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傅立叶红外光谱的发展历史(傅里叶红外光谱法原理)

承天示优官方账号 2023-03-20 资讯 754 views 0

又到了我们给大家分享有关傅立叶红外光谱的发展历史的时候了,同时我们也会对与之对应的傅里叶红外光谱法原理进行一样的解释哦,希望小伙伴们可以仔细的阅读,如果能对你们正好有所帮助,记得支持一下本站哦。

本文目录一览:

远红外线的发展历史

研究红外辐射的产生、传播、转化、测量及其应用的技术科学。

任何物体的红外辐射包括介于可见光与微波之间的电磁波段。

通常人们又把红外辐射称为红外光、红外线。

实际上其波段是指其波长约在0.75微米到1000微米的电磁波。

通常人们将其划分为近、中、远红外三部分。

近红外指波长为0.75~3.0微米;中红外指波长为3.0~20微米;远红外则指波长为20~1000微米。

在光谱学中,波段的划分方法尚不统一,也有人将0.75~3.0微米、3.0~40微米和40~1000微米作为近红外、中红外和远红外波段。

另外,由于大气对红外辐射的吸收,只留下三个重要的"窗口"区,即1~3微米、3~5微米和8~13微米可让红外辐射通过,因而在军事应用上,又分别将这三个波段称为近红外、中红外和远红外。

8~13微米还称为热波段。

红外技术的内容包含四个主要部分:1.红外辐射的性质,其中有受热物体所发射的辐射在光谱、强度和方向的分布;辐射在媒质中的传播特性--反射、折射、衍射和散射;热电效应和光电效应等。

2.红外元件、部件的研制,包括辐射源、微型制冷器、红外窗口材料和滤光电等。

3.把各种红外元、部件构成系统的光学、电子学和精密机械。

4.红外技术在军事上和国民经济中的应用。

由此可见,红外技术的研究涉及的范围相当广泛,既有目标的红外辐射特性,背景特性,又有红外元、部件及系统;既有材料问题,又有应用问题。

[相关技术]探测技术;精确制导技术;光电子技术;先进材料技术

[技术难点]

红外技术的发展关键在于红外材料的研制、红外设备的制冷、红外设备向更长波段发展、红外焦平面阵列器件的研制和红外设备与数据处理设备的结合等。

[国外概况]

自从1800年英国天文学家F?W?赫歇尔发现红外辐射至今,红外技术的发展经历了将近两个世纪。

从那时开始,红外辐射和红外元件、部件的科学研究逐步发展,但发展比较缓慢,直到1940年前后才真正出现现代的红外技术。

当时,德国研制成硫化铅和几种红外透射材料,利用这些元、部件制成一些军用红外系统,如高射炮用导向仪、海岸用船舶侦察仪、船舶探测和跟踪系统,机载轰炸机探测仪和火控系统等等。

