【摘要】 本节主要介绍几种常见的红外光谱仪的工作原理，包括比较色散型红外光谱和傅里叶变换红外光谱的区别，以及介绍透射红外光谱和漫反射红外光谱。

在日常读文献时，我们会看到文献中在做相同吸附探针分子的红外光谱时，有的文献用“FTIR”，又有些文献用“DRIFTS”。都是红外测试，他们有何区别?“工欲善其事，必先利其器”，了解不同红外光谱仪器的原理与区别是十分必要的，这不仅可以让我们批判性地阅读文献数据，也方便我们在有不同的测试需求时使用对应的光谱仪器。

 

本节主要介绍几种常见的红外光谱仪的工作原理，包括比较色散型红外光谱和傅里叶变换红外光谱的区别，以及介绍透射红外光谱和漫反射红外光谱。

 

色散型红外光谱vs傅里叶变换红外光谱

 

1.色散型红外光谱

 

在红外光谱技术发展的早些阶段，主要采用的是色散型红外光谱。色散型红外光谱又名光栅扫描型红外光谱(图1)。它通过红外光束照射并穿透样品，利用色散装置(衍射光栅)得到的。通过旋转衍射光栅来旋转扫描光谱，检测吸收峰的强度，并以波数对吸收强度作图得到光谱检测结果。

 

在测试中，需要同时具备样品池与参比池。参比池用来抵消测试环境、样品溶剂等对光谱信号的干扰，这一点与紫外分光光度计有些类似。

 

图1. 色散型红外光谱

 

2.傅里叶变换红外光谱(FTIR, Fourier transform infrared spectroscopy)

 

近年来，傅里叶变换红外光谱获得了快速发展。光源发出两束光，一束光的光程固定，另一束光因可伸缩的反射镜而发生光程变化。因两个光程不同，产生一系列相长干涉和相消干涉(干涉图)以及光强度变化。傅里叶变换将这种干涉图从时域谱转化为频域谱，生成完整的红外光谱(图2)。

 

图2. 傅里叶变换红外光谱

 

目前市面上已基本普及了傅里叶变换红外光谱技术。相比色散型红外光谱，傅里叶变换红外光谱具有许多优势：

1.光谱范围较宽(4000 – 100 cm-1);

2.光谱分辨率极高( < 0.001 cm-1);

3.较高的波束准确度;( < 0.01 cm-1);

4.极短的扫描时间(可在1 s内做全扫描);

5.较高的信噪比，适用于测量弱信号样品，对吸附态研究极为有利

 

透射红外光谱vs漫反射红外光谱

 

应用法则：

 

当样品吸收适当且散射能量较弱时，可以采用透射法;当样品散射或反射能量大时，更适合用漫反射法。

 

1.透射红外光谱

 

在透射红外光谱中，一般采用压片法制样。样品的厚度与透光率呈反比。为了平衡压片的成功率与透光效果，建议选择在4000 cm-1处样品的透光率达到10 – 30%的厚度。

 

若采用透射红外做原位反应，或通过探针分子的吸附来表征催化剂表面的组成、骨架结构、酸碱等理化性质，则需要配套功能性样品池。一般而言，样品池需要满足可加热、可达到高真空度等条件。因此对于高真空度的需求，还需要给样品池匹配一个真空架。图3为一种典型的真空架及原位样品池。该原位zhu池可通过内置电热丝加热。一般地，真空架与原位池构成的真空系统的真空度需要< 10-3 Pa。

 

图3. 真空架与样品池（图片来源于网络）

 

2.漫反射红外光谱（DRIFTS, Diffuse reflectance infrared spectroscopy）

 

漫反射红外光谱可测量松散的粉末样品，不需要透射红外光谱的压片操作，在当下的催化剂研究中获得了广泛应用。目前，市面上的红外光谱仪器大多配备了兼容漫反射的模件（红外软件中的“Kubella Munk”模式）。当仪器加持漫反射池后，即可开展漫反射红外光谱的测试工作。图4a是Harrick漫反射原位池。如果漫反射池有加热功能（图4b），并可通入一定压力的气氛或达到一定的真空度，则可利用漫反射池做进一步的原位红外光谱研究。若有低温需求测试，则应将漫反射池改换为具有冷阱的低温杜瓦型原位池（图4c）。例如Harrick的低温原位池在灌入液氮后，测试温度可达到-150 oC。

 

图4. a) 原位漫反射池组件;b) 高温型反应仓;c) 低温杜瓦型反应仓

 

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