紅外吸收光譜的應(yīng)用

紅外吸收光譜

大多數(shù)材料會吸收紅外光譜區(qū)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(jié)構(gòu)的特征。 紅外吸收光譜法是一種常見的化學(xué)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(xué)成分或純度的特征，吸收峰的強(qiáng)度與該峰為特征的物質(zhì)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(xué)成分和物種濃度。圖1顯示了在煙囪排放監(jiān)測應(yīng)用中常規(guī)測量的某些氣體的紅外吸收光譜。可以看到每種標(biāo)記的氣體種類都表現(xiàn)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。可以使用吸收光譜法或反射光譜法在原位或在支架測量系統(tǒng)中對固體樣品進(jìn)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?qū)⑵湎♂尦珊隣睿ǔ７Q為糊狀。

圖2.紅外光譜儀的主要組件

紅外光譜儀

用于常規(guī)化學(xué)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，F(xiàn)TIR光譜儀以及基于濾光片的或非分散式IR（NDIR）儀器。特定應(yīng)用的光譜儀選擇受諸如靈敏度，基質(zhì)復(fù)雜性，包裝和成本要求之類的要求驅(qū)動(dòng)。

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(zhuǎn)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(yōu)勢在于其簡單易用，可實(shí)現(xiàn)硬件小型化，同時(shí)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(xué)擴(kuò)展量）受限制，因?yàn)橹挥幸恍〔糠衷垂饨K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(qū)域，而不是用于輻射具有較低光子能量的MIR區(qū)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(shí)域中調(diào)制IR輻射來生成光譜，以產(chǎn)生干涉圖，然后對其進(jìn)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(gè)相同的光束。 這些光束中的每一個(gè)都經(jīng)過不同的路徑，并且在到達(dá)檢測器之前被重新組合。 路徑差，即每個(gè)光束傳播的距離之差，會在它們之間產(chǎn)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(shù)的調(diào)制信號。 對干涉圖執(zhí)行傅立葉變換會產(chǎn)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(tǒng)的分散光譜儀具有多個(gè)優(yōu)勢。首先，它可以在很寬的波長范圍內(nèi)進(jìn)行快速測量。 MKS MultiGas™FTIR分析儀等現(xiàn)代FTIR儀器可在200毫秒內(nèi)完成掃描。每次掃描時(shí)，它會覆蓋大約2 µm至16 µm的整個(gè)MIR波長范圍，具體取決于光學(xué)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(shí)是FTIR光譜儀具有很高的光通量或光學(xué)擴(kuò)展量。 FTIR不使用狹縫來控制儀器的波長分辨率。結(jié)果，在相同條件下，F(xiàn)TIR光譜儀產(chǎn)生的光譜通常比色散光譜儀產(chǎn)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(gè)優(yōu)點(diǎn)是其波長精度和穩(wěn)定性。 FTIR光譜儀通常使用激光來控制移動(dòng)鏡的位置和速度，并在整個(gè)掃描過程中觸發(fā)數(shù)據(jù)點(diǎn)的收集。精心設(shè)計(jì)的FTIR儀器可提供非常高的單元間可重復(fù)性，而無需進(jìn)行麻煩且昂貴的單個(gè)單元校準(zhǔn)。

非色散紅外（NDIR）分析儀

NDIR分析儀是針對特定測量應(yīng)用而設(shè)計(jì)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(jiān)控中CO和CO2濃度的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)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(xué)物質(zhì)相關(guān)的離散波長的吸收。它們通過采用在選定的窄帶區(qū)域透射光的光學(xué)濾波器來實(shí)現(xiàn)。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(biāo)準(zhǔn)具”，本質(zhì)上是Fabry-Perot干涉儀。它通常由分隔兩個(gè)薄膜反射器的薄膜墊片制成。在標(biāo)準(zhǔn)具中會產(chǎn)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(chǎn)生的黑體輻射。

NDIR儀器的主要優(yōu)點(diǎn)是其硬件簡單。這使NDIR儀器既低成本又堅(jiān)固耐用，使其非常適合工業(yè)應(yīng)用。 MKS Process Sense™是半導(dǎo)體工藝應(yīng)用中使用的NDIR分析儀的一個(gè)示例。

可調(diào)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(diào)節(jié)法布里-珀羅元件中兩個(gè)薄膜反射器之間的間隙距離來實(shí)現(xiàn)波長掃描。 MKS的TFS™光譜儀通過旋轉(zhuǎn)濾光片來調(diào)節(jié)光的入射角，從而調(diào)節(jié)間隙距離。如圖6所示，隨著入射角的調(diào)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(chǎn)生變化的波長透射率（右）

使用MKS產(chǎn)品的紅外光譜應(yīng)用

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

排放監(jiān)測

通常在排放源（例如電廠煙囪和化學(xué)制造設(shè)施）上需要進(jìn)行氣體排放監(jiān)測。準(zhǔn)確的監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)是法規(guī)遵從性和環(huán)境保護(hù)計(jì)劃的重要組成部分，旨在控制和調(diào)節(jié)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(tǒng)是基于FTIR的高速，高分辨率的氣體分析儀，旨在在一秒鐘內(nèi)同時(shí)監(jiān)測30多種排放氣體。

化學(xué)試劑和有毒工業(yè)化學(xué)檢測

在安全行業(yè)中，對化學(xué)試劑和有毒工業(yè)化學(xué)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(tǒng)可以在20秒內(nèi)檢測出大多數(shù)化學(xué)戰(zhàn)劑（CWA）和有毒工業(yè)化合物的十億分之一（ppb）含量。它是行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，是對關(guān)鍵基礎(chǔ)架構(gòu)建筑物中的CWA的固定監(jiān)視。

半導(dǎo)體工藝監(jiān)控

半導(dǎo)體化學(xué)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(nèi)部組件上的堆積物。不同工藝的合適清潔時(shí)間取決于變量之間的復(fù)雜關(guān)系，例如堆積物的厚度，腔室組件的內(nèi)部溫度，沉積/濺射比以及要去除的材料的化學(xué)成分。 MKS的Process Sense™端點(diǎn)傳感器使用NDIR方法實(shí)時(shí)監(jiān)控處理室清潔過程中的廢水。例如，Process Sense™監(jiān)視器與基于氟的腔室清潔過程一起使用，以監(jiān)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(chǎn)物四氟化硅（SiF4）。傳感器實(shí)時(shí)報(bào)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(diǎn)，并避免過度刻蝕腔室組件，這可能導(dǎo)致?lián)p壞或其他維護(hù)問題。

碳?xì)浠衔餁怏w的熱值測量

燃料的熱值（BTU含量）的數(shù)據(jù)是優(yōu)化控制過程的重要參數(shù)，例如發(fā)電，石化制造和火炬控制。傳統(tǒng)上，氣相色譜（GC）是常用于確定燃料熱值的分析技術(shù)。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(hù)。 MKS的Precisive®氣體分析儀是業(yè)內(nèi)一臺對烴類氣體進(jìn)行定量分析的全光學(xué)分析儀。 Precisive分析儀采用獲得的TFS™分析儀技術(shù)，是一種簡單而堅(jiān)固的NDIR儀器，可在經(jīng)常骯臟和危險(xiǎn)的工業(yè)環(huán)境中提供高精度的BTU測量。