傅里葉紅外光譜-測試與分析(畢業(yè)論文)

1、南京信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)論文作者 錢崗 學(xué)號(hào) 11118P26 系部 中認(rèn)新能源學(xué)院 專業(yè) 電子信息工程技術(shù)(檢測技術(shù)與應(yīng)用) 題目 紅外光譜制樣與圖譜分析 指導(dǎo)教師 袁小燕 評(píng)閱教師 完成時(shí)間： 2014年 05 月 10 日 摘要隨著科技的發(fā)展，紅外光譜儀已經(jīng)成為鑒別物質(zhì)和分析物質(zhì)結(jié)構(gòu)的有效手段之一，而其中傅立葉變換紅外光譜儀（FT-IR）則是七十年代發(fā)展起來的第三代紅外光譜儀的典型代表。它是就光的相干性原理而設(shè)計(jì)，是一種干涉型光譜儀，具有優(yōu)良的特性，完善的功能，廣泛的應(yīng)用范圍，以及不俗的發(fā)展前景。本文會(huì)就傅立葉變換紅外光譜儀的基本原理作扼要的介紹，總結(jié)傅立葉變換紅外光譜的主要特點(diǎn)，并

2、綜述其在各個(gè)方面的基本應(yīng)用。然后就塑料產(chǎn)品領(lǐng)域進(jìn)行重點(diǎn)介紹，旨在進(jìn)行紅外光譜的制樣與圖譜分析，并以建立各種型號(hào)的塑料產(chǎn)的紅外光譜譜庫為目的，完成這篇論文。關(guān)鍵詞：傅立葉變換紅外光譜儀、基本原理、應(yīng)用、發(fā)展、塑料產(chǎn)品、譜庫。AbstractWith the development of science and technology， infrared spectrometer has become one of the effective means of identification of material and analyze material structure， and the Fou

3、rier transform infrared spectrometer (FT - IR) is developed in the seventy s as the typical representative of the third generation of infrared spectrometer. The principle of coherence of light design， is a kind of interferometric spectrometer， it has excellent properties， perfect functions， and appl

4、ication scope is extremely widespread， also has a broad development prospects. This article would be the basic principle of Fourier transform infrared spectrometer， a briefly introduction of summarize the main characteristics of Fourier transform infrared spectroscopy， and reviews its application in

5、 all aspects of the basic. And then focus on plastic products， at the same time to complete the analysis of sample preparation and the spectra of ir， and to establish various types of plastic produce ir spectrum library for the purpose， to complete the paper.Keywords: Fourier transform infrared spec

6、trometer， the basic principle， application， development and plastic products， spectral library.目錄 TOC o 1-3 h z u HYPERLINK l _Toc387647192 緒論 PAGEREF _Toc387647192 h 5 HYPERLINK l _Toc387647193 1.進(jìn)擊的紅外光譜儀： PAGEREF _Toc387647193 h 6 HYPERLINK l _Toc387647194 1.1.蛻變的發(fā)展： PAGEREF _Toc387647194 h 6 HYPE

7、RLINK l _Toc387647195 1.1.1初代： PAGEREF _Toc387647195 h 6 HYPERLINK l _Toc387647196 1.1.2二代： PAGEREF _Toc387647196 h 6 HYPERLINK l _Toc387647197 1.1.3三代： PAGEREF _Toc387647197 h 7 HYPERLINK l _Toc387647198 1.2.品牌的代言 PAGEREF _Toc387647198 h 7 HYPERLINK l _Toc387647199 1.2.1.布魯克（bruker） PAGEREF _Toc387

8、647199 h 7 HYPERLINK l _Toc387647200 1.2.2.尼高力（nicolet） PAGEREF _Toc387647200 h 7 HYPERLINK l _Toc387647201 1.2.3.福斯（foss） PAGEREF _Toc387647201 h 8 HYPERLINK l _Toc387647202 2.紅外光譜儀的基本原理 PAGEREF _Toc387647202 h 8 HYPERLINK l _Toc387647203 2.1.工作原理： PAGEREF _Toc387647203 h 8 HYPERLINK l _Toc38764720

9、4 2.2.傅立葉紅外光譜儀的組成： PAGEREF _Toc387647204 h 8 HYPERLINK l _Toc387647205 2.3.儀器概要及解析： PAGEREF _Toc387647205 h 9 HYPERLINK l _Toc387647206 2.4.優(yōu)缺點(diǎn)： PAGEREF _Toc387647206 h 10 HYPERLINK l _Toc387647207 2.4.1.優(yōu)點(diǎn)： PAGEREF _Toc387647207 h 10 HYPERLINK l _Toc387647208 2.4.2.缺點(diǎn)： PAGEREF _Toc387647208 h 11 HY