其中有些达到实验室试验阶段,有些已小批量生产,但都未来得及实际使用。

此后,美国、英国、前苏联等国竞相发展。

特别是美国,大力研究红外技术在军事方面的应用。

目前,美国将红外技术应用于单兵装备、装甲车辆、航空和航天的侦察监视、预警、跟踪以及武器制导等各个领域。

红外技术发展的先导是红外探测器的发展。

1800年,F?W?赫歇尔发现红外辐射时使用的是水银温度计,这是最原始的热敏型红外探测器。

1830年以后,相继研制出温差电偶的热敏探测器、测辐射热计等。

在1940年以前,研制成的红外探测器主要是热敏型探测器。

19世纪,科学家们使用热敏型红外探测器,认识了红外辐射的特性及其规律,证明了红外线与可见光具有相同的物理性质,遵守相同的规律。

它们都是电磁波之一,具有波动性,其传播速度都是光速、波长是它们的特征参数并可以测量。

20世纪初开始,测量了大量的有机物质和无机物质的吸收、发射和反射光谱,证明了红外技术在物质分析中的价值。

30年代,首次出现红外光谱代,以后,它发展成在物质分析中不可缺少的仪器。

40年代初,光电型红外探测器问世,以硫化铅红外探测器为代表的这类探测器,其性能优良、结构牢靠。

50年代,半导体物理学的迅速发展,使光电型红外探测器得到新的推动。

到60年初期,对于1~3、3~5和8~13微米三个重要的大气窗口都有了性能优良的红外探测器。

在同一时期内,固体物理、光学、电子学、精密机械和微型致冷器等方面的发展,使红外技术在军、民两用方面都得到了广泛的应用。

从60年代中叶起,红外探测器和系统的发展体现了红外技术的现状及发展方向。

1.在1~14微米范围内的探测器已从单元发展到多元,从多元发展到焦平面阵列。

红外探测器最早是用单元探测器,为了提高灵敏度和分辨率,后来发展为多元线列探测器。

多元线列探测器先后扫过(串扫)同一目标时,它输出的信噪比可比单元探测器高n(开平方)倍,n为元数。

如果多元线列探测器平行扫过(平扫)目标时,则可获得目标辐射的一维分布。

以线列探测器为基础的红外探测系统,大都安装在飞机或卫星遥感平台上,平台的前进运动垂直于线列作为第二维时,就可得到目标辐射的分布图像。

现在,红外探测器已从多元发展到焦平面阵列,相应的系统已实现了从点探测到目标热成像的飞跃。

红外热成像仪是一种最有发展前途的设备,代表着夜视器材的发展方向,它用焦平面阵列取代了光机扫描结构。

目前,长波碲镉汞(HgCdTe)探测器面阵已达640״80元,焦平面阵列探测器的实验室水平已达256ײ56元,预计到2000年可达到百万元。

2.红外探测器的工作波段从近红外扩展到远红外。

早期的红外探测器通常工作在近红外。

随着红外技术的发展,红外探测器的工作波段已扩展到中红外和远红外,例如,美国国防高级研究计划局提出了一项超波谱地雷探测计划,目的是为了提供一种安全有效地探测地雷的方法。

该计划采用空间调制成像傅里叶变换光谱仪,这是一种红外传感器,它已在直升机上进行了近、中波段的试验,下一步计划把工作波段延伸到远红外。

远红外已经成为科学家们关注的重点。

3.轻小型化。

非致冷、集成式、大面阵红外探测器方向发展。

采用低温制冷技术,是为了提高红外探测器件的灵敏度和输出信号的信噪比,使其具有良好的性能,但它也使红外探测器体积大、成本高。

为了实现小型化,必须减少制冷设备和相关电源,因此,高效小型制冷器和无需制冷的红外探测器将是今后的发展方向。

如采用非致冷工作的红外焦平面阵列技术,不仅可使系统成本降低2个数量级,而且可以使体积、重量和功耗也将大大减少。

此外,利用材料电子计算机和微电子方面的最新技术,可使红外探测器与具有一定数据处理能力的数据处理设备相结合,使其轻集成化、大面阵、焦平面化方向发展,以提高其性能,实现对室温目标的探测。

4.红外探测系统从单波段向多波段发展。

正如前面所述:在大气环境中,目标的红外辐射只能在1~3、3~5和8~13微米三个大气窗口内才能有效地传输。

如果一个红外探测系统能在两个或多个波段上获取目标信息,那么这个系统就可更精确、更可靠地获取更多的目标信息,提高对目标的探测效果,降低预警系统的虚警概率,提高系统的搜索和跟踪性能,适用更多的应用需求,更好地满足各军兵种的需要。

目前,多波段的红外探测系统已经研制成功,如法国和瑞典联合研制的"博纳斯"末敏子弹药,就采用了多波段红外探测系统探测目标。

在红外技术的发展中,需要特别指出的是:60年代激光的出现极大地影响了红外技术的发展,很多重要的激光器件都在红外波段,其相干性便于移用电子技术中的外差接收技术,使雷达和通信都可以在红外波段实现,并可获得更高的分辨率和更大的信息容量。

在此之前,红外技术仅仅能探测非相干红外辐射,外差接收技术用于红外探测,使探测性能比功率探测高好几个数量级。

另外,由于这类应用的需要,促使出现新的探测器件。

为什么说傅里叶光谱在红外区有统治地位?

