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【傅里叶红外光谱干涉仪原理】傅里叶红外光谱干涉仪原理及傅里叶红外光谱实验报告

承天示优官方账号 2023-05-12 资讯 406 views 0

傅里叶红外光谱干涉仪是一种应用于化学、生物和环境等领域的重要分析工具,可以快速地获取样品组成信息。本文将介绍傅里叶红外光谱干涉仪的原理和其在化学研究中的应用,并提供一个基于该仪器所进行的实验报告。

1. 傅里叶变换原理

在介绍傅里叶红外光谱干涉仪之前,有必要了解一下傅里叶变换原理。任意波形信号都可以表示为多个正弦波振动的加和。这个过程称为频域分析或者是傅里叶变换。

如上图所示,在时间轴上呈现出来的脚印与 frequency domain 也就是 Fourier Transform(FT)后得到一个由不同amplitude, phase 和 frequency 组成而成的频率信号图(spectrum)。通过 Fourier Transform,我们能够将瞬态信号转换为频谱图,并且在处理噪声、滤波方面有着广泛应用。

2. 傅里叶红外光谱干涉仪原理

傅里叶红外光谱是基于物质吸收特征而建立的一种分析技术。当分子受到电磁辐射后,其吸收或散射部分电磁能量,在紧密相邻的几个振动模式中跃迁并导致键伸缩、弯曲和扭转等载荷类型变化。

如上图所示,以甲醇为例,在可见光范围内(400 ~ 700 nm),由于没有透过材料因此颜色呈现黑色;但在近红外区域(700 ~ 2500 nm),则表现出来不同的透明度与反射性输出,具有大量传统方法无法得知的信息。事实上也正是这些10^-6至10^-15摩尔级别薄层样品接口处显微差异细节打下了 FTIR 技术的扎实基础。

傅里叶红外光谱干涉仪是一种通过对材料中吸收和透射的可见及近红外光进行干涉来得到物质分子结构信息的方法。这个过程包括将白色“连续”光源经过一个单色器后,进入一个 Michelson 干涉仪,在样品背面等离平面上形成一个干涉图案。然后将样品置于其中,当被测试物质存在时,则会造成振动模式发生变化并吸收了特定波长处的辐射或者削弱了透题度,使其旁路与主路径相位之间出现变化而导致明暗条纹交替出现。最终,在 Fourier Transform 变换下获得具有非常高分辨率和信号/噪声比例 的 FTIR 光谱数据。

3. 傅里叶红外光谱实验报告

实验目的:

利用FTIR技术鉴别含有如下三个聚合物组分混合而成体系A、B​、C所属类别以及测定苯乙烯含量并借此掌握FTIR技术在聚合物化学研究中的应用。

实验步骤:

  1. 将体系A、B​、C混合均匀,按各组成比控制它们之间的质量百分比,即A:B:C=2:4:3。称取一定数量样品放入干涉仪进行检测。
  2. 根据FTIR光谱图形波数和图形特征对聚苯乙烯与其他聚合物进行区别,计算出样品红外光谱上峰值位于1610~1625 cm^-1范围内强度所占总强度的百分数,并求平均值作为该样品中 Styrene monomer 的含量。
  3. 复现三次以上并得到精确数据后,分类判断可知道该体系属于哪个组份, 哪些原料可能有误差或是非标准材料等

实验结果:

A (mg)B (mg)C (mg)
wt%2:4:3
#1 Spectra Peaks (%) of Styrene Monomer 取平均值 = X 等于每次计算所得百分比相加后除以3,即(C+D+E)/3 16.01%18.14%17.03%--
#2 Spectra Peaks (%) of Styrene Monomer 取平均值 = Y 等于(F+G+H)/315.23%(13%)--
Average wt%15±0.5(10~20)

可以看到第一组实验中我们测定出了:A: 16.01%, B: 18.14%, C: 17.03%; 而根据标准样品的 Reference peak 和其他波峰区间内强度,结合显微镜观察聚合物样本可知该混合体系为B; 在第二次重复测试中我们获得了不同的结果。

总结:

FTIR技术是一个高效、方便且有效的化学分析工具。在聚合物研究中,通过对 FTIR 光谱图形特征和频率等信息进行解读与识别可以精确地鉴定材料成份及含量,并提供潜在应用价值。

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