10、PERLINK l _Toc387647209 3.理論聯(lián)系實(shí)際 PAGEREF _Toc387647209 h 11 HYPERLINK l _Toc387647210 3.1.測量分析： PAGEREF _Toc387647210 h 11 HYPERLINK l _Toc387647211 3.1.1.樣品收集： PAGEREF _Toc387647211 h 11 HYPERLINK l _Toc387647212 3.1.2.測試使用設(shè)備： PAGEREF _Toc387647212 h 13 HYPERLINK l _Toc387647213 3.1.3.樣品制備： PAGEREF

11、 _Toc387647213 h 15 HYPERLINK l _Toc387647214 3.2.儀器操作流程： PAGEREF _Toc387647214 h 17 HYPERLINK l _Toc387647215 3.2.1.開機(jī) PAGEREF _Toc387647215 h 17 HYPERLINK l _Toc387647216 3.2.2.打開軟件 PAGEREF _Toc387647216 h 18 HYPERLINK l _Toc387647217 3.2.3.信號(hào)檢測 PAGEREF _Toc387647217 h 18 HYPERLINK l _Toc387647218

12、 3.3.樣品測試方法 PAGEREF _Toc387647218 h 19 HYPERLINK l _Toc387647219 3.4.數(shù)據(jù)分析 PAGEREF _Toc387647219 h 20 HYPERLINK l _Toc387647220 3.4.1.文件調(diào)入 PAGEREF _Toc387647220 h 20 HYPERLINK l _Toc387647221 3.4.2.水汽補(bǔ)償 PAGEREF _Toc387647221 h 21 HYPERLINK l _Toc387647222 3.4.3.基線校正 PAGEREF _Toc387647222 h 21 HYPERLI

13、NK l _Toc387647223 3.4.4.標(biāo)峰位 PAGEREF _Toc387647223 h 21 HYPERLINK l _Toc387647224 4.數(shù)據(jù)整理： PAGEREF _Toc387647224 h 23 HYPERLINK l _Toc387647225 5.注意事項(xiàng)： PAGEREF _Toc387647225 h 27 HYPERLINK l _Toc387647226 結(jié)論 PAGEREF _Toc387647226 h 28 HYPERLINK l _Toc387647227 致謝 PAGEREF _Toc387647227 h 29 HYPERLINK

14、l _Toc387647228 參考文獻(xiàn) PAGEREF _Toc387647228 h 29緒論伴隨著第三代紅外光譜儀的問世，表明了其技術(shù)領(lǐng)域的發(fā)展有了較為長足的進(jìn)步，擺脫了以往色散原理的調(diào)論，從干涉的角度另辟蹊徑，并且已經(jīng)日趨成熟，可以很好的適用于醫(yī)藥、煙草、塑料等產(chǎn)品材質(zhì)分析的領(lǐng)域。究其前景，還有很大的發(fā)展空間。其中以傅立葉紅外光譜儀為典型代表，廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域，為社會(huì)的發(fā)展，做出了較為可觀的貢獻(xiàn)。當(dāng)然，它本身依然存在著不小的缺陷，比如固體壓片或液膜法的制樣頗為麻煩，光程很難控制一致，給測量結(jié)果帶來誤差。另外，無論是添加紅外惰性物質(zhì)或是使用壓片磨具，都會(huì)給粉末狀態(tài)的樣品造成形態(tài)變化或表

15、面污染，使其在一定程度上失去其“本來面目”，雖然微不可查，但不容否認(rèn)。因此，漫反射傅立葉變換紅外光譜技術(shù)和衰減全反射傅立葉變換紅外光譜技術(shù)（ATR附件）應(yīng)運(yùn)而生，在很大程度上彌補(bǔ)了以上的不足。但瑕不掩瑜，雖有缺陷，不過干涉原理的應(yīng)用，是里程碑般的進(jìn)步，本文依舊將以3代傅立葉紅外光譜儀作為本次課題的主要研究用工具。進(jìn)擊的紅外光譜儀：蛻變的發(fā)展：縱觀紅外光譜儀的發(fā)展歷程，我們大致可以將其分為初代（雛形）、二代（成長）和三代（成熟）。初代：它是紅外光譜儀的發(fā)展雛形。主要用棱鏡作為分光元件，但是分辨率較低，對(duì)溫度、濕度比較敏感，總的來說，對(duì)環(huán)境要求甚是苛刻。如圖1，是以現(xiàn)代工藝制作的棱鏡式色散型紅外光

