红外光谱介绍及测试方法

　　一、重庆大学电镜中心红外光谱仪器

　　1.仪器品牌、型号：Nicolet iS5 傅里叶变换红外光谱仪

　　2.主要技术指标：

　　① 光谱范围：7800-350cm-1。

　　② 干涉仪：VECTRA磁浮式干涉仪。

　　③ 分束器：镀Ge的KBr分束器；检测器：DLaTGS。

　　④ 光源：Ever-Glo长寿命空冷中远红外光源。

　　⑤ 分辨率：优于0.8cm-1。

　　⑥ 信噪比S/N：优于40000：1（1分钟扫描，KBr分束器，DTGS检测器，4cm-1光谱分辨率）。

　　⑦ 波数精度：优于0.01cm-1。

　　⑧ 配备多种测样附件。

　　3.主要功能：

　　各种类型、各种状态（固、液、气）样品的红外光谱测定分析，表征分子中基团、价键的存在与否（极性共价键）。广泛应用于样品的分子结构分析、样品成份的定性定量分析（成份解剖分析）、产品的研究开发等方面。

　　二、红外光谱的测试原理

　　光源发出的光被分束器(类似半透半反镜)分为两束，一束经透射到达动镜，另一束经反射到达定镜。两束光分别经定镜和动镜反射再回到分束器，动镜以一恒定速度作直线运动，因而经分束器分束后的两束光形成光程差，产生干涉。干涉光在分束器会合后通过样品池，通过样品后含有样品信息的干涉光到达检测器，然后通过傅里叶变换对信号进行处理，最终得到透过率或吸光度随波数或波长的红外吸收光谱图。

　　三、红外光谱的测试步骤（以Nicolet iS5 傅里叶变换红外光谱仪为例）

　　（一）、适用范围：本方法适用于液体、固体、气体、金属材料表面镀膜等样品。

　　（二）操作步骤：

　　1. 开机与自检

　　（1）按光学台、打印机及电脑顺序开启仪器，光学台开启后3min即可稳定。

　　(2) 开始/所有程序/Thermo scientific OMNIC, 或者点击桌面上的快捷方式，选择所需操作软件。

　　(3) 仪器自检:打开软件后，仪器将自动检测。

　　(4) 主机左上角的两个指示灯分别代表: 激光、扫描。激光指示灯常亮，扫描指示灯闪烁。如果出问题时，激光指示灯将熄灭。

　　2. 样品ATR检测

　　(1) 垂直安放ATR试验台，旋上探头，保持探头尖端距离平台一定高度。此时，电脑显示智能附件，自检后，点击确定。

　　(2)将样品(固体或者液体pH=5~9，非腐蚀性、非氧化型、不含Cl的有机溶剂)放在平台检测窗上，将探头对准检测窗，顺时针旋下，紧贴样品，直到听见一声响声后采集数据。