红外光谱技术的最新进展是傅里叶变换红外光谱(FTIR)技术。

FTIR在信噪比、分辨率、速度和探测极限上具有很多优势。在红外研究领域,FTIR方法几乎完全取代了光栅分光法。

傅里叶变换光谱仪可以理解为以某种数学方式对光谱信息进行编码的摄谱仪,它能同时测量、记录所有谱元的信号,并以更高的效率采集来自光源的辐射能量,从而使它具有比传统光谱仪高得多的分辨率和信噪比;同时它的数字化的光谱数据,也便于计算机处理。正是这些基本优点,使傅里叶变换红外光谱方法发展成为目前中、远红外波段中最有力的光谱工具。

FTIR的优点

1. 多通道(Fellgett优点)

在色散型仪器中,由于检测器只能响应入射光强度的变化,不能响应入射光频率。因此,在测量时,需把入射的复色光用单色器色散为不同频率的分辨单元。为了检测这些相对纯化的光,就需要用光阑窄缝滤掉绝大部分色散后的单色光,仅让某一频率单色光通过。为了能测定全光谱,只好顺序多次测定色散后不同频率的单色光。

对于FTIR光谱仪,入射光被干涉仪调制成声频波,不同频率的光被调制成不同的值,所用探测器既获得强度信息,又获得频率信息。各种频率光同时落到探测器上,无需分光测量。这样色散仪器每次仅测量全光谱很小的一部分,而FTIR却测了全部光谱。如在 波段范围内,用 分辨率进行测量,则测量所需分辨单元数 。用色散光谱仪在T时间内对 波段测量时,每个分辨单元所需的测定时间为 。与此相应,FTIR则为T。由于随机噪声引起的信噪比 与测量时间成正比,所以FTIR比色散型光谱仪信噪比高的多,并且分辨率越高, 提高越大。在0.1cm-1分辨率时, 提高近190倍。显然多通道的优点使FTIR的信噪比增加,伴随而来的是检测灵敏度大幅提高。

2. 高光通量(Jacquinot优点)

在色散型仪器中,光路里设有狭缝式光阑,绝大部分光被它挡住,仅使极少部分光通过,并且分辨率越高,狭缝调得越窄,实际通过得光越少。加之光路中得许多光学元件也会损失光能,因而使色散型仪器光通量很小。FTIR光谱仪中除了有光能损失很少外,经常不设限光狭缝或其他限光元件。光可全部通过光孔,光通量很大。

光学系统的光通量Ω指通过它传送的光的总能量。光通量定义为光束的面积和立体角的乘积,即光阑面积和向准直镜孔径所张立体角的乘积,或者等效为准直光的面积和它的发散的立体角的乘积

在一些低分辨率的光谱仪中没有准直光阑,光源或探测器起着有效光阑的作用,限制了光通量的大小。

为了获得理想准直的光束(光束完美的平行),光阑必须无穷小,于是光通过量为零。光阑越大,光通量越大,而被准直的光束也越发散。然而,干涉仪中光束的发散度,或者它的光通量,是受到所要求的光谱分辨率限制的。因为对于一个给定的动镜位移,以不同的角度通过干涉仪的光线到达真正光轴有不同的光程差,它们对总干涉图信号的各自贡献将会模糊掉每个动镜位移的光程差。因此,分辨率要求越高,光发散要求越小。最佳的通过量与所研究的最高频率处的光谱分辨率是完全一致的。最大光通量定量地与光谱分辨率成比例

3. 高测量精度(Connes优点)

色散型仪器的精度受很多条件的限制。如校正谱图精度的校样纯度、机械部件移动以及人为的读书误差等,都使这类仪器测量精度难于提高。一般很难达到0.1cm-1精度。

FTIR光谱仪的光学结构简单,干涉仪只有一个动镜是运动部件,通常动镜是在无摩擦的空气轴承上移动,其运动又受高度稳定的He-Ne激光干涉系统监控,因此测量的重复性和准确度都很十分高。加之在FTIR系统中,使用了单色性极好的He-Ne激光干涉系统作为采样标尺,确保采样精度达到 0 .001cm-1。

4. 测量波段宽,全波段内分辨率一致

色散型光谱仪测量时,用色散法配以光阑狭缝取得单色光。但这些不同频率的单色光能量又不尽相同。为了保持所获得的能量近似不变,常常需要不断改变狭缝宽度,或用其他技术来调节光通量。这在技术上是很困难的。一种简化的办法是在中红外测量全波段光谱时,使用两种分辨率。色散型光谱仪无法在全波段范围内分辨率一致。

FTIR光谱仪以干涉法采集数据,以数字形式存储数据和运算,很容易做到分辨率一致。极宽的测量波段也是FTIR光谱仪特有的优点。它可用改换光源、分束器、探测器的办法,在同一台FTIR光谱仪上实现多波段测量。

近红外光谱的发展史

近红外光谱区是 Herschel 在 1800 年进行太阳光谱可见区红外部分能量测量中发现的,为了纪念 Herschel 的历史性发现人们将近红外谱区中介于 780~1100nm 的波段称为Herschel 谱区。

