主题：【分享】无活动部件、无气路的便携式近红外及中红外光谱仪

无活动部件、无气路的便携式近红外及中红外光谱仪
      摘要：本文介绍了一种具有可变滤光阵列的近红外/ 红外（NIR/IR）光谱仪。它没有活动部件、也没有暴露于大气的光路。这种光谱仪非常稳定，可广泛应用于实验室外需要通过红外分析进行材料定性和定量分析的许多场合。
A Portable NIR and Mid-IR Spectrometer With
No Moving Parts and No Air Path

Paul A. Wilks, Jr., Donald S. Lavery, and Sandra Rintoul

Abstract: A variable filter array NIR/IR spectrometer is described that has no moving parts and no optical path that is exposed to ambient air. It is extremely rugged and will find many applications outside the laboratory wherever infra-red analyses are required for materials identification as well as quantitative data.

        自20 世纪40 年代商品化红外光谱仪（IR）问世以来，其装置中始终存在一些可活动的组件，如狭缝测微计、波长调节器、光阻器、记录仪机械装置，以及用光栅代替棱镜时需要改变的模块化滤光器。随着傅里叶变换红外光谱仪（FTIR）的问世，精密的干涉仪机械装置代替了上述部件中的绝大多数，然而仍然有些活动部件未被替代。这两种红外光谱仪都有与大气相通的许多气路，也使得其必须通过净化空气的方法消除外部气体产生的吸收带，或者采取双波长光学系统、扣除贮存的背景谱带、或两种措施兼用的补偿措施。基于这些原因，红外光谱仪作为一种复杂装置，必须安装在具有较好环境的研究或质量控制（QC）实验室中。

        尽管20 世纪70 年代采用的基于红外滤波器的仪器已大大减少了活动部件，但绝大多数仪器仍需要光阻器，而且暴露在空气中的光路也更短。这样，能满足任何场所分析需要的便携式红外滤波器得以实现商品化。然而，这类仪器的主要问题是大多采用固定波长，仅能用于某些特殊用途。
        最近检测器阵列和线性可变滤光器（linear variable filters，LVFs）的进展使得无活动部件、无暴露气路的红外光谱仪成为可能。
        目前，IR 检测器具有三种不同的检测器阵列：热电偶、光电（硫化铅和硒化铅）及热电（钽化锂）检测器。对于中红外光谱仪，主要选用热电检测器。这是因为它可覆盖从可见光到远红外的整个红外光 区。现已有大小为15mm × 1.5mm 的64 单元阵列。128 单元阵列也即将得到应用，但正如下文所述，64 单元阵列可为绝大多数的应用提供足够的分辨率。此外，LVFs的分辨率是影响光谱分辨率的主要因素，而增加像素对光谱分辨率影响几乎没有影响。
        线性可变滤光器是楔形干涉滤光器，从一端到另一端发射波长逐渐变化。通常LVFs可以覆盖一个倍频程，也就是2.5~5.0μm或5.5~11μm 。这是最有用的两个中红外范围。现在已可以生产大小为15mm×1.5mm的该类滤光器。
        从进样的角度看，利用衰减全反射（ATR）元件已成为在固体、液体和半固体上获得中红外数据的最常用方法。图1 是LVF、检测器阵列及一个ATR 进样平台的组合示意图。尽管一个点光源的辐射可以散播在阵列元件上产
生均匀的发射光，然而线光源能在ATR 样品表面及检测器阵列上产生更均匀的发射光。这种设计实质上就是5 个点光源的依次排列，它可以产生近5 倍高的信噪比。在ATR 元件表面可以产生10 次样品反射。

图2 所示是去掉上端组件后的 InfraSpec 可变滤光器阵列红外光谱仪（VFA-IR,Wilks Enterprise，Inc.，Norwalk，CT）。其大小为140mm × 140mm × 35mm 或 5.5 英寸× 5.5 英寸× 1.25 英寸。ATR 的样品面积是45mm × 15mm 或 1.75 英寸× 0.625 英寸。对于近中红外而言， ATR 材料采用立方体氧化锆；对于 5.5~11 μm 范围，ATR 材料采用 ZnS 或 ZnSe。

与应用电脑程序操作FTIR 一样，VFA 光谱仪也可用用户友好型的程序进行操作。VFA 光谱仪稳定性好、体积小。操作者所需要的分析数据，都可通过VFA 光谱仪获得。图3 比较了FTIR 中典型的1米+光程I0 和零光程VFA 光谱仪的光谱图。

1 光谱性能

        光谱性能随着所用 ATR 晶体材料和 LVF 波长范围的不同而不同。如上述，LVF 可以覆盖一个倍频程，例如 2.5~5.0 μm（OH/ CH 范围）、5.5~11 μm（指纹范围）和 7~14 μm（气体指纹范围）。采用氧化锆立方晶体时，LVF 覆盖的范围是2.5~5.0 μm；采用ZnS 时，LVF覆盖的范围是5.5~11 μm；采用ZnSe时，LVF 覆盖的范围是7~14 μm。

        尽管与实验室使用的 FTIRs 典型的 1~4 cm-1 的分辨率相比，VFA 光谱仪的分辨率较低，但比待测量的绝大多数材料的主要吸收带的带宽要小；而且光谱仪的分辨率越低，信噪比越大，因此总的灵敏度越高。

  具有 ATR 进样平台的 VFA 光谱的有效光路长度可按下式决定：


其中，λ是波长，n1 是晶体折射率，n2 是样品折射率