红外光谱和红外光谱:一个红外光谱谱仪工作原理和红外光谱分析

傅里叶变换红外(FTIR)光谱今天是一种广受欢迎的技术,由于其独特的敏感性、灵活性、专一性和鲁棒性。能够处理固态、液态和气态的分析物,它已经成为最广泛的实践在科学分析仪器技术。虽然有许多已知的限制红外光谱,其相对不耐受等水的物理性质及其灵敏度分析矩阵,它仍然是非常受欢迎的,常用的等各行业食品和饮料,¹化学、工程、环境,²制药³和生物量⁴而在临床设置。⁵合适的仪器现在形式包括台式,手持和在线实时设备。

人眼只能看到一小部分的更广泛的频谱电磁辐射(图1)。在高能端可见光谱的紫外线(UV)地区,而在较低的能量方面是红外(IR)。红外地区最有用的有机化合物的分析在波长2500 - 16000纳米。目前,米id和近红外线(NIR)包括伞下的“分子光谱”。

图1: 电磁波谱,插图表明次区域典型的红外光谱类型。

红外光谱是研究红外光与物质的相互作用,在红外光线的特点是波数范围跨越12800 - 10厘米¹。从历史上看,按照惯例,红外往往是“波数”中所述,任何波数是其波长成反比。因此,更短的波长将有一个更大的波数,指这一事实更波能够适应给定的距离。远红外辐射通常定义为500至20厘米¹不仅,中4000至500厘米¹和近红外光谱通常~ 10000至4000厘米¹。

红外光线被分子吸收特定频率之间的分子键基于原子和原子的类型的债券。光子能量在红外区域诱发振动激发的共价键的原子。这些共价键通常被认为像硬弹簧可以拉伸,弯曲,旋转和剪刀(图2)。不仅的高能中辐射激发基本振动被分子吸收能量时,提高他们从基态到第一个振动状态。相比之下,近红外光谱是由组合乐队从这些基本振动产生的“色彩”。读者也指向有用的附加介绍性的材料可以从皇家化学学会的。

图2:动画显示三维运动,会发生分子原子键,当兴奋的红外光线。这些运动使红外光谱吸光度乐队我们观察。信贷:来自YouTubehttps://www.youtube.com/watch?v=0S_bt3JI150

红外光谱和红外光谱与红外光谱的区别是什么?

红外光谱和红外光谱的区别是,后者是由一个干涉图作为原始信号。这代表了光强度的函数在干涉仪镜子的位置,而不是作为一个波长的函数(如发生在分散的仪器)。这是“英尺”。信号首先必须Fourier-transformed(英尺)生产强度作为波数的函数。

按照惯例,当我们说的红外光谱,不仅我们认为它是操作中。然而,英国《金融时报》的仪器是用于紫外和近红外光谱形式。红外光谱和FT-NIR可能是互补的技术,但通常分析师必须使用的选择对于一个特定的应用程序,所以它值得考虑它们的相对优势和劣势。

红外光谱光谱的采集速度远远超过了传统分散的乐器。英国《金融时报》方法产生光谱显示一个更好的信噪比,随着波长范围与一个非常精确的参考激光校准,提供更高的精度比红外波长。

红外分光光度计是在1940年代中期。最初,他们的应用程序在有机化合物,主要局限于研究工作,主要在石油化工领域。这些第一次仪器分散扫描分光光度计(图3)和缓慢。色散仪器仍在,找到了新生,在小说的应用程序中,因为他们可以更容易小型化和制造更便宜,生产小型palm-top包与简单的操作系统手机上运行。

图3: 原理图显示的布局分散红外分光光度计。

今天,大多数的研究和开发不仅年级中仪器类型的英国《金融时报》表示。他们的发展可以追溯到1890年代的工作阿尔伯特·迈克耳逊学习时,光的速度,发明了“干涉仪”,他获得了诺贝尔奖。一个红外光谱仪器使用一个干涉仪(图4),它包含一个源,分束器,两个镜子,激光器和探测器。能量从源到分束器将光束分为两个部分。一部分是传送到一个移动的镜子,另一种是反映一个固定的镜像。来回移动的镜子移动在一个恒定的速度,由校准激光的响应控制。两光束反射的镜子和重组回到分束器,产生干涉图样,传播虽然样品室(如果存在样品吸光度发生)检测器。这个信号然后接受英国《金融时报》函数来生成一个光谱。