红外光谱分析技术作为一种有效的分析手段在二十世纪三十年代就得到了认可,当时红外仪器主要用于分子结构理论的研究。近红外区的光谱吸收带是有机物质中能量较高的化学键(主要是 CH、OH、NH)在中红外光谱区基频吸收的倍频、合频和差频吸收带叠加而成的。由于近红外谱区光谱的严重重叠性和不连续性,物质近红外光谱中的与成份含量相关的信息很难直接提取出来并给予合理的光谱解析。而有机物在中红外谱区的吸收带较多、谱带窄、吸收强度大及有显著的特征吸收性,传统的光谱学家和化学分析家习惯于在中红外基频吸收波段进行光谱解析,所以近红外谱区在很长一段时间内是被人忽视和遗忘的谱区。

随着红外仪器技术的发展,更加稳定的电源、信号放大器、更灵敏的光子探测器、微型计算机等的发展使得近红外光谱区作为一段独立的且有独特信息特征的谱区得到了重视和发展。Karl Norris 作为近红外光谱分析技术发展的奠基人,于二十世纪五十年代在美国农业部的支持下开始进行近红外光谱分析技术用于农产品(包括谷物、饲料、水果、蔬菜等)成份快速定量检测的探讨研究。Norris 的早期工作主要是探求合理的近红外光谱分析方法用于研究物质在近红外光照射下所体现出的光谱吸收特性和散射特性,他首先提出了多元线性回归(MLR)算法在物质成份近红外光谱定标模型建立和光谱信息提取解析方面所体现出的优势,这为后来系统的近红外光谱技术理论体系的形成起到了很重要的作用。二十世纪六十年代,Norris 领导的课题组进行了大量的光谱学方法论证,其中包括可见和近红外波段透射、反射及透反射等测量方法比较,在这一阶段的工作中最大的成果莫过于得到了植物叶子和谷物的反射吸收光谱,这为近红外光谱技术的发展提供了更大的优势和方便。与此同时,Norris 研制出世界上第一台近红外扫描光谱仪,这台光谱仪是在 Cary 14 单色仪的基础上改进得到的,拥有与微型计算机进行数据传输的功能,也就是在这台扫描光谱仪上,多元线性回归分析方法在提取与成份相关的光谱信息方面的优势得到了演示,这台仪器就成为了后来近红外光谱分析仪器发展的雏形。

谷物水份近红外分析仪的研制成功及大范围的推广使用是近红外分析技术发展的一个里程碑。水份在任何生物中都存在且有较大的比重,而且水份的近红外吸收光谱有很强的特征性、吸收强度很高,其倍频、合频吸收带相互分离、光谱分辨率高,所以近红外水份分析仪的分析性能较为稳定且精度很高,在近红外光谱分析仪器家族中最早得到了农业和工业界的认可。但是事物总有两面性,水份中 OH 的强吸收特征对于物质中其它成份的光谱分析及含量测定则形成了很强的干扰,如何排除水份吸收对各成份及其它各成份之间的相互干扰就成为近红外光谱分析技术中的一个关键问题被提了出来,相关光谱定标分析方法的提出有效地解决了这一问题。Shenk 、Hoove、McClure、Hamid在 Norris的领导下在七十年代设计完成了可以用于草料和烟草成份定量分析的近红外光谱分析仪器。

基于前人所总结的近红外光谱分析技术经验积累以及仪器研制技术的成熟,多家公司(如 Dickie-John、Bran Leubbe、Technicon)加入了近红外分析仪器商业化的队伍,其中Dickie-John 公司生产了世界上第一台商用滤光片型近红外光谱仪,Bran Leubbe 生产了世界上第一台商用光栅扫描型近红外光谱仪,1971全世界第一台商用近红外Neotec公司Grain Quality Analyzer进入市场,在整个农业领域的各个应用方面进行近红外分析技术的推广使用,使得该技术在农业应用领域进入了成熟期。1975Canadian Grain Commission 加拿大粮食委员会接受近红外方法作为测定小麦蛋白的官方方法.1984 美国公职分析家学会(AOAC) #989.03:NIR成为分析饲料中蛋白,酸性洗涤纤维,中性洗涤纤维的标准方法.近红外仪器技术和定标技术的发展过程中,诸多的疑难问题被一一解决,其中包括仪器自身的工作稳定性、待测样品的物理及化学特征对定标模型的影响、样品制备影响、环境因素(如温度、湿度、环境光照、振动等)等,这些问题通过大量的实验和应用讨论已经得到了比较满意的解释。1994定标新方法:人工神经网络技术-解决非线性.1995NIRSystems推出基于数字信号控制的全息光栅DDS系统.

