紅外吸收光譜的應用

紅外吸收光譜

大多數材料會吸收紅外光譜區域中波長為0.8 µm至14 µm的電磁輻射，這些波長是材料分子結構的特征。 紅外吸收光譜法是一種常見的化學分析工具，用于測量已穿過樣品的紅外光束的吸收率。 紅外光譜中吸收峰的位置（圖1）是樣品化學成分或純度的特征，吸收峰的強度與該峰為特征的物質的濃度成正比。

圖1.各種氣體和蒸氣的紅外透射光譜。

紅外光譜可用于氣體，液體，糊劑，粉末，薄膜和表面的定性和定量無損分析。分子的吸收光譜提供了*的吸光度“指紋”，可用于推斷樣品的化學成分和物種濃度。圖1顯示了在煙囪排放監測應用中常規測量的某些氣體的紅外吸收光譜。可以看到每種標記的氣體種類都表現出*的IR吸收模式。

紅外光譜儀通常由寬帶紅外光源，波長分離裝置和檢測器組成，如圖2所示。液體或氣體樣品通常包含在樣品池中?？梢允褂梦展庾V法或反射光譜法在原位或在支架測量系統中對固體樣品進行分析，也可以將粉末狀樣品壓制成圓片，用IR透明材料稀釋或將其稀釋成糊狀，通常稱為糊狀。

圖2.紅外光譜儀的主要組件

紅外光譜儀

用于常規化學識別和定量測量的流行紅外光譜儀包括：基于光柵的/分散式IR光譜儀，FTIR光譜儀以及基于濾光片的或非分散式IR（NDIR）儀器。特定應用的光譜儀選擇受諸如靈敏度，基質復雜性，包裝和成本要求之類的要求驅動。

色散或光柵光譜儀

色散光譜儀（圖3）使用光柵來分散和分離寬帶光的波長。色散光譜儀有兩種類型：單色儀和光譜儀。前者使用單元件光電探測器和旋轉光柵組件，而后者使用固定光柵組件和光電探測器陣列。色散光譜儀的優勢在于其簡單易用，可實現硬件小型化，同時保留掃描相對較寬光譜范圍的能力。但是，與FTIR或NDIR儀器相比，吞吐量（或光學擴展量）受限制，因為只有一小部分源光終落在光電探測器上。因此，色散光譜儀通常用于VIS和NIR光譜區域，而不是用于輻射具有較低光子能量的MIR區域。

圖3.單色儀（左）和光譜儀（右）的簡化示意圖。

FTIR光譜儀

FTIR光譜儀（圖4）通過使用干擾在時域中調制IR輻射來生成光譜，以產生干涉圖，然后對其進行傅立葉變換。 在FTIR中常用的邁克爾遜干涉儀中，使用分束器（部分反射鏡）將入射光束分成兩個相同的光束。 這些光束中的每一個都經過不同的路徑，并且在到達檢測器之前被重新組合。 路徑差，即每個光束傳播的距離之差，會在它們之間產生相位差。 該重新組合的光束是干涉圖，即作為路徑差的函數的調制信號。 對干涉圖執行傅立葉變換會產生入射光束的光譜。

圖4.帶有基本邁克爾遜干涉儀的FTIR簡化示意圖。

FTIR光譜儀比傳統的分散光譜儀具有多個優勢。首先，它可以在很寬的波長范圍內進行快速測量。 MKS MultiGas™FTIR分析儀等現代FTIR儀器可在200毫秒內完成掃描。每次掃描時，它會覆蓋大約2 µm至16 µm的整個MIR波長范圍，具體取決于光學器件的材料和儀器中使用的光電探測器的類型。其次，也許是重要的事實是FTIR光譜儀具有很高的光通量或光學擴展量。 FTIR不使用狹縫來控制儀器的波長分辨率。結果，在相同條件下，FTIR光譜儀產生的光譜通常比色散光譜儀產生的光譜“更陡峭”。這在定量分析中很重要，在定量分析中，SNR通常確定測量的靈敏度。 FTIR光譜儀的另一個優點是其波長精度和穩定性。 FTIR光譜儀通常使用激光來控制移動鏡的位置和速度，并在整個掃描過程中觸發數據點的收集。精心設計的FTIR儀器可提供非常高的單元間可重復性，而無需進行麻煩且昂貴的單個單元校準。

