显微红外光谱测试技术及应用.ppt
显微红外光谱测试技术及应用,目录第一章 红外光谱的基本概念 第二章 傅里叶变换红外光谱学的基本原理第三章 傅里叶变换红外光谱仪 第四章 红外光谱样品制备技术 第五章 红外光谱数据处理技术第六章 红外光谱仪附件第七章 远红外光谱和近红外光谱简介第八章 基团的振动频率分析第九章 红外光谱的定量分析和未知物的剖析第十章 红外光谱仪的保养和维护附录一 有机化合物基团振动频率表,一、红外显微镜的种类二、红外显微镜的结构三、显微红外光谱测试技术四、影响显微红外光谱质量的因素五、显微红外光谱的数据处理,一、红外显微镜的种类,普通红外显微镜 Nic-Plan，Inspect IR Plus，Centaurs，IR-Plan，iN10 MX 自动逐点扫描成像显微镜（Mapping）Continum，iN10 MX 自动线扫描或面扫描成像显微镜（Imaging）Continum XL，ImageMax，iN10 MX,Nic-Plan,Inspect IR Plus,自动逐点扫描成像显微镜（Mapping）Continum,Continum XL线扫描红外成像显微镜,ImageMax 面扫描红外显微镜,iN10 MX,普通红外显微镜，自动逐点扫描成像显微镜，自动线扫描成像显微镜,二、红外显微镜的结构,照明光源：白炽灯，荧光灯，发光二极管滤光片：蓝色，黄色红外物镜和聚光器光栏光路补偿器玻璃物镜和摄像系统检测器显微镜附件样品台,红外物镜Cassegrain,聚光器,光栏单光栏系统双光栏系统固定孔径光栏可变孔径光栏（手动调节，计算机控制）,使用单光栏的红外显微镜，当光栏孔径很小时，红外光会发生衍射，衍射的结果，会将光栏外面样品的信息加到所测光谱中。使用双光栏红外显微镜，光的衍射不会影响光谱质量，光谱只包含所感兴趣的区间的样品信息，而不受样品区间周围介质的影响。,双光栏系统,固定孔径光栏通常是圆形光栏，光栏直径为1.5毫米。当使用光栏直径为1.5毫米的固定孔径光栏时，不存在光衍射问题。这时只需使用下光栏，将上光栏取下，变成单光栏系统。测试时，将待测样品至于十字线中间，调节聚焦旋钮，将上表面聚焦好。然后将下光栏聚焦在十字线中间即可测试。只使用下光栏时，视野大，易于找到待测样品区间，也易于找到背景区间。,固定孔径光栏,手动调节可变矩形光栏,使用矩形可变光栏时，孔径要尽量大，光栏边长小于20微米时，红外光会发生衍射光栏孔径变小时，光谱的信噪比会变得很差使用矩形可变光栏，便于测试细长样品，如纤维样品,Continum红外显微镜采用一个折返式可变光栏红外光束通过光栏，照射样品后的光束通过反射，又经过同一个光栏到达检测器，单光栏起双光栏作用,透射模式,反射模式,光通过长方形孔时的衍射图样,光的衍射,光通过矩形孔的时衍射图样,光孔线度越小，衍射图样越扩展，衍射效应越强，中心光强越来越弱。,光通过圆孔时的衍射图样,红外光斑宽度不同时，不同波长的红外光零级衍射发散角的数据(红外物镜为15X)。发散角/(的单位为弧度，波长，狭缝宽度，）,100 1500 0.3 1.2 1.8,光路补偿器有上光路补偿器和下光路补偿器上光路补偿器安装在物镜下方下光路补偿器和聚光器装配在一起,待测样品应放在晶片上面，或将样品夹在两片晶体之间测试。由于光路通过晶片时会发生折射，聚焦时，样品表面的光栏边缘会模糊不清。