在二十世纪八十年代前,虽然近红外分析仪器采用多元线性回归技术建立定标模型在农业应用领域得到了较为满意的结果,但是多回归变量如何能够在特定的组合下完成待测成分近红外光谱吸光度数据与参考化学数据之间的相关计算、各个光谱变量与待测成分之间有如何的特征关系、样品颗粒度及散射影响所导致的不稳定性等问题仍是急需得到合理解释的。长期以来,虽然近红外分析仪器的分析性能已经在农业领域得到了认可,对于研究者和用户双方都把近红外分析技术作为一个较为成型的“黑匣子”技术。直到多元统计变量方法(化学计量学)在八十年代得到了发展并将该方法引入到近红外光谱解析及定标技术中来,近红外分析技术才真正达到了定标理论与实践的统一,促进了该技术与化学计量学的并肩发展,所以八十年代被称为是“化学计量学的时代”。

在这一时期掀起了一个采用化学计量学用于数据预处理以实现近红外光谱解析和定标模型优化的高潮,其主要针对问题是样品颗粒度、装填密度等因素所导致的散射问题。Ian Cowe和 Jim McNicol首先将主成份回归分析方法用于近红外光谱的数据降维压缩处理以实现定标模型稳定,通过对回归主因子的优选达到了排除非测量因素(如颗粒度尺寸及分布)和非线性因素影响的目的,达到了很好的效果。同时令他们惊奇的是,稳定的定标模型所采用的主因子与待测成份的主要近红外光谱吸收带有很强的对应关系,对定标模型合理性可以给出满意的解释。

Kawalski 和他的研究生们则首先将偏最小二乘回归技术应用于光谱学技术中来,但直到最近几年该技术才在近红外分析技术中得到应用和推广。经过理论与实践的并行发展,化学计量学已经形成较为完整的体系,其中主要分为定性和定量分析两个模块,H.Mark 等对其进行了较为详细地论述。化学计量学这一时期在近红外领域的应用和探讨可以主要集中在以下几个方面:

1)非线性回归定标方法如人工神经网络、局部权重回归等用于多变量非线性定标模型的探讨。

2) 最优定标样品集的选定方法。

3) 基于小波变换数据压缩技术的大定标样品集探讨。

4) 偏最小二乘回归和其它因子回归方法在最佳因子数选取原则比较的探讨。

5) 定标波长通道的优选问题。

6) 同类型仪器的定标模型转移问题。

伴随着化学计量学技术在近红外光谱分析领域的不断发展,研究人员可以更加准确地掌握了近红外光谱吸光度信息与物质化学成分信息之间的线性相关性,虽然化学计量学方法本身的改进并没有在定量分析结果准确性方面有多大的改善。

近红外光谱分析仪器的性能随着光学技术、电子技术、硬件技术以及计算机和软件技术的不断进步也有了极大地改善,高信噪比的傅立叶变换型、光栅扫描型光谱分析仪研制成功并开始进入仪器市场,滤光片型近红外分析仪的研制则进入了成熟期并成为了近红外仪器中的主流产品。与此同时,近红外光谱分析技术在除农业以外的其他领域(如纺织业、化工业、制药业、造纸业等)也进入了实际应用阶段,尤其是在工业现场分析、在线质量监控等方面该技术显示了其独有的优势。进入九十年代,许多基于不同分光原理的新型近红外分析仪器如二极管列阵型、声光调制型、成像光谱型等出现了,这些仪器在快速现场实时测量方面有很好的发展潜力,是当代近红外光谱分析仪器发展的典型代表。

近红外光谱分析技术经过了近半个世纪的发展历程现已经成为新世纪里的最有应用前途的分析技术之一,许多国家现已建立了专门的科研力量进行相关应用领域仪器设备的研发,降低仪器成本且保持足够的分析性能成为当今近红外仪器研制的主导方向。欧洲的许多发达国家已经在多个领域内将该技术作为行业产品质量评定的标准技术,几乎完全替代了先前广泛使用的化学分析方法,在生产效率和产品质量方面得到了很好的效果。

