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1. 紅外光譜采樣技術(shù)的選擇

2. 液體樣品測試

3. 液體池光程的測量

4. 薄膜厚度的測定

5. ATR技術(shù)

6. 晶體材料的選擇

7.  偏振片（極化器）

 

1. 紅外光譜采樣技術(shù)的選擇

我們在紅外光譜儀的使用過程中，會遇到各種各樣的樣品，也會遇到不同的采樣要求，有的需要在變溫條件下采集數(shù)據(jù)，有的需要在高溫高壓下采集數(shù)據(jù)。不同的要求采用不同的數(shù)據(jù)采集方法。下表列出各種條件下對應(yīng)的采樣附件。歡迎用戶來電或電子郵件咨詢有關(guān)紅外采樣方面的問題，我們會給予圓滿的答復(fù)。

表一 透射技術(shù)，不同樣品狀態(tài)、不同采樣條件方法選擇和附件選擇

 

表二 反射技術(shù)，不同樣品狀態(tài)、不同采樣條件方法選擇和附件選擇

 

詳細(xì)細(xì)節(jié)，請點擊“紅外采樣技術(shù)選擇”。

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2. 液體樣品測試

液體樣品是我們紅外測試中最常見的樣品，定性或定量分析樣品中的成分。液體樣品測試方法有：

• 液體涂膜法，直接將液體樣品涂在鹽片上測試。該方法僅適合于定性分析；也可以將液體樣品涂在其中一片鹽片上，將另一個鹽片壓上去，測試。該方法適合于易揮發(fā)的液體樣品；

• 液體池法，將液體樣品用注射器注入液體池測試。該方法適合于定性定量分析；

• ATR法，將液體樣品直接滴在ATR晶體表面，用ATR技術(shù)測試。該方法適合于定性、半定量分析。

對于吸收光譜來說，吸光度符合比爾定律：

      A=a×b×c

    其中：A，樣品的吸光度

          a，樣品吸收系數(shù)

          b，樣品厚度，即光程，紅外光穿透樣品的長度

          c，樣品濃度

比爾定律說明樣品的吸光度與樣品濃度成正比（光程固定、樣品吸收系數(shù)為常數(shù)）。

紅外中透光率和吸光度之間的關(guān)系滿足下列公式：

        A=-lg(T)  

     其中： A，樣品的吸光度

            T，透光率（%）

在現(xiàn)代紅外光譜儀上，樣品的透射光譜和吸收光譜室很容易轉(zhuǎn)換的，只需按一下按鈕即可實現(xiàn)。

液體池光程的測量

液體池光程的選擇一般按照下面的規(guī)則選擇：

•  樣品濃度>10%， 采用0.05mm（50um）的光程

•  樣品濃度10%~1%，采用0.1mm（100um）的光程

•  樣品濃度1%~0.1%，采用0.2mm（200um）的光程

•  樣品濃度<0.1%， 采用>0.5mm（500um）的光程

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3. 液體池光程的測量

液體池的光程可以通過紅外光譜透射譜的衍射圖來計算液體池的光程，計算公式如下：

               L(mm)=10×N/[2×(W1-W2)]

       這里，L，液體池的光程，mm

                 N，波數(shù)區(qū)間內(nèi)的衍射峰個數(shù)

                 W1，波數(shù)的起始值

                 W2，波數(shù)的終點值

例如下圖中，N=10, W1=3640, W2=1370, 液體池的光程=10×10/[2×(3640-1370)]=0.022mm=22um

液體池的衍射圖

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4. 薄膜厚度的測定

在測試中遇到很多需要用紅外光譜測定薄膜厚度（鋁膜、塑料薄膜），那么薄膜的厚度計算必須加上薄膜的折光率。

                            L(mm)=10×N/[2×n×(W1-W2)]

       這里，L，液體池的光程，mm

                 N，波數(shù)區(qū)間內(nèi)的衍射峰個數(shù)

                 W1，波數(shù)的起始值

                 W2，波數(shù)的終點值

                 n，薄膜的折光率

空氣的絕對折光指數(shù)為1.00029，因此我們在計算液體池光程時沒有將空氣折光率考慮進去。但鋁膜、塑料薄膜，他們的折光指數(shù)不是1，我們必須考慮。

聚丙烯的紅外譜圖（透射圖）

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5. ATR技術(shù)

ATR(衰減全反射技術(shù))是紅外光譜發(fā)展較快的一個技術(shù)，也是目前最廣泛采樣技術(shù)，可以進行定性或定量測試，而基本不用樣品制備，這樣可以大大加快測試速度、提高測試效率，從多次反射ATR到單次反射的ATR、從常溫測試到變溫測試（最高溫度可達(dá)300℃）、從常壓技術(shù)到高壓超臨界技術(shù)。

透射光譜與ATR的區(qū)別在于：透射光譜中光束是穿透整個樣品，樣品厚度大的話紅外光有可能不能穿透樣品，因此對于透射譜來說，樣品必須稀釋在紅外透明的鹽中，即固體樣品必須先進行壓片，而且光束的有效光程是由樣品的厚度以及光束的方向決定的。而ATR測試很簡單，只需將樣品放在ATR晶體上，加壓便能獲得完美的譜圖。

我們以單次反射的ATR來說明ATR是如何工作的：當(dāng)紅外光束進入折光指數(shù)較高的晶體中紅外光束從晶體表面反射回來，但同時在樣品中有一個衰減波區(qū)域，這部分紅外光束有部分被樣品吸收而反射出來到達(dá)檢測器獲得樣品紅外光譜的信息。

