紅外光譜可測(cè)量固體、液體、氣體等各形態(tài)樣品,提供豐富的分子內(nèi)化學(xué)鍵間相互作用和分子間相互作用等結(jié)構(gòu)信息,因此紅外光譜在化學(xué)、物理學(xué)、材料科學(xué)、環(huán)境科學(xué)、**科學(xué)等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。紅外光譜是非常靈敏的分析測(cè)試手段,可實(shí)現(xiàn)微區(qū)分析和痕量分析,甚至可得到單分子層厚度樣品的信息。水是強(qiáng)極性分子,在紅外光譜區(qū)域有強(qiáng)吸收。如果紅外光譜儀內(nèi)部的水汽含量過(guò)高,將嚴(yán)重影響儀器的工作性能和壽命,給分析工作帶來(lái)很大困擾?？諝庵械乃麑?duì)紅外測(cè)量的干擾主要體現(xiàn)在以下3個(gè)方面:

(1)紅外光譜儀常使用溴化鉀(KBr)等光學(xué)材料作窗片、分束器(Beamsplitter)等,這類堿金屬鹵化物的光學(xué)材料在潮濕氛圍中容易吸濕。光譜儀內(nèi)部的水汽含量過(guò)高時(shí)該類光學(xué)材料變污,從而影響光的透過(guò)率,導(dǎo)致能量損失,降低儀器的工作性能。實(shí)際工作中,為滿足光譜儀干燥的工作條件,光譜實(shí)驗(yàn)室的相對(duì)濕度要求低于70%。

(2)水分子強(qiáng)烈吸收紅外輻射。一般情況下,從光源到紅外檢測(cè)器的光路中存在大量空氣。若光譜儀內(nèi)部水汽的含量過(guò)高,水分子吸收紅外光部分波段的能量,導(dǎo)致水分子吸收區(qū)域的紅外能量降低,因而影響紅外譜圖的信噪比。實(shí)際工作中,紅外光譜儀的光源、干涉儀和檢測(cè)器等主要部件多為半密封,密封部分通常放有分子篩和硅膠等干燥劑,以保證相對(duì)干燥的氣氛,使相對(duì)濕度低于40%。從原理上講,儀器內(nèi)部越干燥,越有利于獲得高質(zhì)量的光譜圖。樣品室是紅外光譜儀較特殊的部位。由于取放樣品的緣故,樣品室的門(mén)要經(jīng)常打開(kāi),使得樣品室的空氣與房間的空氣經(jīng)常交換,因此其相對(duì)濕度較大,且濕度數(shù)值易隨時(shí)間波動(dòng)。

(3)現(xiàn)代傅立葉變換紅外光譜儀為單光路儀器。測(cè)量時(shí)要分別測(cè)量背景單光束譜和樣品單光束譜。因?yàn)閮烧叩臏y(cè)量時(shí)間有先后,所以光路中水汽的含量往往隨時(shí)間改變而出現(xiàn)差別。若水汽的含量在樣品單光束譜與背景單光束譜中不相等(不一致),則水汽的紅外譜帶將出現(xiàn)在*終的樣品譜圖上,稱為水汽噪音譜帶。要獲得高質(zhì)量的樣品光譜,*理想的情況是水汽噪音譜帶完全不出現(xiàn)或水汽譜帶的強(qiáng)度遠(yuǎn)小于待研究譜帶的吸收強(qiáng)度。

1真空技術(shù)

測(cè)量時(shí)儀器內(nèi)不含任何水汽分子是消除水汽對(duì)紅外光譜**影響的*好辦法。真空儀器就是為達(dá)到這一重要目的而設(shè)計(jì)的。待樣品放進(jìn)樣品室后,將光譜儀的內(nèi)部包括樣品室部分抽至真空,再進(jìn)行測(cè)量。在這種情況下,由于整個(gè)體系不含水分子,掃描階段實(shí)時(shí)顯示的水汽譜帶的強(qiáng)度近乎為0。真空光譜儀測(cè)量得到的儀器100%線接近**,無(wú)水汽干擾?，F(xiàn)代真空光譜儀,如Bruker公司生產(chǎn)的VERTEX系列,其抽真空的時(shí)間很短,完全滿足快速分析的要求。真空儀器的缺點(diǎn)是較昂貴,且不適合易揮發(fā)樣品或在真空中不穩(wěn)定樣品的測(cè)試。對(duì)紅外顯微鏡或其它較大的紅外附件,真空技術(shù)也受到嚴(yán)重限制。例如,在變溫紅外光譜測(cè)量時(shí),如何將加熱設(shè)備置入真空體系仍是目前難以解決的問(wèn)題。

2干燥氣體吹掃技術(shù)