　　(3)清洗样品台，更换样品或结束实验时，用酒精棉擦洗检测台，等待其自然风干。

　　3.样品E.S.P.检测

　　安装样品架，电脑显示附件、自检后，点击确定。把制备好的样品放入样品架，然后插入仪器样品室的固定位置上，待稳定后采集数据。

　　4. OMNIC 软件操作

　　(1)进入采集，选择实验设置对话框，设置实验条件。

　　①扫描次数通常选择32。

　　②分辨率指的是数据间隔，通常固体、液体样品选4，气体样品选择2。

　　③校正选项中可选择交互K-K校正，消除刀切峰。

　　④采集预览相当于预扫。

　　⑤文件处理中的基础名字可以添加字母，以防保存的数据覆盖之前保存的数据。

　　⑥可以选择不同的背景处理方式: 采样前或者后采集背景；采集一个背景后，在之后的一段时间内均采用同一个背景；选择之前保存过的一个背 景。

　　⑦光学台选项中，范围在6-7为正常。

　　⑧诊断中可以进行准直校正(通常一个月进行一次，相当于能量校正)，和干燥剂试验。

　　(2)设定结束，点击确定，开始测定。

　　①点击采集样品，弹出对话框。输入图谱的标题，点击确定。准备好样品后，在弹出的对话框中点击确定，开始扫描。

　　②扫描结束后，弹出对话框提示准备背景采集。采集后，点击“是”，自动扣除背景。

　　③也可以设定先扫描背景，按采集背景光谱，然后扫描样品 。

　　(3)可对采集的光谱进行处理，以下按钮分别为:选择谱图、区间处理、读坐标(按住shift 直接读峰值)、读峰高(按住shift自动标峰，调整校正基线)、读峰面积、标信息(可拖拽)、缩放或者移动。

　　(4)采集结束后，保存数据，存成SPA格式(omnic软件识别格式)和CSV格式(Excel可以打开)。

　　(5)用ATR测定时，无论先测背景还是后测背景，只要按照提示进行测定。测定结束后，需清理试验台，无水乙醇清洗探头和检测窗口，晾干后测定下一个样品。

　　四、红外光谱的在建材上的应用

　　1. 岩石和矿物的鉴定

　　用于建材方面的岩石、矿物很多，其中有许多矿物可通过红外进行定性或定量的测定。一些常见碳酸盐矿物在700cm-1附近都有一个特征带。方解石为711cm-1，白云石为727cm-1，菱镁矿为748cm-1，文石为700和1083cm-1。这些吸收带大都非常尖锐，因而可以定量地确定这些矿物的相对含量。例如作为水泥原料和混凝土集料的石灰石，其中常含有少量的白云石，白云石的含量可用红外定量地测定。测定的方法可根据白云石727 cm-1带的绝对强度，也可根据此带与方解石的711 cm-1带的强度之比。此外，对于石灰石中常含有的二氧化硅、碧玉、磷酸盐等杂质，也可由红外迅速加以鉴别。

　　2.水泥矿物的鉴定

　　对于水泥矿物的定性分析是肯定的，半定量的测定也是可能的。普通硅酸盐水泥的主要矿物为C3S、C2S、C3A和C4AF。根据资料介绍，阿利特的特征吸收带为925、895~885、520和465cm-1，贝利特为965~985和845~850cm-1，熟料中的硫酸盐为1080~1100cm-1，高铝水泥中的铝酸盐为770cm-1。

　　3. 水化研究

　　普通硅酸盐水泥水化前后，谱带的位置发生了显著的变化。865cm-1带是A1-OH键形成的标志，980cm-1带为C-S-H的特征吸收。865cm-1带强度的增长速度超过了980cm-1带，说明C3A的水化比硅酸盐的水化要快得多。同时也证明了，在缺乏充足的硫酸根离子时，铝酸盐水化形成的并非钙矾石，而是水化铝酸钙。650和1100cm-1带的逐渐消失，表明硬化水泥中的硫酸盐已消耗怠尽。同样，515cm-1带的逐渐减弱，说明了水泥中的硅酸盐和铝酸盐的不断水化。位于3420cm-1的宽带可归因于H2O。700cm-1处产生的新带可能是由于水化硅酸钙和水化铝酸钙的碳化引起的。

　　4.在混凝土方面的应用

　　下面举例说明。在聚合物混凝土的研究中，红外发挥了有效的作用。Sugama等研究了C2S和C3S对乙烯型聚合物混凝土热稳定性的影响，发现3020~2900cm-1带（为甲基丙烯酸甲酯中的CH2振动）发生了明显的变化，据此推断出填料中的CaO与聚合物中的-CH2-发生了反应。砂浆中的甲基丙烯酸甲酯由单体向多聚体的转化过程也是由红外得到证明的。

　　在渗硫混凝土的研究中，Berry使用了拉曼光谱。在活性混凝土集料的研究中，Hirche发现，当集料在3800和2800cm-1处具有较强的红外吸收时，具有碱活性。