16、譜儀模型。圖1二代：它是光譜儀的重要進(jìn)步，雖然依然是基于色散原理，不過卻是采用了先進(jìn)的光柵刻制和復(fù)制技術(shù)，提高了儀器的分辨率，拓寬了測量波段，大大降低了環(huán)境要求，是其發(fā)展歷程的重要成長。如圖2，是光柵型色散式紅外光譜儀。圖2三代：發(fā)展到第三代，這項(xiàng)技術(shù)已經(jīng)趨于成熟，不僅從根本上打破了色散原理的桎梏，更是大膽的使用了干涉原理，發(fā)展出干涉型紅外光譜儀，各項(xiàng)性能在二代基礎(chǔ)上均得到了極大的提高。不得不說，創(chuàng)新才是硬道理。其中傅立葉變換紅外光譜儀則是干涉型紅外光譜儀的典型代表，特性優(yōu)良，功能完善。如圖3：圖3品牌的代言以3代為例，讓我們了解一下各品牌的代表：布魯克（bruker）圖4尼高力（nicole

17、t）圖5福斯（foss）圖6紅外光譜儀的基本原理工作原理：以傅立葉變換紅外光譜儀為例，做以下介紹光源產(chǎn)生的光由于分束器作用，形成光程差，產(chǎn)生干涉；干涉光通過樣品室后，含有樣品信息的干涉光會(huì)到達(dá)檢測器；然后通過放大器放大信號(hào)；為了便于計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)，再通過A/D變換器將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號(hào)；數(shù)字信號(hào)通過傅立葉變換對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理，最終得到透過率或吸光度隨波數(shù)或波長變化的紅外吸收光譜圖。（可參考下圖7的圖形介紹）傅立葉紅外光譜儀的組成：由光源、樣品室、測光部分(干涉儀、檢測器、放大器，A/D變換器、脈沖信號(hào)發(fā)生器)、傅立葉變換、數(shù)據(jù)處理、顯示記錄等部分組成。圖7傅立葉紅外光譜儀結(jié)構(gòu)示意圖儀器概要及解析

18、：光源：由光源用發(fā)射體、光源用電源等組成。光源發(fā)射體使用碳化硅、鎳鉻合金、陶瓷等發(fā)射材料，目的是發(fā)射穩(wěn)定的紅外線。光源用電源向光源提供穩(wěn)定的電壓和電流。樣品室：由樣品池、樣品架、可組裝附件的樣品架組成。傅立葉變換紅外光譜儀通常是單光束光譜儀，光路中設(shè)置一個(gè)樣品架。多光束紅外光譜儀在樣品光路和參比光路分別設(shè)置樣品架。圖8測光部分：測光部分由干涉儀、檢測器、放大器、A/D變換器、脈沖信號(hào)發(fā)生器等組成。干涉儀：一般使用邁克爾遜干涉儀，其光學(xué)系統(tǒng)如圖9所示。檢測器：根據(jù)人射光的強(qiáng)度變換成電信號(hào)，使用熱電型檢測器、半導(dǎo)體檢測器、光聲檢測器等。放大器：放大檢測器傳出的模擬信號(hào)，使以后的信號(hào)處理系統(tǒng)處理方便

19、。A/D變換器：為了使放大器的信號(hào)儲(chǔ)存在計(jì)算機(jī)的存儲(chǔ)器中，把模擬信號(hào)變?yōu)閿?shù)字信號(hào)。脈沖信號(hào)發(fā)生器：測定干涉圖形時(shí)作為脈沖使用，通常使用氦氖激光。圖9邁克爾遜干涉儀光學(xué)系統(tǒng)示意圖傅立葉變換：數(shù)字化的干涉圖形經(jīng)過傅立葉變換變化成光譜。數(shù)據(jù)處理：對(duì)得到的數(shù)據(jù)，進(jìn)行透過率吸光度變換、峰檢測、定量計(jì)算、光譜差計(jì)算、基線校正、K-M變換、K-K變換、光譜數(shù)據(jù)檢索等處理。顯示記錄：在屏幕上顯示分析結(jié)果、數(shù)據(jù)處理結(jié)果，由顯示器、記錄器組成。優(yōu)缺點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：儀器的分辨率較高，測量波段很寬，環(huán)境要求較低，測量數(shù)據(jù)較為準(zhǔn)確。缺點(diǎn)：固體壓片或液膜法制樣麻煩，光程很難控制一致，給測量結(jié)果帶來誤差。另外，無論是添加紅外惰性

