 表面及界面分析的一种有效手段J . 知识经纬. 科学, 1995, 47(3 :57-58.3D upuy N , D uponehel L . C lassificati on of Edib le Fats and O ils by PCA of FT I R J . Food chem istry ,

12、1996, 57(2 :245-251.4N iu B -J U rban , Jou rnalM W J . of A pp lied Po lym er Science , 1998, 70(v 70n 7N 7 :1321.5T such ida H , Kam ata 1, etc . FT I R -A TR analysis of Si C (0001over bar and Si C (0001 su rfaces J . M aterials Science fo rum , 1998, 264(1 :351-354.6诸培奋等. 防紫外线伞A TR -OM N I 采样器的F

13、T I R 分析J . 光谱实验室, 2002, 19(2 :198-200.7钱浩等. 用衰减全反射傅里叶变换红外光谱定量测定PEG PE 共混物的表面组成J . 光谱学与光谱分析, 2003, 23(4 :708-713.8姚杰等. 用红外光谱法研究麦秸各层面的化学组成J . 光谱学与光谱分析, 2003, 23(1 :58-61.AD VANCES AND APPL I CAT I ON IN TECHNOLOG Y OFATTENUATED T OTAL REFL ECTANCE FT IR SPECTROSCOPYCA I B i 2qi ong , CA I X iang 2yang , ZHAN G Fu 2di(Colleg e of L if e S cience , F uj ian A g ricu ltu re and F orestry U n iversity , F uz hou 350002Ch ina Abstract :T h is p ap er illu strates the advance and app licati on general situati on of A ttenuated To tal R