显微镜红外光谱测试技术及应用.pptx

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1、一、红外显微镜的种类二、红外显微镜的结构三、显微红外光谱测试技术四、影响显微红外光谱质量的因素五、显微红外光谱的数据处理第1页/共137页一、红外显微镜的种类第2页/共137页普通红外显微镜 Nic-Plan，Inspect IR Plus，Centaurs，IR-Plan，iN10 MX 自动逐点扫描成像显微镜（Mapping）Continum，iN10 MX 自动线扫描或面扫描成像显微镜（Imaging）Continum XL，ImageMax，iN10 MX 第3页/共137页Nic-Plan第4页/共137页Inspect IR Plus第5页/共137页第6页/共137页自动逐点扫描

2、成像显微镜（Mapping）Continum第7页/共137页Continum XL线扫描红外线扫描红外成像显微镜成像显微镜第8页/共137页ImageMax 面扫描红外显微镜面扫描红外显微镜第9页/共137页iN10 MX普通红外显微镜，自动逐点扫描成像显微镜，自动线扫描成像显微镜第10页/共137页二、红外显微镜的结构第11页/共137页照明光源：白炽灯，荧光灯，发光二极管滤光片：蓝色，黄色红外物镜和聚光器光栏光路补偿器玻璃物镜和摄像系统检测器显微镜附件样品台第12页/共137页红外物镜Cassegrain聚光器第13页/共137页光栏单光栏系统双光栏系统固定孔径光栏可变孔径光栏（手动调节

3、，计算机控制）第14页/共137页使用单光栏的红外显微镜，当光栏孔径很小时，红外光会发生衍射，衍射的结果，会将光栏外面样品的信息加到所测光谱中。使用双光栏红外显微镜，光的衍射不会影响光谱质量，光谱只包含所感兴趣的区间的样品信息，而不受样品区间周围介质的影响。第15页/共137页双光栏系统第16页/共137页固定孔径光栏通常是圆形光栏，光栏直径为1.5毫米。当使用光栏直径为1.5毫米的固定孔径光栏时，不存在光衍射问题。这时只需使用下光栏，将上光栏取下，变成单光栏系统。测试时，将待测样品至于十字线中间，调节聚焦旋钮，将上表面聚焦好。然后将下光栏聚焦在十字线中间即可测试。只使用下光栏时，视野大，易于

4、找到待测样品区间，也易于找到背景区间。第17页/共137页固定孔径光栏固定孔径光栏第18页/共137页手动调节手动调节可变矩形可变矩形光栏光栏第19页/共137页使用矩形可变光栏时，孔径要尽量大，光栏边长小于20微米时，红外光会发生衍射光栏孔径变小时，光谱的信噪比会变得很差使用矩形可变光栏，便于测试细长样品，如纤维样品第20页/共137页Continum红外显微镜采用一个折返式可变光栏红外光束通过光栏，照射样品后的光束通过反射，又经过同一个光栏到达检测器，单光栏起双光栏作用第21页/共137页 光源 检测器 折返式光栏二色性镜二色性镜无限校无限校 正正 物镜物镜 无限无限 校正校正 聚光器聚光

5、器 样品样品 二色性镜二色性镜 透射模式透射模式第22页/共137页 检测器检测器 折返式光阑折返式光阑 光源光源二色性二色性 镜镜无限无限 校正校正 物镜物镜样品样品 分光镜分光镜 反射模式反射模式第23页/共137页光通过长方形孔时的衍射图样光通过长方形孔时的衍射图样光的衍射第24页/共137页光通过矩形孔的时衍射图样光通过矩形孔的时衍射图样光孔线度越小，衍射图样越扩展，衍射效应越强，中心光强越来越弱。第25页/共137页光通过圆孔时的衍射图样光通过圆孔时的衍射图样第26页/共137页红红外外光光斑斑宽宽度度不不同同时时，不不同同波波长长的的红红外外光光零零级级衍衍射射发散角的数据发散角的

6、数据(红外物镜为红外物镜为15X)。发散角发散角 /(的单位为的单位为弧度，弧度，波长，波长，狭缝宽度狭缝宽度，），）红外光斑狭红外光斑狭缝宽度缝宽度（微米）（微米）光栏狭缝宽光栏狭缝宽度（度（）（微米）（微米）4000cm-1(=2.5)时发时发散角散角（）（度）（度）1000cm-1(=10)时发时发散角散角（）（度）（度）650cm-1 (=15.4)时时发散角发散角（）（度）（度）11530向向散射过渡散射过渡向散射过渡向散射过渡57562424361015031218203001.569 100 1500 0.3 1.2 1.8第27页/共137页光路补偿器有上光路补偿器和下光路补偿

