消除水汽吸收峰干扰的红外光谱测量方法

红外光谱可测量固体、液体、气体等各形态样品,提供丰富的分子内化学键间相互作用和分子间相互作用等结构信息,因此红外光谱在化学、物理学、材料科学、环境科学、药物科学等领域得到广泛应用。红外光谱是非常灵敏的分析测试手段,可实现微区分析和痕量分析,甚至可得到单分子层厚度样品的信息。水是强极性分子,在红外光谱区域有强吸收。如果红外光谱仪内部的水汽含量过高,将严重影响仪器的工作性能和寿命,给分析工作带来很大困扰。空气中的水汽对红外测量的干扰主要体现在以下3个方面:

(1)红外光谱仪常使用溴化钾(KBr)等光学材料作窗片、分束器(Beamsplitter)等,这类碱金属卤化物的光学材料在潮湿氛围中容易吸湿。光谱仪内部的水汽含量过高时该类光学材料变污,从而影响光的透过率,导致能量损失,降低仪器的工作性能。实际工作中,为满足光谱仪干燥的工作条件,光谱实验室的相对湿度要求低于70%。

(2)水分子强烈吸收红外辐射。一般情况下,从光源到红外检测器的光路中存在大量空气。若光谱仪内部水汽的含量过高,水分子吸收红外光部分波段的能量,导致水分子吸收区域的红外能量降低,因而影响红外谱图的信噪比。实际工作中,红外光谱仪的光源、干涉仪和检测器等主要部件多为半密封,密封部分通常放有分子筛和硅胶等干燥剂,以保证相对干燥的气氛,使相对湿度低于40%。从原理上讲,仪器内部越干燥,越有利于获得高质量的光谱图。样品室是红外光谱仪较特殊的部位。由于取放样品的缘故,样品室的门要经常打开,使得样品室的空气与房间的空气经常交换,因此其相对湿度较大,且湿度数值易随时间波动。

(3)现代傅立叶变换红外光谱仪为单光路仪器。测量时要分别测量背景单光束谱和样品单光束谱。因为两者的测量时间有先后,所以光路中水汽的含量往往随时间改变而出现差别。若水汽的含量在样品单光束谱与背景单光束谱中不相等(不一致),则水汽的红外谱带将出现在*终的样品谱图上,称为水汽噪音谱带。要获得高质量的样品光谱,*理想的情况是水汽噪音谱带完全不出现或水汽谱带的强度远小于待研究谱带的吸收强度。

1真空技术

测量时仪器内不含任何水汽分子是消除水汽对红外光谱不良影响的*好办法。真空仪器就是为达到这一重要目的而设计的。待样品放进样品室后,将光谱仪的内部包括样品室部分抽至真空,再进行测量。在这种情况下,由于整个体系不含水分子,扫描阶段实时显示的水汽谱带的强度近乎为0。真空光谱仪测量得到的仪器100%线接近完美,无水汽干扰。现代真空光谱仪,如Bruker公司生产的VERTEX系列,其抽真空的时间很短,完全满足快速分析的要求。真空仪器的缺点是较昂贵,且不适合易挥发样品或在真空中不稳定样品的测试。对红外显微镜或其它较大的红外附件,真空技术也受到严重限制。例如,在变温红外光谱测量时,如何将加热设备置入真空体系仍是目前难以解决的问题。

2干燥气体吹扫技术

在常规溴化钾压片测量时,样品的红外光谱信号较强(比如吸光度A约为0.5),水汽噪音远低于样品的红外信号。这种情况下,无需采取任何措施,即可获得满意的红外光谱。但如果测量的样品量很少或样品信号很弱,水汽噪音即使很小,也必须考虑水汽噪音的消除问题。

除真空技术,还可用干燥空气或干燥氮气来填充和占据整个光谱仪体系,消除水汽的干扰。将待测样品放入样品室后,向光谱仪内部通入干燥气体,经较长时间(一般0.5h以上)吹扫后,体系内的水汽已经很少且含量基本恒定,即可测量记录光谱图。测量背景单光束谱和样品单光束谱前均需长时间吹扫,因此这种吹扫技术对快速分析是一个挑战。Bruker等主要红外仪器供应商提供的光谱仪一般都留有连通干燥气体吹扫的接口。

3样品穿梭技术

如果光谱仪内部的水汽含量保持恒定,即测量背景单光束谱与样品单光束谱时仪器内的水汽含量不发生变化,那么水汽噪音带就不会出现在*终的光谱图上。穿梭器技术就是利用这一原理而设计的。经常打开样品室是造成样品室水汽含量上下波动的原因。为解决这一问题,将背景和样品同时置于样品室内的穿梭器架上,然后关闭样品室。一段时间(水汽吸附过程)后仪器内部的水汽含量达到平衡,空气的相对湿度不再随时间发生明显改变。在样品室保持关闭的情况下,穿梭器系统可以分别将背景或样品导入或导出测试光路,完成背景谱图或样品谱图的测试。在整个测量期间,由于水汽含量基本保持恒定,所以水汽背景被扣除而不会出现在*终的光谱图上。

对溴化钾压片、液膜和聚合物薄膜类型的样品测量,穿梭器技术非常有效。但对于其它红外附件,如衰减全反射(ATR)和反射吸收附件等,穿梭器技术并不适用。

4光谱差减技术

计算机技术的发展使光谱差减技术应运而生。若测量的样品光谱中出现水汽的谱带,例如聚苯乙烯的红外光谱中除聚苯乙烯谱带外,还出现了水汽的谱带,那么将夹带有水汽吸收带的聚苯乙烯红外光谱减去纯水汽的光谱则可能消除水汽的影响。差减技术应用较广,选择合适的差减因子对获得高质量的光谱非常重要。理论上,差减因子接近于1时获得的光谱质量较好。在实际工作中发现,对弱信号体系,差减技术很难彻底消除水汽噪音的影响。美国分子薄膜**Ulman建议,在测量单分子层的红外光谱时,应尽量避免使用光谱差减技术。

5智能空气补偿技术

根据不同湿度下测量得到的水汽的高分辨光谱,结合多变量分析,计算得到水汽的理论光谱。将计算得到的水汽光谱与实际测量时出现的水汽噪音带比较,现代仪器和计算机软件可实时扣除水汽噪音的影响。值得注意的是,现阶段的理论计算谱与实际的水汽谱有一定误差。尽管智能空气补偿技术能为实际测量提供一定参考和便利,但在微弱信号体系或远红外区域,主要还是通过真空仪器或干燥气体吹扫技术来完成高质量光谱的采集。

真空技术、干燥气体吹扫技术均可以用于消除水汽干扰的红外光谱测量方法。真空、干燥气体吹扫和穿梭器技术,在完成多次扫描(1→N)任务过程中,保持水汽吸收峰不出现,主要适用于封闭体系和特定的制样方法。