由此产生的干扰波形,称为“干涉图”,(稍后讨论)由英国《金融时报》仪器编码在所有波长测量的所有信息。然而,生成一个可判断的光谱,信号必须先接受一个傅里叶变换计算量的数学函数。1966年Coey-Tukey算法的发展^6,7提供了一个捷径计算,“快速傅里叶变换FFT。加上第一个商业计算系统的出现,使得发射第一个商用红外光谱,FTS-14, 1969年⁸(图5)。

图4: 原理图显示一个干涉仪的工作原理。

图5: 示意图显示红外光谱谱仪的工作原理。数据显示下面讨论的红外光谱分析的步骤。

使用一个红外光谱分析收益如下。

1. 源:红外发光的黑体所发射的能量源和光束通过一个光圈,控制的能量。
   
2. 干涉仪:红外光束进入干涉仪,已经“光谱编码”进行描述。干涉仪使用参考激光精确波长校准。
   
3. 示例:红外光束进入样品室,通过或传播反射表面的样品;特定频率的能量吸收的独特特征样本的样本。
   
4. 检测器:梁最终通过检测器的最终测量。
   
5. 计算机:信号数字化,FFT计算发生和最后的红外光谱呈现给用户。

现在有一系列的红外光谱仪器和通用互换配件,允许气体、液体和固体样品的不同的大小和形式分析了相同的基本工具。值得注意的是,普通玻璃不仅不是中传播,因此所有光学仪器和抽样配件必须由其他合适的红外光学材料。早期技术开发所需固体样品分析物是地面和与IR-transmissible基质混合,经常溴化钾(KBr),在高压小固态磁盘。这些被安装在一个保持者传输测量。液体(水的含)样本通常形成IR-transmissible光盘等薄膜在两个小的间隔。时间和重现性都是用这种方法的问题。

在过去的30年里,已经有越来越多的采用替代品,尤其是现在无处不在的技术“ATR”(衰减全反射)。这个设备可以容纳少量的液体或固体样品放置到一个晶体窗口没有实际样品制备要求,允许光谱聚集在几秒钟。分析了固体时,坚决按到晶体窗口的顶部固定夹(图6)。现在大多数发表的固体样品申请使用这种形式的设备。其他类型的设备,如反射半球漫反射率或气体样品密封细胞也可用于特定的应用程序。甚至还有96 -位置微量滴定板由黄金和其他格式IR-compatible材料,允许大规模筛选使用特别适应红外光谱附属单位。⁹

图6: 使用ATR抽样配件。

一个典型的操作方式(图7)首先需要一个背景光谱收集“空白”。这将包含吸光度值从整个光束路径(光学和大气)。然后分析样本,空白频谱相减产生特有的光谱响应示例。两个波数分辨率(通常4 - 16厘米¹)和co-added扫描(通常是8到64)需要特定于应用程序的优化平衡达到一个可接受的信噪比。个人快速扫描,通常小于1秒在现代的乐器,所以co-adding扫描和背景光谱减法,分析工作流ATR设备上一个样品可以完成在不到2分钟。这使得FTIR-ATR特别适合测量100或1000的样品生产或筛选应用程序,包括代谢组指纹。¹⁰

图7: 生产一个典型的频谱的工作流。

红外光谱光谱信息丰富,但这一事实可以使用和解释他们的挑战。一个有用的引物红外光谱可以找到解释在这里。即使是一个简单的、纯粹的、单复合样品,像香兰素(图8),具有多峰谱。在这种情况下,库匹配方法经过身份验证的标准可能确定混合在一个单独的组件,但这是不可能在其他化合物的复杂混合物。问题是大多数有机物含有碳(C)的组合,氢(H)、氮(N)和氧(O)在单引号或双原子债券,因此相同的多个吸收峰重叠复合化合物。简单地试图“眼球”大量的光谱来判断或者样品他们来自不同在某种程度上那么迅速变成了一个巨大的挑战,即使是有经验的分析师。为了解决这个问题,常用的红外光谱数据与统计建模方法相结合,如多变量分析(MVA)在化学环境中通常被称为“化学计量学”。

图8: 红外光谱谱的香兰素,大峰波数表示。波数(cm¹)显示在X轴对吸光度在Y轴上。来源:作者。

红外光谱光谱数据是非常适合伏安技术,在他们的心脏只需要多个光谱从每个样本收集和构造成一个单一的数据矩阵。这里,每个表行是一个样本的完整的光谱,每一列是对齐的吸光度为特定连续波数在所有的样品。这种形式、技术主成分分析(PCA)可以应用于探索和可视化可能基于类不同样本组的光谱响应之间的关系有效地通过他们的分数的情节。这给立即“可解释性”样本的差异,这是非常难以衡量从简单over-laying光谱不同样本的类。PCA得分图的一个例子是图9所示为原料与加工生物样本的分化。