有了上补偿和下补偿后，可以聚焦得很清楚。,如果没有光路补偿，肉眼聚焦好后，此时检测器检测到的能量并非最高，为了使检测器检测到的能量最高，也就是说为了使测到的光谱信噪比最高，需要一边看着干涉图，一边重新聚焦。,使用一片金刚石窗片时，下补偿旋转到1位置使用两片金刚石窗片时，上下补偿都旋转到1位置使用2mm厚NaCl晶片时，下补偿旋转到2位置使用3mm厚BaF2晶片时，下补偿旋转到3位置,检测器普通红外显微镜和自动逐点扫描成像显微镜使用MCT/A检测器（4000-650cm1）。线扫描红外成像显微镜装有两个检测器：一个是普通的MCT/A检测器，另一个是线扫描用的光导MCT/A检测器。面扫描成像显微镜使用焦平面阵列MCT检测器。iN10 MX红外显微镜可以安装三个检测器：DTGS(4000-450cm1),MCT/A,MCT/A线阵列检测器（4000720 1）,线扫描光导MCT/A检测器有两排检测单元，每排有14个检测单元，每个检测单元面积为20 x20微米(15X物镜）。每次扫描两条线的光谱。线扫描成像比面扫描成像慢一些。线扫描红外显微镜不需要步进扫描红外光学台，即不需要配置8700型红外光谱仪器。,焦平面阵列MCT检测器检测元件面积为44mm，上面排列着6464个检测单元，每个检测单元66微米，单元之间间隔1.5微米。也有256256，320256和640512个检测单元的焦平面阵列MCT检测器。来自样品的红外光（透射或反射）聚焦在二维MCT阵列检测器上。,ImageMax显微镜的工作原理,经过样品的红外光束（透射或反射）聚焦在二维MCT阵列检测器上,x,y,样品,焦平面阵列检测器,样品,焦平面阵列MCT检测器,红外显微镜附件Reflachromat（反射消色差物镜）ATR物镜（ZnSe,Si,Ge和金刚石晶体）Slide-on ATRGrazing angle（掠角反射物镜）Visible（可见光物镜）,ATR物镜15X反射消色差物镜玻璃物镜,红外物镜Slide-on ATR物镜掠角反射物镜,ATR物镜：（ZnSe,Si,Ge和金刚石晶体）Slide-on ATR安装架装在物镜上,iN10 MX 红外显微镜 Slide-on ATR（Ge晶体）光通量达50，可测最小3微米,三、显微红外测试技术 显微红外有透射显微红外和反射显微红外两种测试方法,透射显微红外 光谱的测定,透射式红外显微镜的光路,窗片材料金刚石溴化钾氯化钠氟化钡,显微红外所使用的金刚石池,溴化钾，氯化钠和氟化钡窗片，它们的硬度小，容易损坏，易污染，不容易聚焦。溴化钾和氯化钠溶于水，氟化钡不溶于水。,均相固体样品的测试测试粉末样品时，用针头取微量样品放在一片金刚石窗片上，盖上另一片金刚石，用拇指挤压金刚石，将样品压平，最好压成透明薄片。测试时，取下一片金刚石。测试块状和薄膜样品时，用手术刀片刮下或切下微量样品，转移至一片金刚石窗片上。测试方法和测试粉末样品相同。,显微红外测试时不需要添加任何稀释剂。显微红外光谱真实，能反映样品的本质光谱。溴化钾压片法，会出现水的吸收峰，还会使谱带变形。,溴化钾压片,显微红外,显微红外和溴化钾压片的可比性,微量固体样品的测试只要肉眼能看得见的样品只要在放大镜下能看得见的样品样品的用量几个纳克,花粉管顶端样品（10X10微米）的显微红外光谱（分辨率16cm-1,扫描128次）,聚双酚A碳酸酯,聚乙烯/聚二甲基硅氧烷,聚对苯二甲酸乙烯酯,乙烯/醋酸乙烯酯共聚物,袋装注射液中的悬浮物的显微红外光谱,液体样品的测试测试有机液体时，可取微量液体放在金刚石、溴化钾或氯化钠窗片上测试。