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Q&A-傅里叶变换红外光谱仪

1.      常见S/N指标有几种? 如何进行比对?

答:目前较常见的S/N指标有峰-峰值S/N(P-P Signal to Ratio,也称基线噪声),峰-峰噪声值(Peak-to-Peak Noise)RMS(Root Mean Square)三种。由于三种指标分别由不同的方式测得,因此各指标间无法用明确的公式进行换算,可比性较差。

三种指标中峰-峰值S/N比使用最多,测试条件为4 cm-1分辨率,1 min扫描,2100 cm-1~2000 cm-1附近,岛津、BrukerDigilabJasco等均使用此指标。

Nicolet使用峰-峰噪声值,测试条件为1 min Avatar 330Avatar370 Nicolet 4700 -峰噪声值分别为2.9×10-5, 2.2×10-58.68×10-6, 分别相当于峰-峰值S/N15000:120000:150000:1左右。

PE在其低端产品Spectrum RX、通用机型Spectrum One和略高机型Spectrum GX中使用了不同的指标。Spectrum One使用峰-峰值S/N比,测试条件分别为5s1 min,结果为6000:124000:1Spectrum RX使用RMS值,测试条件分别为4s1min,结果为15000:160000:1,相当于峰-峰值S/N3000:112000:1左右;Spectrum GX 使用RMS值和峰-峰值S/N比两种指标,测试条件分别为5s1min,结果为45000:118000:1RMS),9000:136000:1(峰-峰值S/N)。自相矛盾,太乱!

1998年国家教委等部门批准实施的26种现代分析仪器的检定规程中,FTIR使用指标为基线噪声(P-P4 cm-1分辨率,5次扫描2100 cm-1附近),详情可参见《现代仪器使用与维修》1998年第二期第28页。岛津等公司比照此规程,使用峰-峰值S/N比(P-P4 cm-1分辨率,1 min扫描2100 cm-1~2000 cm-1附近),两者间大约为4~6倍的关系。

      综上所述,如遇此类指标比对,可向客户介绍目前市场上指标不尽统一且无法简单比较的状况,阐述教委相关规定及多数厂家均使用峰-峰值S/N比这一指标的总体趋势,帮助客户了解情况,以形成客户对Nicolet PE指标的质疑。如有标书制作,可按比较表和上述指标进行应答。

2.      IRPrestige-21在防潮措施上有何特点?

答:IRPrestige-21采用多重防潮措施,防止分束器劣化,使干涉仪保持稳定的干涉状态。

   首先,IRPrestige-21干涉仪内置除湿装置,只需主机通电,无需开机即可进行对干涉仪微小局部的除湿工作,大大提高了除湿效率,同时降低了维护负担和光源的损耗。以往很多红外光谱仪即使无样品测试工作也要开机,点亮光源,以损耗光源寿命来达到烘干干涉仪和除湿的目的。还有很多红外光谱仪需外配除湿机,通过对整个实验室的环境除湿来保护干涉仪,除湿效率低,仪器维护负担较大。

   其次,IRPrestige-21在干涉仪通往样品的光路中采用KRS-5窗板,达到良好的防潮效果。KRS-5是碘化铊和溴化铊的结晶,是良好的红外透过性材料,其防潮性能极佳,远远优于KBr,因此与其它厂家的使用KBr窗板的设计相比,IRPrestige-21实现卓越的防潮性能。KRS-5虽为有毒物质,但仅在加工过程中对作业人员有毒性,用于IRPrestige-21时,KRS-5窗板封闭在主机机舱内,实验室人员和维修人员接触不到,因此IRPrestige-21不影响的安全使用。

   IRPrestige-21在防潮方面还采用了干涉仪密闭结构和分束器防潮涂层等措施,目前各厂家生产的傅里叶变换红外光谱仪中均已采用,其设计优点和效果在此不再多述。

 

3.       岛津产品中“30°角入射迈克尔逊干涉仪中的30°角是指哪两者之间的角度? 此设计有何优势?