7、器上光路补偿器安装在物镜下方下光路补偿器和聚光器装配在一起第28页/共137页待测样品应放在晶片上面，或待测样品应放在晶片上面，或将样品夹在两片晶体之间测试。将样品夹在两片晶体之间测试。由于光路通过晶片时会发生折由于光路通过晶片时会发生折射，聚焦时，样品表面的光栏射，聚焦时，样品表面的光栏边缘会模糊不清。有了上补偿边缘会模糊不清。有了上补偿和下补偿后，可以聚焦得很清和下补偿后，可以聚焦得很清楚。楚。第29页/共137页第30页/共137页 如果没有光路补偿，肉如果没有光路补偿，肉眼聚焦好后，此时检测器检眼聚焦好后，此时检测器检测到的能量并非最高，为了测到的能量并非最高，为了使检测器检测到的能量

8、最高，使检测器检测到的能量最高，也就是说为了使测到的光谱也就是说为了使测到的光谱信噪比最高，需要一边看着信噪比最高，需要一边看着干涉图，一边重新聚焦。干涉图，一边重新聚焦。第31页/共137页使用一片金刚石窗片时，下补偿旋转到1位置使用两片金刚石窗片时，上下补偿都旋转到1位置使用2mm厚NaCl晶片时，下补偿旋转到2位置使用3mm厚BaF2晶片时，下补偿旋转到3位置第32页/共137页检测器普通红外显微镜和自动逐点扫描成像显微镜使用MCT/A检测器（4000-650cm1）。线扫描红外成像显微镜装有两个检测器：一个是普通的MCT/A检测器，另一个是线扫描用的光导MCT/A检测器。面扫描成像显微

9、镜使用焦平面阵列MCT检测器。iN10 MX红外显微镜可以安装三个检测器：DTGS(4000-450cm1),MCT/A,MCT/A线阵列检测器（4000720 1）第33页/共137页线扫描光导MCT/A检测器有两排检测单元，每排有14个检测单元，每个检测单元面积为20 x20微米(15X物镜）。每次扫描两条线的光谱。线扫描成像比面扫描成像慢一些。线扫描红外显微镜不需要步进扫描红外光学台，即不需要配置8700型红外光谱仪器。第34页/共137页 焦平面阵列焦平面阵列MCT检测器检测元件检测器检测元件面积为面积为44mm，上面排列着，上面排列着6464个个检测单元，每个检测单元检测单元，每个检

10、测单元66微米，单微米，单元之间间隔元之间间隔1.5微米。也有微米。也有256256，320256和和640512个检测单元的焦平个检测单元的焦平面阵列面阵列MCT检测器。来自样品的红外检测器。来自样品的红外光（透射或反射）聚焦在二维光（透射或反射）聚焦在二维MCT阵阵列检测器上列检测器上 。第35页/共137页ImageMax显微镜的工作原理显微镜的工作原理经过样品的红外光束（透射或反射）聚焦在二维经过样品的红外光束（透射或反射）聚焦在二维MCTMCT阵列检测器上阵列检测器上xy 样品 焦平面阵列检测器样品样品焦平面阵列焦平面阵列MCT检测器检测器第36页/共137页红外显微镜附件Refla

11、chromat（反射消色差物镜）ATR物镜（ZnSe,Si,Ge和金刚石晶体）Slide-on ATRGrazing angle（掠角反射物镜）Visible（可见光物镜）第37页/共137页ATRATR物镜物镜15X15X反射反射消色消色差物差物镜镜玻璃玻璃物镜物镜红外红外物镜物镜Slide-on ATR物物镜镜掠角掠角反射反射物镜物镜第38页/共137页ATR物镜：物镜：（ZnSe,Si,Ge和金刚石和金刚石晶体晶体）Slide-on ATR安装架安装架装在物镜上装在物镜上第39页/共137页iN10 MX 红外显微镜 Slide-on ATR（Ge晶体）光通量达50，可测最小3微米第40

12、页/共137页三、显微红外测试技术 显微红外有透射显微红外和反射显微红外两种测试方法第41页/共137页 透射显微红外 光谱的测定 第42页/共137页透射式红透射式红外显微镜外显微镜的光路的光路第43页/共137页窗片材料金刚石溴化钾氯化钠氟化钡第44页/共137页显微红外显微红外所使用的所使用的金刚石池金刚石池第45页/共137页第46页/共137页溴化钾，氯化钠和氟化钡窗片，它们的硬度小，容易损坏，易污染，不容易聚焦。溴化钾和氯化钠溶于水，氟化钡不溶于水。第47页/共137页均相固体样品的测试测试粉末样品时，用针头取微量样品放在一片金刚石窗片上，盖上另一片金刚石，用拇指挤压金刚石，将样品

