红外傅里叶变换光谱仪用ATR装置

　　1 引 言

　　在实际应用中， 需要了解很多材料的分子结构及其经过物理或化学变化的情况。 傅里叶光谱仪的优点是光通量大、分辨率高、 信噪比大和光谱范围宽等，是分析研究工作的一种主要手段[1-4]。对有些不透明、 高度吸收和散射红外光的样品， 常规的红外透射分析方法不适用，而用衰减内全反射(ATR) 分析技术能得到满意的红外光谱图[5]，它特别适用于用一般制样方法不能制备的样品， 尤其适合于表面涂层和表面反应的研究，在高分子材料的红外光谱鉴定分析及有机材料的表面研究中尤其重要[6-7]。 ATR技术的使用拓展了傅里叶光谱仪的使用功能， 满足了科研和生产重大项目的需要。

　　本文介绍了红外傅里叶光谱仪用ATR 装置的基本原理， 对光学系统设计和机械结构设计进行了讨论。

　　2 基本原理

　　当一束光线从高折射率材料进入低折射率样品时， 如入射角大于临界角则产生全内反射。 理论上所有能量被反射， 但实际上， 光束总有些透过反射表面或渗入一些，穿透到样品表面内一定深度， 其形成的驻波电场强度在样品内部以指数形式衰减。

　　在不同波长区域， 样品吸收能量的多少各不相同， 全反射光束的能量会有强有弱， 样品吸收能量越多， 其反射能量越弱。 一般一次反射获得的能量变化是相当小的，光谱的吸收带很弱，如增加全反射次数， 样品多次吸收光束的能量， 反射光谱中吸收带就越强。

　　为得到质量较好的ATR 光谱图， 根据待测样品选择合适的棱镜材料和最佳入射角。 棱镜的折射率和入射角大， 穿透深度低， 样品吸收能量少，光谱吸收带弱但光谱畸变小; 反之， 若入射角小， 穿透深度大， 光谱图中吸收带强度会发生畸变，选择合适的入射角才能得到较好的光谱。

　　3 系统设计

　　3.1 光路设计

　　为了能得到满意的ATR 光谱图， 应根据实际情况综合考虑光谱强度和穿透深度。 提高 ATR 的光谱强度，即有较深的穿透深度和较多的反射次数， 但有时增加反射次数将导致能量利用率下降， 二者相互矛盾。 水平 ATR 装置可对粘性液体和较厚样品进行光谱分析， 但体积较大， 因此， 我们采用竖直式光路设计[8]。内全反射次数为：

　　棱镜的材料为KRS-5， 入射角 θ 为 45° ， 考虑KRS-5 有毒， 大块材料价格较贵且加工较难， 红外傅立叶光谱仪样品室空间尺寸的限制， 取晶体长度 L 为45 mm， 外形为平行四边形， 为了有一定的光能利用率， 晶体厚度 T 为 3 mm， 则内全反射次数 N=14。