中国在近红外光谱分析技术方面的研究起步较晚,八十年代后期长春光机与物理研究所承担了国家粮食局下达“八五”科技攻关项目,研制成功滤光片型饲料近红外分析仪,之后的十年里又相继开发出可以分析玉米、小麦、大豆等粮食作物的滤光片型近红外分析仪器,现阶段正在从事人参、人体血糖、煤炭、蜂蜜、茶叶等方面的研究和仪器开发工作。

与此同时,中国在石油化工领域开发出了光栅扫描型近红外分析仪用于石油成份的快速定量检测,取得了喜的成果。中国近红外光谱分析技术的研究也已经相对成熟,估计在未来几年内即可完成近红外分析仪器在各个领域的应用推广。

傅里叶红外光谱仪的介绍

产品简介傅里叶变换红外光谱仪(Fourier Transform Infrared Spectrometer,简写为FTIR Spectrometer),简称为傅里叶红外光谱仪。它不同于色散型红外分光的原理,是基于对干涉后的红外光进行傅里叶变换的原理而开发的红外光谱仪,主要由红外光源、光阑、干涉仪(分束器、动镜、定镜)、样品室、检测器以及各种红外反射镜、激光器、控制电路板和电源组成。可以对样品进行定性和定量分析,广泛应用于医药化工、地矿、石油、煤炭、环保、海关、宝石鉴定、刑侦鉴定等领域。

说明傅里叶红外光谱仪与色散型红外光谱仪的区别

红外光谱[1](infrared spectra),以波长或波数为横坐标以强度或其他随波长变化的性质为纵坐标所得到的反映红外射线与物质相互作用的谱图。按红外射线的波长范围,可粗略地分为近红外光谱(波段为0.8~2.5微米)、中红外光谱(2.5~25微米)和远红外光谱(25~1000微米)。对物质自发发射或受激发射的红外射线进行分光,可得到红外发射光谱,物质的红外发射光谱主要决定于物质的温度和化学组成;对被物质所吸收的红外射线进行分光,可得到红外吸收光谱。每种分子都有由其组成和结构决定的独有的红外吸收光谱,它是一种分子光谱。分子的红外吸收光谱属于带状光谱。原子也有红外发射和吸收光谱,但都是线状光谱。

量子场论或量子电动力学可以正确地描述和解释红外射线(一种电磁辐射)与物质的相互作用。若采用半经典的理论处理方法,即对组成物质的分子和原子作为量子力学体系来处理,辐射场作为一种经典物理中的电磁波并忽略其光子的特征,则分子红外光谱是由分子不停地作振动和转动而产生的。分子振动是指分子中各原子在平衡位置附近作相对运动,多原子分子可组成多种振动模式。当孤立分子中各原子以同一频率、同一相位在平衡位置附近作简谐振动时,这种振动方式称简正振动。含N个原子的分子应有3N-6个简正振动方式;如果是线性分子,只有3N-5个简正振动方式。图中示出非线性3原子分子仅有的3种简正振动模式。分子的转动指的是分子绕质心进行的运动。分子振动和转动的能量不是连续的,而是量子化的。当分子由一种振动(或转动)状态跃迁至另一种振动(或转动)状态时,就要吸收或发射与其能级差相应的光。

研究红外光谱的方法主要是吸收光谱法。使用的光谱有两种类型。一种是单通道或多通道测量的棱镜或光栅色散型光谱仪,另一种是利用双光束干涉原理并进行干涉图的傅里叶变换数学处理的非色散型的傅里叶变换红外光谱仪。

红外光谱具有高度的特征性,不但可以用来研究分子的结构和化学键,如力常数的测定等,而且广泛地用于表征和鉴别各种化学物种。

红外识谱歌

红外可分远中近,中红特征指纹区,

1300来分界,注意横轴划分异。

看图要知红外仪,弄清物态液固气。

样品来源制样法,物化性能多联系。

识图先学饱和烃,三千以下看峰形。

2960、2870是甲基,2930、2850亚甲峰。

1470碳氢弯,1380甲基显。

二个甲基同一碳,1380分二半。

面内摇摆720,长链亚甲亦可辨。

烯氢伸展过三千,排除倍频和卤烷。

末端烯烃此峰强,只有一氢不明显。

化合物,又键偏,~1650会出现。

烯氢面外易变形,1000以下有强峰。

910端基氢,再有一氢990。

顺式二氢690,反式移至970;