13、压平，最好压成透明薄片。测试时，取下一片金刚石。测试块状和薄膜样品时，用手术刀片刮下或切下微量样品，转移至一片金刚石窗片上。测试方法和测试粉末样品相同。第48页/共137页显微红外测试时不需要添加任何稀释剂。显微红外光谱真实，能反映样品的本质光谱。溴化钾压片法，会出现水的吸收峰，还会使谱带变形。第49页/共137页溴化钾压片显显微微红红外外显微红外和溴化钾压片的可比性第50页/共137页微量固体样品的测试只要肉眼能看得见的样品只要在放大镜下能看得见的样品样品的用量几个纳克第51页/共137页花粉管顶端样品（花粉管顶端样品（10X10微米）的显微红外光谱（分辨率微米）的显微红外光谱（分辨率16c

14、m-1,扫描扫描128次）次）第52页/共137页聚双酚聚双酚A A碳酸酯碳酸酯聚乙烯聚乙烯/聚二甲基硅氧烷聚二甲基硅氧烷聚对苯二甲酸乙烯酯聚对苯二甲酸乙烯酯乙烯乙烯/醋酸乙烯酯共聚物醋酸乙烯酯共聚物袋装注射液中的悬浮袋装注射液中的悬浮物的显微红外光谱物的显微红外光谱第53页/共137页液体样品的测试测试有机液体时，可取微量液体放在金刚石、溴化钾或氯化钠窗片上测试。测试水溶液样品时，将液体滴在氟化钡窗片上，待水挥发后测试残留物。第54页/共137页未知物的红外光谱剖析单一组分未知物的分析固体混合物的组分分析 机械混和的固体混合物 均相固体混合物黑色橡胶的分析液体混合物的分析第55页/共137页

15、对未知物进行剖析，必须有谱库，而且谱库中的光谱要足够多。对被检测的物质光谱对谱库进行检索，如果谱库中存在被检测物质的光谱，就可以检索出来。如果被检测的物质在谱库中没有光谱，即使检索，也检索不出来，就无法确定被检测的是什么物质。第56页/共137页对红外光谱分析工作者的要求对一张已知结构的物质的光谱，应能指出主要吸收峰的振动模式。反过来，根据一张光谱中吸收峰的峰型、峰位和很高，应能判断是否为某一结构的物质光谱。对一张未知物的光谱，根据主要吸收峰的位置，应能说出未知物中含有哪些基团，但是无法说出未知物是哪种物质，除非是您非常熟悉的物质的光谱。第57页/共137页单一组分单一组分聚合物的分析聚合物的

16、分析第58页/共137页塑料盖子的显微红外光谱塑料盖子的显微红外光谱第59页/共137页第60页/共137页塑料盖子塑料盖子聚丙烯聚丙烯(全同异构全同异构)第61页/共137页固体混合物的组分分析机械混和的固体混合物将机械混合的粉末样品撒在载波片上，在40倍显微镜下，用针头挑出不同形状、或不同晶型、或不同颜色的颗粒分别测试，即可得到各个组分的光谱。40倍显微镜下不能挑出机械混合物中各个组分进行分别测试时，可对金刚石表面上的样品多测试几个点，可以得到不同的光谱。或用Mapping测试得到不同的光谱。第62页/共137页机械混和二组分混合物的分析（显微镜下能分开）第63页/共137页固体混合物中两

17、固体混合物中两种不同晶型物质种不同晶型物质的显微红外光谱的显微红外光谱混合物成分混合物成分1 1混合物成分混合物成分2 2第64页/共137页谱库检索结果谱库检索结果羰甲基纤维素钠羰甲基纤维素钠混合物成分混合物成分1 1第65页/共137页谱库检索结果谱库检索结果混合物成分混合物成分2 2多聚磷酸钠多聚磷酸钠第66页/共137页机械混和三组分混合物的分析（显微镜下不能分开各个组分）第67页/共137页混合物样品显微红外测定，混合物样品显微红外测定，不同区间得到不同的光谱不同区间得到不同的光谱ABC第68页/共137页对光谱 A 进行谱库检索第69页/共137页A无水无水Na2SO4第70页/共

