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FTIR气体分析仪如何工作?

2023-2-15 09:10| 发布者: 光执事| 查看: 1204| 评论: 0

摘要: 傅里叶变换红外光谱分析(FTIR)是一种快速、简单、高效的技术,用于识别和量化任何样品中的元素成分。FTIR气体分析技术能够识别和量化几乎任何气体,再加上它的适应性和准确性,使得FTIR 气体分析技术适用于广泛的商 ...

傅里叶变换红外光谱分析(FTIR)是一种快速、简单、高效的技术,用于识别和量化任何样品中的元素成分。FTIR气体分析技术能够识别和量化几乎任何气体,再加上它的适应性和准确性,使得FTIR 气体分析技术适用于广泛的商业用途


Image Credit: Ken stocker/Shutterstock.com

FTIR 气体分析仪简介

红外光谱学是研究红外光子如何通过吸收、发射或反射与材料相互作用的学科。傅里叶变换红外气体分析仪评估气体对红外光的吸收,以确定任何样品中的气体浓度。


FTIR气体分析仪能够同时高效地扫描整个样品的整个红外光谱。由传感器产生的干涉图样,也就是所谓的“干涉图”,封装了所有经过所有波长评估的基本信息,这些信息收到了傅里叶变化的影响。软件经过必要的计算将红外光谱呈现给使用者。


FTIR气体分析仪的工业应用

FTIR 气体分析仪用于各种领域,包括环境监测、工业过程控制和汽车研究。在环境监测中,FTIR气体分析仪可用于测量大气中温室气体(如二氧化碳和甲烷)的浓度。在工业过程控制中,FTIR气体分析仪可用于监测工业过程中的气体浓度,例如化学品或石化产品的生产。


FTIR气体分析仪的工作原理

FTIR 气体分析仪采用了红外吸收光谱的原理。红外吸收光谱学是一种将一束红外辐射穿过样品并测量样品吸收的红外辐射量的技术。


70年来,红外光谱已经成为实验室中材料表征的标准方法。红外光谱是样品的特征,其吸收峰对应于组成材料的原子键间振荡的频率。每个分子复合体都是由不同的原子组合而成,所以没有任何化学产物具有相同的红外光谱。因此,红外光谱可以对任何物质的独特成分提供准确的评估(定分析)。


使用FTIR气体分析仪测量样品中的气体浓度时,将样品置于红外光束路径中,测量样品的吸收光谱。然后用专门的软件分析得到的吸收光谱,以确定样品中存在的每种气体的浓度。每种气体的浓度是通过将特定波长气体的吸光度与已知浓度的参考气体的吸光度进行比较来计算的。


FTIR气体分析仪的组件

典型的FTIR光谱仪由红外光源、干涉仪、样品室、传感器、放大系统、 A/D 转换器和微处理器软件组成。


宽带发射器,如中红外陶瓷器件或远红外汞灯,是常用的光源。干涉仪是FTIR分析仪的核心部件,它由分束镜、静态反射镜、移动镜和定时激光器组成。分束器将来自光源的光分成两道,一道用固定镜,另一道用移动镜。光直接通过样本并进入传感器,在传感器中,它通过快速傅里叶变换从时域转换到频域。


FTIR气体分析仪的优点和局限性

FTIR气体分析仪是高灵敏度的,可以检测到微量气体的十亿分之一(ppb)水平。它们可以同时测量多种气体,使它们适合分析复杂的气体混合物。与传统方法相比,FTIR分析仪具有操作简单、维护方便等优点。它们不需要频繁的校准,是多功能的,使其能够在广泛的应用中使用。


FTIR气体分析仪似乎是最合适的,但也存在一些局限性。与气相色谱法(GC)和质谱法(MS)等其他分析方法相比,FTIR气体探测器非常昂贵。它们对某些物质的评价是无效的,例如水蒸气,它几乎不吸收红外辐射。此外,对于某些应用,如半导体行业,需要非常精确的检测限,FTIR分析仪的灵敏度引起了很大的关注。


近期研究

最近发表在《热工程案例研究》杂志上的研究使用热重分析结合傅里叶变换红外光谱(TG-FTIR)提供了关于硝化废物气体排放特征的数据。在当代化学工业中,硝化是一个至关重要的过程。在这个积极的放热过程中,硝基(-NO2)被引入有机分子中。


研究发现,硝化废物的热降解过程分为三个阶段。包括蒸发在内的物理反应影响了阶段I,而化学热降解主导了阶段II和阶段III。


当硝化废物以8℃/min、含氧量为21%和15%的速率加热时,产物进行热分解,在高温(约300℃)下,产物的FTIR光谱显示出明显的气体吸收峰。红外光谱分析显示,第一阶段由CO2和H2O峰组成,而第二阶段由相对较高的CO2峰组成。然而,在第3阶段,大量的CO2被释放,伴随着与NO2相对应的光谱,表明亚氮废物的分解。


本研究的发现可以提高我们对硝化材料热行为的理解,并为有效预防热危害的框架提供基础。


未来展望

研究人员开发了提高FTIR气体测量精度和精度的新技术,如改进的数据处理算法和参考气体标准的使用。便携式、小型化FTIR气体分析仪用于现场测量和远程监测应用的发展已经得到推动。此外,由于量子级联激光器的高功率和稳定性,近年来人们对在FTIR气体分析仪中使用量子级联激光器(QCLs)有很大的兴趣。所有这些步骤将确保FTIR分析仪在未来几年取得成功。


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