答:岛津产品中“30°角入射迈克尔逊干涉仪是指红外光的入射分束器的入射角为30°(入射光与法线间夹角),也是分束器与动镜(或定镜)间夹角为30°,即动镜与定镜间夹角为60°。

   PE产品Spectrum系列中谈及的“60°入射角”与岛津“30°角入射迈克尔逊干涉仪”相同,只是提法不一致。

   Bruker等公司产品中使用45°入射角,即动镜与定镜间夹角90°。

   “30°角入射迈克尔逊干涉仪设计,与传统的动镜与定镜间夹角为90°的设计相比,具有光通量大的优点,使更多的光能通过干涉仪系统,可提升入射光利用率,提高分析测试灵敏度。

Bruker产品因使用角型镜,且受干涉仪空间限制,因此无法使用30°入射角,其光能量利用率在此设计方面不占优势。

 

4.      目前市场上有几类常用中红外检测器?

答:目前市场上常用的中红外检测器有两大类,分别为热释电型检测器和量子型检测器。

   热释电型检测器无需制冷,可在室温下使用,适用于常规分析,是通用型检测器。常用热释电型检测器有三种,分别为DLATGS(氘化L-丙氨酸硫酸三苷肽),DTGS(氘化硫酸三苷肽)和LiTaO3(硫酸三苷肽)。其中DLATGS热电系数高于DTGS,因此灵敏度较高,其对温度变化也较为稳定,但因其成本高于DTGS,故常用于偏高机型;而LiTaO3虽对温度变化的稳定性优于DLATGS,且价格低廉,但热电系数较低,灵敏度略差,故常用于低端机型;DTG热电系数和成本介于DLATGSLiTaO3之间,常用于中档机型。

   量子型检测器响应速度快,灵敏度高,需在液氮制冷条件下使用,适用于红外显微镜和原位红外分析。常用量子型检测器为MCT检测器(碲镉汞检测器)。

 

5.      岛津产品使用哪种中红外检测器?有何优势?

答:岛津IRPrestige-21FTIR-8400S均使用DLATGS元件的热释电型检测器(标准配置)。

   DLATGS热电系数高,因此灵敏度较高,其对温度变化也较为稳定,性能优于DTGSLiTaO3

当前傅里叶变换红外光谱仪中常规的中红外检测器均为热释电型检测器,与岛津产品同档次的仪器中,Nicolet 4700/5700在中红外区现也使用DLATGS(其前身产品Nexus 470/670使用DTGS),Nicolet Avatar330/370Bruker Tensor 27/37 PE Spectrum One B型等使用DTGS PE Spectrum One A 则使用LiTaO3

 

6.      如何应对其它厂家对岛津产品扫描速度不高的攻击?

答:对红外分析来说,扫描速度并非越快越好,当然也不是越慢越好。

当前傅里叶变换红外光谱仪中常规的中红外检测器均为热释电型检测器,其信号值与接受的光能量成正相关关系。扫描速度快时,完成一次扫描所用的时间较短,由于从光源发出的光的强度相对恒定,因此会导致样品和检测器接受的光能量偏低,通常达不到分析测试灵敏度的需求。若扫描速度过慢时,虽然可产生足够的光通量,但所需分析测试时间较长,亦不利于样品分析。

所以红外分析常根据样品的状态和分析目的来选择适当的扫描速度。静态样品分析中,一般采用较慢的扫描速度(5通常 mm/sec以下),以期得到良好的谱图,快速扫描很少使用。在原位红外分析中,为捕捉样品的动态变化,需用较快的扫描速度和具有高灵敏度的MCT检测器,但此类应用极少,仅出现在尖端科研领域。

由于快速扫描的所需求的仪器精度较高,因此增加了仪器造价和成本,对于仅用于静态样品的分析目的来说,完全没有必要。片面追求扫描速度指标的高低,势必带来资金和配置的浪费。

 

7.      岛津产品的波数精度,与其它公司产品相同还是不同?为什么?