非色散紅外（NDIR）分析儀

NDIR分析儀是針對特定測量應用而設計的基于濾波器的儀器。例如，NDIR分析儀是用于測量煙囪排放監控中CO和CO2濃度的行業標準方法。 NDIR儀器通常不捕獲波長并生成光譜，而是捕獲與被測化學物質相關的離散波長的吸收。它們通過采用在選定的窄帶區域透射光的光學濾波器來實現。圖5顯示了NDIR儀器的基本概念。

圖5. NDIR的基本框圖，顯示了其主要組成部分。

NDIR儀器中使用的濾波器通常是干涉型，稱為“標準具”，本質上是Fabry-Perot干涉儀。它通常由分隔兩個薄膜反射器的薄膜墊片制成。在標準具中會產生波干擾，同相的波會相長地干涉并通過濾波器傳輸。其余的波具有相消干擾，因此被“阻止”。寬帶紅外源通常是由加熱的燈絲（例如鎢或Kanthal）產生的黑體輻射。

NDIR儀器的主要優點是其硬件簡單。這使NDIR儀器既低成本又堅固耐用，使其非常適合工業應用。 MKS Process Sense™是半導體工藝應用中使用的NDIR分析儀的一個示例。

可調濾波器光譜儀（TFS™）

TFS™光譜儀是指提供波長掃描功能的MKS NDIR儀器。通常通過調節法布里-珀羅元件中兩個薄膜反射器之間的間隙距離來實現波長掃描。 MKS的TFS™光譜儀通過旋轉濾光片來調節光的入射角，從而調節間隙距離。如圖6所示，隨著入射角的調整，濾光片的透射波長也隨之改變。隨著入射角的增加，透射掃描到更低的波長。

圖6. TFS光譜儀的概念。入射角的變化（左）會產生變化的波長透射率（右）

使用MKS產品的紅外光譜應用

MKS Instruments提供了幾種基于紅外光譜的排放和過程監控應用分析工具。

排放監測

通常在排放源（例如電廠煙囪和化學制造設施）上需要進行氣體排放監測。準確的監控數據是法規遵從性和環境保護計劃的重要組成部分，旨在控制和調節空氣中的污染物，例如一氧化碳，氮氧化物，二氧化硫和臭氧，以及溫室氣體，例如甲烷和二氧化碳。 MKS的MultiGas™2030系統是基于FTIR的高速，高分辨率的氣體分析儀，旨在在一秒鐘內同時監測30多種排放氣體。

化學試劑和有毒工業化學檢測

在安全行業中，對化學試劑和有毒工業化學品的快速可靠檢測的需求不斷增長。 MKS Instruments的基于FTIR的AIRGARD®系統可以在20秒內檢測出大多數化學戰劑（CWA）和有毒工業化合物的十億分之一（ppb）含量。它是行業標準，是對關鍵基礎架構建筑物中的CWA的固定監視。

半導體工藝監控

半導體化學氣相沉積工藝腔室必須定期清潔，以去除沉積在腔室壁和內部組件上的堆積物。不同工藝的合適清潔時間取決于變量之間的復雜關系，例如堆積物的厚度，腔室組件的內部溫度，沉積/濺射比以及要去除的材料的化學成分。 MKS的Process Sense™端點傳感器使用NDIR方法實時監控處理室清潔過程中的廢水。例如，Process Sense™監視器與基于氟的腔室清潔過程一起使用，以監視來自用于基于硅的沉積過程（包括多晶硅，二氧化硅和氮化硅）的腔室的副產物四氟化硅（SiF4）。傳感器實時報告腔室流出物中殘留的SiF4含量，從而使用戶能夠快速檢測清潔過程的終點，并避免過度刻蝕腔室組件，這可能導致損壞或其他維護問題。

碳氫化合物氣體的熱值測量

燃料的熱值（BTU含量）的數據是優化控制過程的重要參數，例如發電，石化制造和火炬控制。傳統上，氣相色譜（GC）是常用于確定燃料熱值的分析技術。但是，GC分析速度很慢（更新需要幾分鐘），GC儀器通常需要大量維護。 MKS的Precisive®氣體分析儀是業內一臺對烴類氣體進行定量分析的全光學分析儀。 Precisive分析儀采用獲得的TFS™分析儀技術，是一種簡單而堅固的NDIR儀器，可在經常骯臟和危險的工業環境中提供高精度的BTU測量。