单氢出峰820,干扰顺式难确定。

炔氢伸展三千三,峰强很大峰形尖。

三键伸展二千二,炔氢摇摆六百八。

芳烃呼吸很特征,1600~1430。

1650~2000,取代方式区分明。

900~650,面外弯曲定芳氢。

五氢吸收有两峰,700和750;

四氢只有750,二氢相邻830;

间二取代出三峰,700、780,880处孤立氢

醇酚羟基易缔合,三千三处有强峰。

C-O伸展吸收大,伯仲叔醇位不同。

1050伯醇显,1100乃是仲,

1150叔醇在,1230才是酚。

1110醚链伸,注意排除酯酸醇。

若与π键紧相连,二个吸收要看准,

1050对称峰,1250反对称。

苯环若有甲氧基,碳氢伸展2820。

次甲基二氧连苯环,930处有强峰,

环氧乙烷有三峰,1260环振动,

九百上下反对称,八百左右最特征。

缩醛酮,特殊醚,1110非缩酮。

酸酐也有C-O键,开链环酐有区别,

开链强宽一千一,环酐移至1250。

羰基伸展一千七,2720定醛基。

吸电效应波数高,共轭则向低频移。

张力促使振动快,环外双键可类比。

二千五到三千三,羧酸氢键峰形宽,

920,钝峰显,羧基可定二聚酸、

酸酐千八来偶合,双峰60严相隔,

链状酸酐高频强,环状酸酐高频弱。

羧酸盐,偶合生,羰基伸缩出双峰,

1600反对称,1400对称峰。

1740酯羰基,何酸可看碳氧展。

1180甲酸酯,1190是丙酸,

1220乙酸酯,1250芳香酸。

1600兔耳峰,常为邻苯二甲酸。

氮氢伸展三千四,每氢一峰很分明。

羰基伸展酰胺I,1660有强峰;

N-H变形酰胺II,1600分伯仲。

伯胺频高易重叠,仲酰固态1550;

碳氮伸展酰胺III,1400强峰显。

胺尖常有干扰见,N-H伸展三千三,

叔胺无峰仲胺单,伯胺双峰小而尖。

1600碳氢弯,芳香仲胺千五偏。

八百左右面内摇,确定最好变成盐。

伸展弯曲互靠近,伯胺盐三千强峰宽,

仲胺盐、叔胺盐,2700上下可分辨,

亚胺盐,更可怜,2000左右才可见。

硝基伸缩吸收大,相连基团可弄清。

1350、1500,分为对称反对称。

氨基酸,成内盐,3100~2100峰形宽。

1600、1400酸根展,1630、1510碳氢弯。

盐酸盐,羧基显,钠盐蛋白三千三。

矿物组成杂而乱,振动光谱远红端。

钝盐类,较简单,吸收峰,少而宽。

注意羟基水和铵,先记几种普通盐。

1100是硫酸根,1380硝酸盐,

1450碳酸根,一千左右看磷酸。

硅酸盐,一峰宽,1000真壮观。

勤学苦练多实践,红外识谱不算难。

红外光谱发展史

雨后天空出现的彩虹,是人类经常观测到的自然光谱。而真正意义上对光谱的研究是从英国科学家牛顿(Newton) 开始的。1666 年牛顿证明一束白光可分为一系列不同颜色的可见光,而这一系列的光投影到一个屏幕上出现了一条从紫色到红色的光带。牛顿导入“光谱”(spectrum)一词来描述这一现象。牛顿的研究是光谱科学开端的标志。

从牛顿之后人类对光的认识逐渐从可见光区扩展到红外和紫外区。1800 年英国科学家W. Herschel 将来自太阳的辐射构成一副与牛顿大致相同的光谱,然后将一支温度计通过不同颜色的光,并且用另外一支不在光谱中的温度计作为参考。他发现当温度计从光谱的紫色末端向红色末端移动时,温度计的读数逐渐上升。特别令人吃惊的是当温度计移动到红色末端之外的区域时,温度计上的读数达到最高。这个试验的结果有两重含义,首先是可见光区域红色末端之外还有看不见的其他辐射区域存在,其次是这种辐射能够产生热。由于这种射线存在的区域在可见光区末端以外而被称为红外线。(1801 年德国科学家J.W. Ritter 考察太阳光谱的另外一端,即紫色端时发现超出紫色端的区域内有某种能量存在并且能使AgCl 产生化学反应,该试验导致了紫外线的发现。

