红外光谱是分析化合物结构的重要手段。常规的透射法使用压片或涂膜进行测量对某些特殊样品( 如难溶、难熔、难粉碎等的试样) 的测试存在困难。为克服其不足20 世纪 60 年代初出现了衰减全反射( Attenuated Total Reflection ATR) 红外附件但由于受当时色散型红外光谱仪性能的限制ATR 技术的应用研究领域比较局限。80 年代初将 ATR 技术开始应用到傅里叶变换红外光谱仪上产生了傅里叶变换衰减全反射红外光谱仪( Attenuated Total internal Reflection Fourier Transform Infrared spectroscopy简称 ATR-FTIR) 。ATR 的应用极大地简化了一些特殊样品的测试使微区成分的分析变得方便而快捷检测灵敏度可达 10 9 g 数量级测量显微区直径达数微米。ATR 附件基于光内反射原理而设计。从光源发出的红外光经过折射率大的晶体再投射到折射率小的试样表面上当入射角大于临界角时入射光线就会产生全反射。事实上红外光并不是全部被反射回来而是穿透到试样表面内一定深度后再返回表面。在该过程中试样在入射光频率区域内有选择吸收反射光强度发生减弱产生与透射吸收相类似的谱图从而获得样品表层化学成份的结构信息。ATR-FTIR 通过样品表面的反射信号获得样品表层有机成分的结构信息它具有以下特点:制样简单无破坏性对样品的大小、形状、含水量没有特殊要求;可以实现原位测试、实时跟踪;检测灵敏度高测量区域小检测点可为数微米;能 得到测量位置处物质分子的结构信息、某化合物或官能团空间分布的红外光谱图像微区的可见显微图象;能进行红外光谱数据库检索以及化学官能团辅助分析确定物资的种类和性质;在常规 FTIR 上配置 ATR 附件即可实现测量仪器价格相对低廉操作简便。近年来随着计算机技术的发展ATR 实现了非均匀、表面凹凸、弯曲样品的微区无损测定可以获得官能团和化合物在微分空间分布的红外光谱图像。总之ATR-FTIR 作为红外光谱法的重要实验方法之一克服了传统透射法测试的不足简化了样品的制作和处理过程极大地扩展了红外光谱的应用范围。它已成为分析物质表面结构的一种有力工具和手段在多个领域得到了广泛应用。ATR-FTIR 的基本原理常规的透射式红外光谱以透过样品的干涉辐射所携带的物质信息来分析该物质要求样品的红外线通透性好。但很多物质如纤维橡胶等都是不透明的难以用透射式红外光谱来测量另外有时人们对分析物表面感兴趣在这些情况下红外反射就成为有力的分析工具。反射光谱包括内反射光谱、镜反射光谱和漫反射光谱其中以内反射光谱技术应用为多。内反射光谱也叫衰减全反射( ATR)光谱简称 ATR 谱它以光辐射两种介质的界面发生全内反射为基础。如图 1 所示当满足条件: 介质 1( 反射元件) 的折射率 n1 大于介质 2 ( 样品) 的折射率 n2即从光密介质进入光疏介质并且入射角 θ 大于临界角 θc ( sinθc n2 /n1 ) 时就会发生全反射。由于绝大多数有机物的折射率在 1. 5 以下因此根据 n1 n2 要求要获得衰减全反射谱需要试样折射率大于 1. 5 的红外透过晶体常用的 ATR 晶体材料有: KSR-5、锗( Ge) 、氯化银( AgCl) 、溴化银( AgBr) 、硅( Si) 等尤以前两种应用最多。KRS-5 是一种混晶有毒。通常将 ATR 晶体做成菱形体样品可以放到晶体的两个较大的侧面上。晶体的几何尺寸受到全反射次数和光谱仪光源光斑大小的约束。如果在入射辐射的频率范围内有样品的吸收区则部分入射辐射被吸收在反射辐射中相应频率的部分形成吸收带这就是 ATR 谱。实际上红外辐射被样品表面反射时是穿透了样品表面一定深度后才反射出去的。根据麦克斯韦理论当一红外束进入样品表面后辐射波的电场强度衰减至表面处的 1 /e 时该红外束穿透的距离被定义为穿透深度 dp即式中: λ1 为红外辐射在反射介质中的波长; θ 为入射角; n1、n2 分别为晶体材料和试样的折射率。由式( 1) 可知穿透深度 dp 与光束的波长、反射材料和样品的折射率及入射角三个因素影响。常用中红外辐射波长在 2. 5 25μm( 4000 400cm 1 ) 之间dp 与 λ1 同数量级这说明 ATR 谱仅能提供距界面微米级或更薄层的光谱信息这也是 ATR 技术广泛用于薄层和界面吸附层研究的一个重要原因。dp 与 λ1 成正比。不同波长的 IR 光透入样品层的深度不同在长波时穿透深度大因此ATR 谱在不同波数区间灵敏度也不相同。