测试水溶液样品时，将液体滴在氟化钡窗片上，待水挥发后测试残留物。,未知物的红外光谱剖析单一组分未知物的分析固体混合物的组分分析 机械混和的固体混合物 均相固体混合物黑色橡胶的分析液体混合物的分析,对未知物进行剖析，必须有谱库，而且谱库中的光谱要足够多。对被检测的物质光谱对谱库进行检索，如果谱库中存在被检测物质的光谱，就可以检索出来。如果被检测的物质在谱库中没有光谱，即使检索，也检索不出来，就无法确定被检测的是什么物质。,对红外光谱分析工作者的要求对一张已知结构的物质的光谱，应能指出主要吸收峰的振动模式。反过来，根据一张光谱中吸收峰的峰型、峰位和很高，应能判断是否为某一结构的物质光谱。对一张未知物的光谱，根据主要吸收峰的位置，应能说出未知物中含有哪些基团，但是无法说出未知物是哪种物质，除非是您非常熟悉的物质的光谱。,单一组分聚合物的分析,塑料盖子的显微红外光谱,塑料盖子,聚丙烯(全同异构),固体混合物的组分分析机械混和的固体混合物将机械混合的粉末样品撒在载波片上，在40倍显微镜下，用针头挑出不同形状、或不同晶型、或不同颜色的颗粒分别测试，即可得到各个组分的光谱。40倍显微镜下不能挑出机械混合物中各个组分进行分别测试时，可对金刚石表面上的样品多测试几个点，可以得到不同的光谱。或用Mapping测试得到不同的光谱。,机械混和二组分混合物的分析（显微镜下能分开）,固体混合物中两种不同晶型物质的显微红外光谱,混合物成分1,混合物成分2,谱库检索结果,羰甲基纤维素钠,混合物成分1,谱库检索结果,混合物成分2,多聚磷酸钠,机械混和三组分混合物的分析（显微镜下不能分开各个组分）,混合物样品显微红外测定，不同区间得到不同的光谱,A,B,C,对光谱 A 进行谱库检索,A,无水Na2SO4,对光谱 B 进行谱库检索,B,偏重亚硫酸钠Na2S2O5,A,B,C,光谱 C 中含有光谱 A 和 B 的成分,将光谱C中1290920cm-1区间生成直线，然后检索。,乙二胺四乙酸二钠,乙二胺四乙酸二钠,C,三组分混合物：无水Na2SO4偏重亚硫酸钠Na2S2O5乙二胺四乙酸二钠,均相固体混合物的剖析,白色固体溴化钾压片光谱,氟硼酸钾,白色固体溴化钾压片,氟硼酸钾,氟硼酸钾,碳酸钠,粉色：未知物红色：碳酸钠紫色：氟硼酸钾,黑色橡胶的分析（二组分）,黑色橡胶的光谱,滑石粉,滑石粉的光谱,黑色橡胶光谱,从黑色橡胶光谱中将滑石粉的强吸收峰生成直线后得到的光谱,检索结果为天然橡胶,滑石粉,天然橡胶,黑色橡胶,天然橡胶滑石粉碳黑,未知液体混合物的分析（三组分）,未知液体光谱,甲醇,未知液体,甲醇,未知液体滴在载波片放在40烘箱中，甲醇挥发后剩余的液体光谱,乙酸钙,剩余液体,乙酸钙,甲醇,未知液体,乙酸钙,甲醇,未知液体,乙酸钙,乙酸,交通事故物证的分析测试交通事故物证的分析测试主要是比对分析肇事车辆车上的油漆和现场遗留油漆的分析测试,现场遗留油漆,车上油漆,现场遗留油漆和车上油漆 完全相同,现场遗留油漆,车上油漆,现场遗留油漆和车上油漆不完全相同，现场遗留油漆中添加了碳酸钙和滑石粉。