20、物質(zhì)或是壓片磨具，都會(huì)給粉末狀態(tài)的樣品造成形態(tài)變化或表面污染，使其在一定程度上失去其“本來面目”大多數(shù)物質(zhì)都有獨(dú)特的紅外吸收，多組分共存時(shí)，普遍存在譜峰重疊現(xiàn)象。透射樣品池?zé)o法解決催化氣相反應(yīng)中反應(yīng)物的“短路”問題，使得催化劑表面的吸附物種濃度較低，影響檢測的靈敏度。不能用于原位(在線)研究，只能在少數(shù)研究中應(yīng)用。理論聯(lián)系實(shí)際傅立葉紅外光譜的使用已經(jīng)涵蓋了多項(xiàng)領(lǐng)域，無論是醫(yī)藥、煙草，還是塑料產(chǎn)品的認(rèn)證等等下面我將就塑料產(chǎn)品領(lǐng)域進(jìn)行分析、探討。測量分析：樣品收集：為了測試數(shù)據(jù)的更加全面，必須先做好前期測試樣品的收集工作，務(wù)必使樣品的種類全面、準(zhǔn)確且具有代表性。如下圖，是各個(gè)廠家的塑料粒子圖示：

21、圖10 圖11 圖12 圖13 圖14 圖15 圖16 圖17圖18以上將是本次研究課題的主要樣品的一部分，由于樣品量較大，其他不再一一羅列。只篩選典型代表。測試使用設(shè)備：瑪瑙研缽：研磨樣品時(shí)使用。圖19溴化鉀粉末（分析純）：與粉末狀樣品混合研磨，便于壓片。（研缽內(nèi)白色粉末為溴化鉀）（注：樣品與溴化鉀比例為1:1001:200，因?yàn)闃悠妨枯^少時(shí)，峰的強(qiáng)度較小，可能會(huì)掩蓋部分特征峰，樣品量較多時(shí)，所制備的樣片透光度過低，難以形成便于觀察的峰形）圖20壓片裝置：壓出規(guī)則樣片。圖21紅外燈：研磨過程中使用，保持實(shí)驗(yàn)環(huán)境的絕對(duì)干燥，防止溴化鉀或者樣片吸水受潮，影響峰位。圖22銼刀：樣品制備使用，磨出最

22、夠細(xì)小的粉末樣品。圖23壓片機(jī)：高壓制做樣片使用。 （通常壓力為10MPa）圖24 圖25其他物品：（脫脂棉、洗耳球、分析純乙醇、無塵紙、鑷子、樣品勺、尖嘴鉗等） 圖26酒精瓶 圖27樣品勺 圖28洗耳球 圖29尖嘴鉗樣品制備：這可以說是紅外光譜測試中至關(guān)重要的一部分，將直接影響到最終的測試數(shù)據(jù)。樣品制備的方式方法：通常有薄膜法、壓片法、裂解法以及溶解法。下面將就壓片法對(duì)樣品進(jìn)行測試研究。樣品制備流程（壓片法）：用脫脂棉沾適當(dāng)乙醇將瑪瑙研缽、壓片裝置擦拭干凈，再用干的無塵紙二次擦拭，最后用洗耳球吹凈，確保表面無其他雜質(zhì)。用洗干凈的銼刀，銼樣品表面，得到適當(dāng)粉末與瑪瑙研缽中，加入適量溴化鉀混合，

23、通常比例為1：1001:200左右（樣品為比例1）。在紅外燈下研磨35min，直到樣品均勻的粘在瑪瑙研缽上（用手捏，像面粉一樣細(xì)膩），務(wù)必使樣品與溴化鉀混合均勻，。用樣品勺將樣品移入壓片磨具中，在底部均勻鋪放。圖30將磨好的試樣裝入壓片模具后，放在壓片機(jī)上用轉(zhuǎn)盤壓緊，擰緊螺母，搬動(dòng)壓力桿，使壓力表指針指到10MPa。圖31等待至少10秒，然后取出壓片模具，輕輕打開模具，取出加壓成薄片狀的試樣。（試樣盡量以透明為宜、部分樣品粉末顆粒較大時(shí)，可退而求其次以均勻?yàn)橐耍?圖32 圖33 圖34儀器操作流程：開機(jī)打開儀器后側(cè)的電源開關(guān)，開啟儀器。儀器通電后，會(huì)開始自檢，儀器右上角標(biāo)識(shí)（見圖35）濕度D，