答:岛津产品的波数精度为0.01 cm-1, 与其它公司生产的傅里叶变换红外光谱仪相同。

   传统的用光栅分光的色散型红外分光光度计中,其波数精度由光栅的旋转机构来决定,因此各厂家各机型略有不同。傅里叶变换红外光谱仪中,由于采用He-Ne激光取样,波数精度由He-Ne激光来决定,因此波数精度高,为0.01 cm-1

   当前市场中各厂家的傅里叶变换红外光谱仪产品,均采用He-Ne激光取样,因此波数精度相同,都是0.01 cm-1

 

8.      简述FJS机构的原理和特点。

答:FJS机构即为Flexible Joint Support机构,是岛津FTIR产品的迈克耳逊干涉仪中动镜进行平行往复运动的支持机构。

   为确保干涉仪的处于良好的干涉状态,理论上,动镜应平行地、对光轴没有任何偏移地进行往复运动,且可长时间保持高精度。但由于真正的机械运动中无法实现此状态,各种FTIR产品开发了不同的机构,以将动镜在移动过程中的偏移降到最低,并保持长期稳定性。

   岛津FJS机构原理如下图所示。


 


 

FJS机构为一平行四边形连杆机构,其顶板固定,由顶板通过两块平行板吊挂连接部,动镜则固定于连接部上。此平行四边形各顶点用可自由弯曲的软片连接,因此连接部和移动镜可在与顶板平行的情况下进行顺畅的往复运动,与固定镜间保持恒定夹角,确保干涉仪的处于良好的干涉状态。由于其中使用的可自由弯曲的软片是用耐弯折的特殊材料制成的,因此具有长期的稳定性,可使干涉仪长时间保持高精度。

传统的空气轴承可长时间保持高精度,但需空气气源供应,且造价昂贵,目前很少使用。

 

9.      简述ADA机构的原理。

答:ADA机构即高级动态准直(Advanced Dynamic Alignment)机构,其结构和原理示意图如下图所示。


 

      如前所述,为保持良好的干涉状态,理论上要求移动镜在移动过程中应进行平行的往复运动,任何偏移都将导致干涉状态的劣化。ADA机构中,与红外光束通过同一光路的He-Ne激光的信号由激光检测器适时接收,得到此时的干涉状态,由数字式信号处理技术(DSP)计算其与最佳状态之差后,反馈至连接在固定镜上的压电元件,通过适时改变压电元件的电压,连续微调固定镜倾角,保持固定镜和移动镜夹角保持恒定,消除适时状态和最佳状态之差,确保干涉仪随时处于最佳干涉状态。

   目前岛津和Nicolet等厂家的产品均采用此ADA技术,对干涉仪的干涉状态进行适宜调整。

 

10.  如何应对Nicolet产品中ADA调整频率可达130,000/的指标?

答:此调整频率指标仅出现于某些信息网页上如www.instrument.com.cn, 但在Nicolet经常向客户出具的英文样本中却从未提及。由于Nicolet在中国区的销售并无中文样本,各指标向来以其英文样本为依据,因此这一频次极高之指标没有出现在其英文样本上,实属可疑。

 

11.  PE产品不使用ADA技术有何优缺点?

答:PE产品不使用ADA技术,而是使用DynaScan改良型迈克尔逊干涉仪,其结构及原理如下图所示。

  

      ADA技术不同,此DynaScan改良型迈克尔逊干涉仪中,无移动镜存在,形成干涉光的两平面镜均为固定镜,且在分束器和固定镜之间有一摆动板,上有两对折射镜。经分束器的红外光,经摆动板上折射镜后到达固定镜,随摆动板的移动,两束光间光程差不断变化,产生干涉。

此结构可消除ADA中由于动镜移动而产生的的固定镜和移动镜间夹角的偏差,有利于干涉状态的稳定,但系统中必须引入多个折射镜,光能量损失较大,亦不利于分析测试。