18、137页对光谱 B 进行谱库检索第71页/共137页B偏重亚硫酸钠偏重亚硫酸钠Na2S2O5第72页/共137页ABC光谱 C 中含有光谱 A 和 B 的成分第73页/共137页将光谱将光谱C中中1290920cm-1区间生成直线，然后检索。区间生成直线，然后检索。第74页/共137页乙二胺四乙酸二钠乙二胺四乙酸二钠第75页/共137页乙二胺四乙酸二钠乙二胺四乙酸二钠C三组分混合物：无水Na2SO4偏重亚硫酸钠Na2S2O5乙二胺四乙酸二钠第76页/共137页均相固体混合物的剖析第77页/共137页白色固体溴化钾压片光谱第78页/共137页氟硼酸钾氟硼酸钾第79页/共137页白色固体溴化钾压片

19、氟硼酸钾氟硼酸钾第80页/共137页碳酸钠粉色：未知物粉色：未知物红色：碳酸钠红色：碳酸钠紫色：氟硼酸钾紫色：氟硼酸钾第81页/共137页黑色橡胶的分析黑色橡胶的分析（二组分）（二组分）第82页/共137页黑色橡胶的光谱第83页/共137页滑石粉第84页/共137页滑石粉的光谱黑色橡胶光谱第85页/共137页从黑色橡胶光谱中将滑石粉的强吸收峰生成直线后得到的光谱第86页/共137页检索结果为天然橡胶第87页/共137页滑石粉天然橡胶黑色橡胶天然橡胶滑石粉碳黑第88页/共137页未知液体混合物的分析（三组分）第89页/共137页未知液体光谱未知液体光谱第90页/共137页甲醇第91页/共137页

20、未知液体未知液体甲醇甲醇第92页/共137页未知液体滴在载波片放在未知液体滴在载波片放在4040烘箱中，烘箱中，甲醇挥发后剩余的液体光谱甲醇挥发后剩余的液体光谱第93页/共137页乙酸钙第94页/共137页剩余液体乙酸钙第95页/共137页甲醇未知液体乙酸钙第96页/共137页甲醇未知液体乙酸钙乙酸第97页/共137页交通事故物证的分析测试交通事故物证的分析测试主要是比对分析肇事车辆车上的油漆和现场遗留油漆的分析测试第98页/共137页现场遗留油漆车上油漆现场遗留油漆和车上油漆现场遗留油漆和车上油漆 完全相同完全相同第99页/共137页现场遗留油漆车上油漆现场遗留油漆和车上油漆不完全相同，现场

21、遗留油漆中添加了碳酸钙和滑石粉。第100页/共137页第一层第一层第二层第二层第四层第四层第六层第六层第七层第七层车号为车号为C70251C70251车漆的显微红外光谱车漆的显微红外光谱第101页/共137页第一层第一层第二层第二层第四层第四层第六层第六层第七层第七层事故现场遗留车漆的显微红外光谱事故现场遗留车漆的显微红外光谱第102页/共137页包裹体的测试石油勘探中岩心油含量的分析岩石中水含量的分析矿物中水和有机质的分析第103页/共137页在对包裹体进行分析之前，岩片要进行切片，用胶粘在载波片上，两面抛光，薄片厚度最好小于100微米。用丙酮将载波片上的胶溶解，使薄片脱离下来。第104页/

22、共137页含有碳氢化合物和水的包裹体的显微红外光谱含有碳氢化合物和水的包裹体的显微红外光谱 基体为硅酸盐基体为硅酸盐第105页/共137页硅酸盐基体的显微红外光谱硅酸盐基体的显微红外光谱硅酸盐基体中包裹体的显微红外光谱硅酸盐基体中包裹体的显微红外光谱第106页/共137页包裹体的显微红外光谱包裹体的显微红外光谱第107页/共137页502502胶的光谱胶的光谱包裹体的光谱包裹体的光谱第108页/共137页约约100100微米厚碳酸钙基体微米厚碳酸钙基体 的显微红外光谱的显微红外光谱第109页/共137页自动逐点扫描成像（Mapping）光谱的测试第110页/共137页测试Mapping光谱时，

23、样品表面不同区间的组分应有差别，如机械混合的混合物、病变组织生物样品、混熔聚合物、岩心包裹体等。测试前，应设定光谱分辨率、扫描次数、扫描面积、步长、光栏大小等参数。第111页/共137页心急梗死心脏组织切片的自动逐点扫描心急梗死心脏组织切片的自动逐点扫描Mapping光谱光谱第112页/共137页 反射显微红外 光谱的测定 第113页/共137页反射式红外反射式红外显微镜光路显微镜光路第114页/共137页 反射式显微红外光谱反射式显微红外光谱 的信噪比的信噪比 反射显微红外收集的是样品的反射光反射显微红外收集的是样品的反射光和散射光，这两部分光的强度比透射和散射光，这两部分光的强度比透射光的