在常規(guī)溴化鉀壓片測(cè)量時(shí),樣品的紅外光譜信號(hào)較強(qiáng)(比如吸光度A約為0.5),水汽噪音遠(yuǎn)低于樣品的紅外信號(hào)。這種情況下,無(wú)需采取任何措施,即可獲得滿意的紅外光譜。但如果測(cè)量的樣品量很少或樣品信號(hào)很弱,水汽噪音即使很小,也必須考慮水汽噪音的消除問(wèn)題。

除真空技術(shù),還可用干燥空氣或干燥氮?dú)鈦?lái)填充和占據(jù)整個(gè)光譜儀體系,消除水汽的干擾。將待測(cè)樣品放入樣品室后,向光譜儀內(nèi)部通入干燥氣體,經(jīng)較長(zhǎng)時(shí)間(一般0.5h以上)吹掃后,體系內(nèi)的水汽已經(jīng)很少且含量基本恒定,即可測(cè)量記錄光譜圖。測(cè)量背景單光束譜和樣品單光束譜前均需長(zhǎng)時(shí)間吹掃,因此這種吹掃技術(shù)對(duì)快速分析是一個(gè)挑戰(zhàn)。Bruker等主要紅外儀器供應(yīng)商提供的光譜儀一般都留有連通干燥氣體吹掃的接口。

3樣品穿梭技術(shù)

如果光譜儀內(nèi)部的水汽含量保持恒定,即測(cè)量背景單光束譜與樣品單光束譜時(shí)儀器內(nèi)的水汽含量不發(fā)生變化,那么水汽噪音帶就不會(huì)出現(xiàn)在*終的光譜圖上。穿梭器技術(shù)就是利用這一原理而設(shè)計(jì)的。經(jīng)常打開(kāi)樣品室是造成樣品室水汽含量上下波動(dòng)的原因。為解決這一問(wèn)題,將背景和樣品同時(shí)置于樣品室內(nèi)的穿梭器架上,然后關(guān)閉樣品室。一段時(shí)間(水汽吸附過(guò)程)后儀器內(nèi)部的水汽含量達(dá)到平衡,空氣的相對(duì)濕度不再隨時(shí)間發(fā)生明顯改變。在樣品室保持關(guān)閉的情況下,穿梭器系統(tǒng)可以分別將背景或樣品導(dǎo)入或?qū)С鰷y(cè)試光路,完成背景譜圖或樣品譜圖的測(cè)試。在整個(gè)測(cè)量期間,由于水汽含量基本保持恒定,所以水汽背景被扣除而不會(huì)出現(xiàn)在*終的光譜圖上。

對(duì)溴化鉀壓片、液膜和聚合物薄膜類型的樣品測(cè)量,穿梭器技術(shù)非常有效。但對(duì)于其它紅外附件,如衰減全反射(ATR)和反射吸收附件等,穿梭器技術(shù)并不適用。

4光譜差減技術(shù)

計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展使光譜差減技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。若測(cè)量的樣品光譜中出現(xiàn)水汽的譜帶,例如聚苯乙烯的紅外光譜中除聚苯乙烯譜帶外,還出現(xiàn)了水汽的譜帶,那么將夾帶有水汽吸收帶的聚苯乙烯紅外光譜減去純水汽的光譜則可能消除水汽的影響。差減技術(shù)應(yīng)用較廣,選擇合適的差減因子對(duì)獲得高質(zhì)量的光譜非常重要。理論上,差減因子接近于1時(shí)獲得的光譜質(zhì)量較好。在實(shí)際工作中發(fā)現(xiàn),對(duì)弱信號(hào)體系,差減技術(shù)很難徹底消除水汽噪音的影響。美國(guó)分子薄膜**Ulman建議,在測(cè)量單分子層的紅外光譜時(shí),應(yīng)盡量避免使用光譜差減技術(shù)。

5智能空氣補(bǔ)償技術(shù)

根據(jù)不同濕度下測(cè)量得到的水汽的高分辨光譜,結(jié)合多變量分析,計(jì)算得到水汽的理論光譜。將計(jì)算得到的水汽光譜與實(shí)際測(cè)量時(shí)出現(xiàn)的水汽噪音帶比較,現(xiàn)代儀器和計(jì)算機(jī)軟件可實(shí)時(shí)扣除水汽噪音的影響。值得注意的是,現(xiàn)階段的理論計(jì)算譜與實(shí)際的水汽譜有一定誤差。盡管智能空氣補(bǔ)償技術(shù)能為實(shí)際測(cè)量提供一定參考和便利,但在微弱信號(hào)體系或遠(yuǎn)紅外區(qū)域,主要還是通過(guò)真空儀器或干燥氣體吹掃技術(shù)來(lái)完成高質(zhì)量光譜的采集。

真空技術(shù)、干燥氣體吹掃技術(shù)均可以用于消除水汽干擾的紅外光譜測(cè)量方法。真空、干燥氣體吹掃和穿梭器技術(shù),在完成多次掃描(1→N)任務(wù)過(guò)程中,保持水汽吸收峰不出現(xiàn),主要適用于封閉體系和特定的制樣方法。