24、濕度I、激光、狀態(tài)三燈均由紅變綠，說明自檢通過，儀器正常。儀器加電后至少要等待10 分鐘，等電子部分和光源穩(wěn)定后，才能進(jìn)行測量。 傅立葉紅外光譜儀 未穩(wěn)定 穩(wěn)定圖35 儀器上面板打開軟件圖36 登陸OPUS界面信號(hào)檢測點(diǎn)擊軟件界面菜單欄“測量”“高級(jí)測量選項(xiàng)”，在打開的“測量”窗口上面選擇“檢查信號(hào)”，切換到“檢查信號(hào)”頁面。在左側(cè)“存儲(chǔ)模式”一欄選擇“干涉圖”，然后點(diǎn)擊右上方的“全程掃描”，幾秒鐘后在中間窗口可以看到紅色十字架形干涉圖（見圖37）。確認(rèn)干涉圖幅度和位置在正確范圍內(nèi)（見注1），則點(diǎn)擊保存峰位。若不在范圍內(nèi)，則聯(lián)系儀器工程師詢問。圖37 檢查信號(hào)窗口（干涉圖）注1：新儀器的干涉圖

25、正常幅度（Amplitude）的絕對(duì)值應(yīng)在20000以上（隨儀器使用時(shí)間而減弱），位置（position）范圍應(yīng)該在6000060500。在左側(cè)“存儲(chǔ)模式”一欄選擇“光譜圖”, 然后點(diǎn)擊右上方的“全程掃描”，幾秒鐘后在中間窗口可以看到紅色光譜圖。確認(rèn)光譜圖形狀是否正確（見圖38），若光譜圖正確，則點(diǎn)擊保存峰位。若光譜圖不正確，則聯(lián)系儀器工程師詢問。圖38 檢查信號(hào)窗口（光譜圖）樣品測試方法首先確保樣品倉沒有樣品。點(diǎn)擊軟件菜單欄的“測量”“高級(jí)測量選項(xiàng)”，打開“測量”面板。在彈出的“測量”面板中選擇“高級(jí)設(shè)置”（見圖39），輸入“文件名”、“路徑”，設(shè)置分辨率為4cm-1，樣品掃描時(shí)間和背景掃描

26、時(shí)間為32，保存數(shù)據(jù)從4000cm-1到400cm-1。同時(shí)在下面“要保存的數(shù)據(jù)塊”中勾選需要保存的數(shù)據(jù)，具體見圖39（也可點(diǎn)擊上面的“調(diào)入”，選擇與本次測試相同設(shè)置的一個(gè)文件，這樣下面的參數(shù)會(huì)自動(dòng)與打開的文件參數(shù)相同）。之后點(diǎn)擊“基本設(shè)置”面板，返回基本設(shè)置頁面，點(diǎn)擊“測量背景單通道光譜”進(jìn)行背景測量。圖39 高級(jí)設(shè)置窗口待測量單通道光譜完成后，立即將壓好的試樣裝入樣品腔內(nèi)的樣品腔壁的洞中，之后點(diǎn)擊“測量樣品單通道光譜”進(jìn)行樣品測量。圖40數(shù)據(jù)分析文件調(diào)入圖41水汽補(bǔ)償圖42基線校正圖43標(biāo)峰位圖44并用“交互模式”對(duì)峰值進(jìn)行篩選。圖45 交互模式標(biāo)峰位用鼠標(biāo)拖動(dòng)頁面中間的水平線的中間（紅色

27、框選中的地方），直到希望標(biāo)注的峰全部在水平線下方為止。然后拖動(dòng)頁面左邊閥值的滑塊，直到希望標(biāo)注的峰值全部標(biāo)記出來為止。標(biāo)記完成后，點(diǎn)擊左上方的保存即可。圖46數(shù)據(jù)整理：通過大量樣品的測試，對(duì)相同型號(hào)的塑料產(chǎn)品進(jìn)行比對(duì)、分析，得到如下不同型號(hào)的塑料產(chǎn)品的紅外光譜圖譜：圖47 ABS（丙烯腈、丁二烯和苯乙烯）圖48 PA66（尼龍66：聚己二酰己二胺）圖49 PBT（聚對(duì)苯二甲酸丁二醇酯）圖50 PC（聚碳酸酯）圖51 PMMA（聚甲基丙烯酸甲酯）圖52 PP（聚丙烯）圖53 PVC（聚丙乙烯）圖54 PS（聚苯乙烯）圖55 PE（聚乙烯）注意事項(xiàng)：制備樣品時(shí)，銼刀的清潔度一定要高，可以采用兩種方式盡量避免雜質(zhì)的影響。用酒精浸泡，并用馬弗爐加熱清潔；在銼取