ATR譜圖的影響因素：

•     1. ATR晶體和樣品的折光指數(shù)；

•     2. 紅外光的入射角；

•     3. 紅外光進入樣品的深度；

•     4. 紅外光的波長；

•     5. 反射次數(shù)；

•     6. 樣品與晶體接觸的程度。

紅外光侵入樣品的深度與樣品的折射率n2、晶體的折射率n1、入射角θ、以及紅外波長λ 有關(guān)，見下面的公式：

有關(guān)ATR的理論知識，可以參閱：ATR是如何工作的？

另外樣品與晶體的接觸是至關(guān)重要的，它直接影響ATR譜圖的質(zhì)量；對于液體樣品來說，樣品與晶體的接觸沒有任何問題，但是對于固體樣品來說，固體樣品與晶體接觸的緊密程度越高，信號就越強。這樣ATR可以做透射譜根本無法做的樣品，下圖是黑色電纜的ATR譜圖：

壓力對測試的重復(fù)性的影響如下：

 

壓力對測試靈敏度的影響如下：

ATR附件有很多，比較著名的是Specac的Golden Gate ATR，目前沒有比Golden Gate性能更好的ATR問世。Specac的ATR附件有：

   

 

 

世界上著名的ATR，采用金剛石晶體，ZnSe或KRS-5晶體作為透光鏡的ATR附件，適合于除了氣體以外的所有樣品，包括：顆粒樣品、粉末樣品、液體、腐蝕性液體。

工作臺面較大，操作也非常方便。

 

 

 

高溫ATR，將復(fù)雜的變溫實驗變得異常簡單，既不需要對樣品壓片，也不需要專門的變溫池。高溫ATR的最高溫度可達(dá)300℃，具有升溫速率快、溫度穩(wěn)定等優(yōu)點。

適合于：聚合物的變溫實驗或其他材料的變溫實驗；
 

 

低溫ATR是高溫ATR的補充，溫度范圍可以從液氮溫度（-190℃）~80℃，具有降溫速度快、連續(xù)升溫、溫度控制準(zhǔn)確。ATR晶體在低溫下可以自動準(zhǔn)直，溫度下降后不需專門準(zhǔn)直。

 

 

 

 

這是一款研究超臨界流體的理想ATR附件，集高溫高壓于一身，該附件的最高溫度可達(dá)300℃、最高壓力可達(dá)5000psi(340大氣壓)，是超臨界流體理想的在線研究工具。也可以研究在超臨界流體中聚合物的變化。

 

高溫高壓ATR反應(yīng)池，還帶有攪拌裝置，這是一款領(lǐng)先的在線監(jiān)測反應(yīng)池。該附件的最高溫度可達(dá)200℃，最高壓力可達(dá)3000psi(200大氣壓)。反應(yīng)池的體積也不小，達(dá)到28ml，還可以配置流動模式。

 

 

Silver Gate ATR是一款通用型ATR附件，該ATR采用Ge或ZnSe作為晶體，可以快速分析固體、液體、糊狀物質(zhì)，不需樣品處理。具有如下特點：

  1. 光通量高，高達(dá)55%；

  2. 從Golden Gate轉(zhuǎn)移過來的橋式樣品壓制系統(tǒng)可以快速分析樣品、數(shù)據(jù)重復(fù)性好；

  3. 平板晶體用于分析固體和粉末樣品，槽式晶體用于分析液體或糊狀物質(zhì)。

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6. 晶體材料的選擇

晶體的選擇，要考慮以下因素：

•         第一要素：波段范圍；

•         第二要素：樣品對窗片的腐蝕性；

•         第三要素：透光率。在前面兩個要素的基礎(chǔ)上，透光率越高越好。

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7. 偏振片（極化器）

偏振光有多種方法獲得，消光率（消光系數(shù)）取決于偏振方法和波長。目前偏振片的方法包括：光顯影技術(shù)、全息攝影技術(shù)、刻劃光柵、自支撐的金屬絲格柵、雙折射方法、二向色玻璃、電介質(zhì)涂層以及布魯斯特角板。

偏振片對于分析取向樣品或薄膜是一個很有效的工具。光具有波粒二像性，對于普通的光，沿著Z軸的光傳播的光被認(rèn)為是X軸和Y軸的矢量和，X軸和Y軸的幅度大小是一樣的。而偏振光，也是X軸和Y軸的矢量和，但是X軸和Y軸的幅度值不一樣；例如Y軸組分接近于0，認(rèn)為是完全變成X軸的偏振光。偏振片就是這樣一種設(shè)備，將非偏振光變成兩組互相垂直的光，其中一個偏振組分的光透射，而另一個偏振組分的光被反射、被限制或者被吸收。偏振片的最重要特征是透光率、極化率以及耐久性。透光率和極化率可以用K1和K2兩個參數(shù)來描述。

K1=與格柵方向垂直的入射光的透射率；

K2=與格柵方向平行的入射光的透射率。

對于一個理想的偏振片（極化器）來說，K1=1，K2=0。

偏振率（極化率）=（K1-K2）/（K1+K2）；

消光系數(shù)=K1/2K2。

 

Specac制造的偏振部件是使用了上述方法中的一部分，偏振片的波段范圍從真空紫外至遠(yuǎn)紅外。

理論上，當(dāng)格柵間隔（d）/波長（λ）<<1時所有的格柵偏振片都是有效的偏振片；但是實際上當(dāng)d/λ<0.5時測試值和理論值即比較接近。偏振效率也依賴于金屬的電導(dǎo)率、電導(dǎo)率越高，偏振效率也越高。

 

Specac的偏振片（極化器）有如下特點：

       消光系數(shù)高；

       可以提供成像的偏振片；

       全系偏振片的格柵數(shù)達(dá)到4000線/mm。

SPECAC中紅外、近紅外、遠(yuǎn)紅外偏振片波段范圍、透光率