,第一层,第二层,第四层,第六层,第七层,车号为C70251车漆的显微红外光谱,第一层,第二层,第四层,第六层,第七层,事故现场遗留车漆的显微红外光谱,包裹体的测试石油勘探中岩心油含量的分析岩石中水含量的分析矿物中水和有机质的分析,在对包裹体进行分析之前，岩片要进行切片，用胶粘在载波片上，两面抛光，薄片厚度最好小于100微米。用丙酮将载波片上的胶溶解，使薄片脱离下来。,含有碳氢化合物和水的包裹体的显微红外光谱 基体为硅酸盐,硅酸盐基体的显微红外光谱,硅酸盐基体中包裹体的显微红外光谱,包裹体的显微红外光谱,502胶的光谱,包裹体的光谱,约100微米厚碳酸钙基体 的显微红外光谱,自动逐点扫描成像（Mapping）光谱的测试,测试Mapping光谱时，样品表面不同区间的组分应有差别，如机械混合的混合物、病变组织生物样品、混熔聚合物、岩心包裹体等。测试前，应设定光谱分辨率、扫描次数、扫描面积、步长、光栏大小等参数。,心急梗死心脏组织切片的自动逐点扫描Mapping光谱,反射显微红外 光谱的测定,反射式红外显微镜光路,反射式显微红外光谱 的信噪比 反射显微红外收集的是样品的反射光和散射光，这两部分光的强度比透射光的强度要低得多。而且这两部分光只有50%能收集到，因此反射显微红外光谱的信噪比要比透射显微红外光谱的信噪比低得多。,反射式显微红外光谱 样品的制备 不需要制样。使用镀金镜面为景。测试不透光的样品。,反射显微红外光谱 的特点,煤炭中树皮的显微反射光谱样品光栏为圆孔,煤炭中树皮的显微反射光谱样品光栏为圆孔出现干涉条纹,煤炭中树皮的显微反射红外光谱测试样品和背景单光束光谱时都不使用光栏，此时不出现干涉条纹。用%Reflectance表示：光谱吸收峰方向朝下。,煤炭中树皮的显微反射红外光谱将%Reflectance转换成吸光度光谱（Absorbance）,钟陵煤矿煤中树皮的显微反射光谱,iN10 MX 红外显微镜测试反射光谱时，不出现干涉条纹原因是物镜比其他显微镜的物镜大，入射角比较大,红色：A4纸的显微反射光谱；黑色：A4纸上激光打印字的显微反射光谱,iN10 MX 红外显微镜的反射红外光谱,影响显微红外光谱质量的因素尽量采用透射法，而不采用反射法样品尽量布满光栏孔径样品不能太厚，样品要挤压得很薄，样品太厚时，光谱容易变形光谱分辨率和扫描次数的选择要合适,分辨率4cm-1 时，扫描64次，即可以得到信噪比很高的光谱。如果样品信号很弱，分辨率可降低到8或16cm-1，扫描128次。,显微镜的性能。显微镜中有很多个反射镜，这些镜面长期暴露在空气中会掉上灰尘，影响高波段（40001000cm1）红外光的反射率，使高波段的红外光谱信噪比降低。,显微红外光谱的数据处理消除水汽和二氧化碳吸收峰消除干涉条纹基线校正,消除水汽和二氧化碳吸收峰 显微镜是开放体系，大气中的水汽和二氧化碳对光谱的干扰比在光学台中测试光谱干扰严重。虽然可以使用气体吹扫，但效果不显著。,二氧化碳吸收峰,水汽吸收峰,必须将显微红外光谱中的二氧化碳吸收峰生成直线,消除干涉条纹 当样品压得很平时，容易产生干涉条纹。当样品光谱中出现干涉条纹时，可以用基线校正的方法将干涉条纹消除掉。,干涉条纹,干涉条纹,干涉条纹,基线校正 当样品硬度较高，挤压样品时颗粒较粗，会使样品光谱的基线倾斜，基线倾斜时可对基线进行校正。光谱基线倾斜是由于光散射造成的。当光的波长小于颗粒直径时，会出现光散射。,修饰后碳纳米管的显微红外光谱（基线校正前）,基线校正后,谢谢!,