图9: 生物油样品显示原始(红色)相比,材料加工(绿色)。红外光谱谱(左)和派生的PCA分数图(右)所示。来源:作者。

当定量目标(例如,集中值),MVA方法,如部分最小二乘回归,可用于构建量化价值校准等属性的预测化学浓度,使用数据之前聚集在每个样本的组成与其他分析技术。这些已知值代入算法计算然后确定最佳光谱特性与外部利益的价值。后一种方法很受欢迎,当适当的计划和验证,它可以使红外光谱有效替代湿法化学分析为新的未知样品(相同的类型),节省时间和金钱。MVA构建模型的一个有用的结果是产生的统计输出表,除了样本块,使构建的模型中使用的最重要的波长。从这个信息通常可以解释一些直接化学见解。

红外光谱几乎总是被认为是“中期”的红外光谱。不仅Non-FT中色散仪器不能产生这种广泛的扫描速率较慢,并且它的力量(信噪比)是如此贫穷。然而,近红外光谱有更多的能量,non-FT色散仪能产生相似的光谱mid-FTIR仪器。但这将需要更长的时间,所以决议(分别为实际测量的数量)往往是低。

下面的图表(图10)显示了乐队产生的主要官能团(1500厘米¹及以上)。该地区500 - 1500厘米¹不仅在中地区,被称为指纹区,并提供独特的特定化合物的分子指纹不能伪造。

图10: 图表显示了红外波段产生的主要官能团和特定于每个化合物的指纹区。

不仅的形状和结构中对近红外光谱有很大的不同,不仅与中包含锐利而清晰的光谱吸收光谱带(图11)有机物种,从而借技术结构说明和化合物鉴定。同时,分子特征的详细数据表函数组波数区域已整理并公布多年来,许多在特定的应用领域。有机分子不仅强烈吸收中辐射,所以良好的光谱可以获得相对较少的样本材料(例如,一些粉末颗粒)。缺点包括不耐受的水(淬灭了红外信号即使出席只是几个百分点)。此外,事实上,有机物通常不仅吸收中这么好意味着产生的光谱只会从几微米的示例渗透和代表同构发生有限。因此,更加小心复制样品制备和分析是必要的。

近红外光谱的优势包括化学和物理属性的强烈反应的样本对总体样本(例如,有用分级应用程序)。达到更多的样品近红外光谱辐射渗透,只有弱吸收,所以增加抽样量可能会增加灵敏度,获得更好的同构发生,要求测量样品制备少得多。近红外光谱与化学特异性相关联的主要缺点。大多数NIR分子反应是一级(或更高版本)色彩,表现出度的信号重叠,可能限制歧视性的权力。然而,被认为是优势与劣势完全是特定于应用程序的,所以不仅两中近红外光谱仪器被广泛用于不同的应用程序。

图11 :典型的近红外光谱的例子(左)不仅对中(右)光谱。注意,不仅解决中额外的光谱特性。样本干蚊子,旨在识别疟疾病媒脊椎动物血餐,按蚊arabiensis。信贷:复制旺达,密纹唱片,Mapua, S.A., Siria, D.J. et al. 2019下Creative Commons归因4.0国际许可证。

红外光谱坐在相当独特的“甜蜜点”的设备成本,易于使用,它可以产生的信息。其灵活性已经应用到更多的领域比本文中有讨论的空间。一系列制药和医学应用越来越普遍。¹¹

此外,一个特别有趣的技术发展在过去的20年里一直位于红外光谱化学成像的外观和演化视频芯片(焦点所在数组,“平安险”)使用显微镜。而红外光谱显微镜已经存在自1970的标准格式,他们只是用一个单点红外探测器,和任何成像只能通过大量的单一空间测量缝合在一起。这样的图像,甚至小的物体如削减组织块厘米²要花费几个小时的时间来收集。现代中红外成像芯片,如一个一般大小的128 x 128像素阵列(但可以更高的分辨率),现在已经成为标准。一个128 x128阵列产生16000空间解决光谱扫描。图像可以获得在30 - 60秒,并已成为广泛应用这使得空间应用解决,取证,考古文物、物理污染物等塑料微粒、医药压平板电脑测试¹²疾病状态和组织活检筛查和诊断预测成为可能。^13,14FTIR-FPA可以有效地应用于化学信号的情况下需要解释在一个广泛的空间环境。^15,16

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