24、强度要低得多。而且这两部分光光的强度要低得多。而且这两部分光只有只有50%能收集到，因此反射显微红能收集到，因此反射显微红外光谱的信噪比要比透射显微红外光外光谱的信噪比要比透射显微红外光谱的信噪比低得多。谱的信噪比低得多。第115页/共137页 反射式显微红外光谱反射式显微红外光谱 样品的制备样品的制备 不需要制样。不需要制样。使用镀金镜面为景。使用镀金镜面为景。测试不透光的样品。测试不透光的样品。第116页/共137页 反射显微红外光谱反射显微红外光谱 的特点的特点第117页/共137页煤炭中树皮的显微反射光谱样品光栏为圆孔煤炭中树皮的显微煤炭中树皮的显微反射光谱反射光谱样品光栏为圆孔样品光

25、栏为圆孔出现干涉条纹出现干涉条纹第118页/共137页煤炭中树皮的显微反射红外光谱煤炭中树皮的显微反射红外光谱测试样品和背景单光束光谱时都不测试样品和背景单光束光谱时都不使用光栏，此时不出现干涉条纹。使用光栏，此时不出现干涉条纹。用用%Reflectance表示：光谱吸收峰方向表示：光谱吸收峰方向朝下朝下。第119页/共137页 煤炭中树皮的显微反射红外光谱煤炭中树皮的显微反射红外光谱将将%Reflectance转换成吸光度转换成吸光度光谱光谱（Absorbance）第120页/共137页钟陵煤矿煤中树皮的显微反射光谱钟陵煤矿煤中树皮的显微反射光谱第121页/共137页iN10 MX 红外显微

26、镜测试反射光谱时，不出现干涉条纹原因是物镜比其他显微镜的物镜大，入射角比较大第122页/共137页红色：红色：A4纸的显微反射光谱；纸的显微反射光谱；黑色：黑色：A4纸上激光打印字的显微反射光谱纸上激光打印字的显微反射光谱iN10 MX 红外显微镜红外显微镜的反射红外光谱的反射红外光谱第123页/共137页影响显微红外光谱质量的因素尽量采用透射法，而不采用反射法样品尽量布满光栏孔径样品不能太厚，样品要挤压得很薄，样品太厚时，光谱容易变形光谱分辨率和扫描次数的选择要合适第124页/共137页分辨率4cm-1 时，扫描64次，即可以得到信噪比很高的光谱。如果样品信号很弱，分辨率可降低到8或16cm

27、-1，扫描128次。第125页/共137页显微镜的性能。显微镜中有很多个反射镜，这些镜面长期暴露在空气中会掉上灰尘，影响高波段（40001000cm1）红外光的反射率，使高波段的红外光谱信噪比降低。第126页/共137页显微红外光谱的数据处理消除水汽和二氧化碳吸收峰消除干涉条纹基线校正第127页/共137页消除水汽和二氧化碳吸收峰消除水汽和二氧化碳吸收峰 显微镜是开放体系，大气中的水显微镜是开放体系，大气中的水汽和二氧化碳对光谱的干扰比在汽和二氧化碳对光谱的干扰比在光学台中测试光谱干扰严重。虽光学台中测试光谱干扰严重。虽然可以使用气体吹扫，但效果不然可以使用气体吹扫，但效果不显著。显著。第12

28、8页/共137页二氧化碳吸收峰二氧化碳吸收峰水汽吸收峰水汽吸收峰必须将显微红外光谱中的必须将显微红外光谱中的二氧化碳吸收峰生成直线二氧化碳吸收峰生成直线第129页/共137页消除干涉条纹消除干涉条纹 当样品压得很平时，容易产当样品压得很平时，容易产生干涉条纹。当样品光谱中出现生干涉条纹。当样品光谱中出现干涉条纹时，可以用基线校正的干涉条纹时，可以用基线校正的方法将干涉条纹消除掉。方法将干涉条纹消除掉。第130页/共137页干涉条纹干涉条纹第131页/共137页干涉条纹干涉条纹第132页/共137页干涉条纹干涉条纹第133页/共137页基线校正 当样品硬度较高，挤压样品时颗粒较粗，会使样品光谱的基线倾斜，基线倾斜时可对基线进行校正。光谱基线倾斜是由于光散射造成的。当光的波长小于颗粒直径时，会出现光散射。第134页/共137页修饰后碳纳米管的显微红外光谱（基线校正前）基线校正后第135页/共137页谢谢!第136页/共137页感谢您的观看！第137页/共137页