在长波处吸收峰因透入深度大而使峰强增大在短波处吸收峰较弱这是 ATR 谱与透射谱的主要区别也是 ATR 谱在短波区域灵敏度低的原因。入射角与穿透深度的关系如图 2。当光束在棱镜与样品的接口上的入射角非常接近临界角时穿透深度将极迅速地增大而在入射角远远大于临界角时穿透深度的变化则较缓慢。但当小于临界角时几乎所有能量都进入样品。另一与穿透深度有关的因素 ATR 晶体反射面与样品的接触效果。尽可能使样品与ATR 晶体的反射面严密接触提高接触效率是获得高质量 ATR 谱的重要条件。经过一次衰减全反射光透入样品深度有限样品对光吸收较少因此光束能量变化也很小所得光谱吸收带弱信噪比差。为了增强吸收峰强度提高测试过程中的信噪比现代 ATR 附件多采用增加全反射次数使吸收谱带增强这就是所谓的多重衰减全反射。其方法如图 3 所示。红外辐射束投射到一梯形反射元件上经过 20 50 次全内反射因而在样品中的总穿透深度大大增加可以获得令人满意的谱图。通常用下式来计算反射次数 N即式中: l 为全反射晶体的长度; d 为两个反射面间的距离θ 为入射角。图 3 多重内反射的形成全反射附件中使用 ATR 晶体的长度 l 和面间距 d 是固定的而入射角 θ 可在一定范围内变化。由式 2 可知减少入射角能够增加全反射次数使光束与样品作用次数增加也就加大了光程因此可以提高信号测试强度。图 5 傅里叶变换红外光谱仪透射法( a) 和 ATR 法( b) 的光路图比较ATR-FTIR 制样要求ATR 技术适用于测定固体和液体的吸收谱对于固体样品要求被测面光滑使之能与全反射晶体的反射面紧密接触因此不适合多孔样品及表面粗糙的样品的测定。测量时把全反射晶体装入其固定座上把样品放在全反射晶体的反射面上进行测定。如果吸收峰太强可采用单面放入样品或调节入射角的方法来解决。对于一些能涂在全反射晶体反射面上的液体可用一般测量固体样品的 ATR 附件直接把液体涂在晶体反射面上进行测定。但对于低沸点液体或不能在全反射晶体的反射面上形成液层的高沸点液体必须使用带液体池的 ATR 附件。应用 ATR 进行液体的测定其穿透深度容易控制与透射法相比更容易得到不产生饱和吸收的光谱图。测试时要注意样品与内反射晶体之间不会由于接触而产生某种反应或者其它影响测量精度的因素即要注意测试样品和反射晶体之间的匹配。对样品的大小、形状、状态、含水量没有特殊要求属于样品表面无损测量。ATR-FTIR 的特点与常规透射式 FTIR 相比ATR-FTIR 具有如下突出特点:红外辐射通过穿透样品与样品发生相互作用而产生吸收因此 ATR 谱具有透射吸收谱的特性和形状因谱图数据库中多以透射谱形式出现ATR 谱的这一特性使它便于与透射谱比较。但由于不同波数区间 ATR 技术灵敏度不同因此 ATR 谱吸收峰相对强度与透射谱相比较并不完全一致。制样简单非破坏性能够保持样品原貌进行测定。常用的透射光谱如 KBr压片法对样品研磨或挤压可能改变样品的微观状态。可以实现原位、实时、无损测量。ATR 光谱法是一种表面取样技术所获得的主要是样品表面层的光谱信息因此尤其适合观测样品表面的变化。可将作为比较的样品放在参比光路中待测样品置于样品光路中调节两光路使样品处于同样条件下则由这种配置所给出的两红外光谱的差减结果即差示谱将反映出待测样品表面的各种微小变化。由于 ATR 方法中红外穿透深度随几个参数变化因此可以调整它们由表及里来检测垂直于样品表面的剖面内不同深度处的状态。这种不破坏样品及可获得表面不同深度处信息是 ATR 法的独到之处对某些需要进行表面处理的工业产品的检测是一个有力的工具。IR 辐射的电场矢量在介质界面上三个正交方向上的分量数值是不同的它们与光线入射角和偏振方向有关。基于光的电矢量方向与振动偶极跃迁距方向相同时才能产生红外吸收的原理利用在不同入射角或偏振方向时测量 ATR 谱根据谱带强度变化可以推测出与谱带有关的跃迁距在 ATR 晶体基板上的平均取向由相应结构关系进一步得到化学基团的平均取向。ATR-FTIR 属于红外光谱范畴具有一般常规 FTIR 的大部分特点。同样它也存在其他红外光谱的一些不足主要表现在: 定量分析不够好不适用于痕量组分的分析是一种间接分析技术方法所用的校正模型依赖于标准方法建立的样品数据库的精确度和适用性。科学家们正在寻求解决这些问题的方法如采用对相关检测器使用锁定放大器的办法提高仪器信噪比意图降低水及一些干扰组分的近红外光谱吸收对样品信号的干扰从而大大降低检测误差。