1881年Abney 和Festing 第一次将红外线用于分子结构的研究。他们Hilger光谱仪拍下了46个有机液体的从0.7到1.2微米区域的红外吸收光谱。由于这种仪器检测器的限制,所能够记录下的光谱波长范围十分有限。随后的重大突破是测辐射热仪的发明。1880年天文学家Langley在研究太阳和其他星球发出的热辐射时发明一种检测装置。该装置由一根细导线和一个线圈相连,当热辐射抵达导线时能够引起导线电阻非常微小的变化。而这种变化的大小与抵达辐射的大小成正比。这就是测辐射热仪的核心部分。用该仪器突破了照相的限制,能够在更宽的波长范围检测分子的红外光谱。采用NaCl作棱镜和测辐射热仪作检测器,瑞典科学家Angstrem第一次记录了分子的基本振动(从基态到第一激发态)频率。1889年Angstrem首次证实尽管CO和CO2都是由碳原子和氧原子组成,但因为是不同的气体分子而具有不同的红外光谱图。这个试验最根本的意义在于它表明了红外吸收产生的根源是分子而不是原子。而整个分子光谱学科就是建立在这个基础上的。不久Julius发表了20个有机液体的红外光谱图,并且将在3000cm-1的吸收带指认为甲基的特征吸收峰。这是科学家们第一次将分子的结构特征和光谱吸收峰的位置直接联系起来。图1是液体水和重水部分红外光谱图,主要为近红外部分。图中可观察到水分子在739和970nm处有吸收峰存在,这些峰都处在可见光区红色一端之外。由于氢键作用,液体水的红外光谱图比气态水的谱图要复杂得多。

红外光谱仪的研制可追溯的20 世纪初期。1908 年Coblentz 制备和应用了用氯化钠晶体为棱镜的红外光谱议;1910 年Wood 和Trowbridge6 研制了小阶梯光栅红外光谱议;1918 年Sleator 和Randall 研制出高分辨仪器。20 世纪40 年代开始研究双光束红外光谱议。1950 年由美国PE 公司开始商业化生产名为Perkin-Elmer 21 的双光束红外光谱议。与单光束光谱仪相比,双光束红外光谱议不需要由经过专门训练的光谱学家进行操作,能够很快的得到光谱图。因此Perkin-Elmer 21 很快在美国畅销。Perkin-Elmer 21 的问世大大的促进了红外光谱仪的普及。

现代红外光谱议是以傅立叶变换为基础的仪器。该类仪器不用棱镜或者光栅分光,而是用干涉仪得到干涉图,采用傅立叶变换将以时间为变量的干涉图变换为以频率为变量的光谱图。傅立叶红外光谱仪的产生是一次革命性的飞跃。与传统的仪器相比,傅立叶红外光谱仪具有快速、高信噪比和高分辨率等特点。更重要的是傅立叶变换催生了许多新技术,例如步进扫描、时间分辨和红外成像等。这些新技术大大的拓宽了红外的应用领域,使得红外技术的发展产生了质的飞跃。如果采用分光的办法,这些技术是不可能实现的。这些技术的产生,大大的拓宽了红外技术的应用领域。 是用红外成像技术得到的地球表面温度分布和地球大气层中水蒸气含量图。没有傅立叶变换技术,不可能得到这样的图像。图1.2 Perkin-Elmer 21 双光束红外光谱议。该仪器是由美国Perkin-Elmer 公司1950 开始制造,是最早期商业化生产的双光束红外光谱议。

红外光谱的理论解释是建立在量子力学和群论的基础上的。1900 年普朗克在研究黑体辐射问题时,给出了著名的Plank 常数h, 表示能量的不连续性。量子力学从此走上历史舞台。1911 年W Nernst 指出分子振动和转动的运动形态的不连续性是量子理论的必然结果。1912 年丹麦物理化学家Niels Bjerrum 提出HCl 分子的振动是带负电的Cl 原子核带正电的H 原子之间的相对位移。分子的能量由平动、转动和振动组成,并且转动能量量子化的理论,该理论被称为旧量子理论或者半经典量子理论。后来矩阵、群论等数学和物理方法被应用于分子光谱理论。随着现代科学的不断发展,分子光谱的理论也在不断的发展和完善。分子光谱理论和应用的研究还在发展之中。多维分子光谱的理论和应用就是研究方向之一。

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