傅立叶红外气体分析仪是如何工作的?

发布时间:2023-02-10 03:02:13.000Z

傅立叶变换红外光谱(FTIR)是一种快速、简单和高效的技术,用于识别和量化任何样品中的组成元素。识别和量化几乎任何气体的能力,加上它的弹性和准确性,使傅立叶红外气体分析技术适合广泛的商业用途。

傅立叶红外气体分析仪的简要概述

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。傅立叶变换红外气体分析仪评估气体对红外光的吸收,以确定任何试样中的气体浓度。

傅立叶变换红外气体分析仪有效地同时扫描整个试样的整个红外光谱。传感器产生的干扰图,即所谓的 "干涉图",囊括了在所有波长范围内评估的所有基本信息,并且信号要经过傅里叶变换处理。 计算机软件进行必要的计算并向用户显示红外光谱。

傅立叶红外气体分析仪的工业应用

傅立叶红外气体分析仪被用于各种领域,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的温室气体浓度,如二氧化碳和甲烷。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,如化学品或石化产品的生产。

傅立叶变换红外气体分析仪的工作原理

傅立叶变换红外气体分析仪利用的是红外吸收光谱的概念。红外吸收光谱是一种技术,它包括将一束红外辐射穿过样品并测量被样品吸收的红外辐射量。

近七十年来,红外光谱一直是实验室中材料表征的一个标准方法。红外光谱是一个样品的身份,其吸收峰对应于构成材料的原子结合之间的振荡频率。每个分子复合物都是由不同的原子组合构成的,所以没有任何化学产品表现出相同的红外光谱。因此,红外光谱可以对任何物质的独特组成提供准确的评估(定性分析)。

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的路径上,并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,以确定样品中每种气体的浓度。每种气体的浓度是通过比较气体在特定波长的吸光度与已知浓度的参考气体的吸光度来计算的。

傅立叶红外气体分析仪的组成部分

典型的傅立叶变换红外光谱仪是由一个红外源、一个干涉仪、一个试样室、一个传感器、一个放大系统、一个A/D转换器和微处理器软件组成的。

一个宽带发射器,如中红外陶瓷装置或远红外汞灯,通常被用作光源。干涉仪包括一个分光器、一个静态反射器、一个移动镜和一个定时激光器,是FTIR分析仪的核心部件。分光器将来自光源的光分成两个通道,一个是固定镜,另一个是移动镜。光线穿过试样并照射到一个传感器上,在那里用快速傅里叶变换将其从时域转化到频域。

傅立叶红外气体分析仪的优点和局限性

傅立叶变换气体分析仪是高度敏感的,可以检测到低至十亿分之一(ppb)水平的微量气体。它们可以同时测量多种气体,使它们适合于分析复杂的气体混合物。与传统方法相比,FTIR分析仪简单的操作方法和负担得起的维护是其主要优势。它们不需要经常校准,而且用途广泛,使其能够在广泛的应用中使用。

傅立叶变换红外气体分析仪似乎是最合适的,然而,存在一些限制。与其他分析方法如气相色谱法(GC)和质谱法(MS)相比,傅立叶变换红外气体检测仪的成本非常高。它们对评估某些物质是无效的,如水蒸气,它几乎不吸收红外辐射。此外,对于某些应用,如在半导体领域,需要非常精确的检测极限,FTIR分析仪的灵敏度引起了很大的关注。

最近的研究

最近发表在《热能工程案例研究》杂志上的研究提供了有关使用热重分析结合傅里叶变换红外光谱仪(TG-FTIR)的硝化废物气体排放特性的数据。在当代化学工业中,硝化是一个关键的过程。在这个积极的放热过程中,硝基基团(-NO2)被引入到有机分子中。

研究发现,硝化废物的热降解过程分为三个阶段。包括汽化在内的物理反应影响了第一阶段,而化学热降解在第二和第三阶段占主导地位。

当硝化废料以8℃/分钟的速度加热,氧气水平为21%和15%时,产品被热分解,这些产品的FTIR光谱显示在高温下(约300℃)有明显的气体吸收峰。傅立叶变换红外光谱显示第1阶段由CO2和H2O峰组成,而第2阶段由相对较高的CO2量组成。然而,在第3阶段,大量的二氧化碳与对应于二氧化氮的光谱一起被释放出来,这表明氮气废物的分解。

这项研究的结果可以提高我们对硝化材料的热行为的理解,并为防止热危害的有效框架提供基础。

未来展望

研究人员已经开发了新的技术来提高FTIR气体测量的准确性和精确度,如改进数据处理算法和使用参考气体标准。一直在推动开发便携式、小型化的傅立叶变换红外气体分析仪,用于现场测量和远程监控应用。此外,由于量子级联激光器(QCLs)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的兴趣越来越大。所有这些步骤将确保FTIR分析仪在未来几年的成功。

参考资料和进一步阅读

Gasmet, 2023. FTIR - 傅里叶变换红外线。
Available at: https://www.gasmet.com/products/technology/ftir-fourier-transform-infrared/#:~:text=An%20FTIR%20analyzer%20works%20by, spectrum%20is%20scanned%20at%20once.

Tang, Y. et. al. (2022). 利用TG-FTIR技术研究不同氧气含量下硝化废料的热动力学和气体排放特性。热能工程案例研究,102689。可登录:https://doi.org/10.1016/j.csite.2022.102689

JASCO, 2023. 傅立叶红外光谱学的基本理论和应用。
Available at: https://jascoinc.com/learning-center/theory/spectroscopy/fundamentals-ftir-spectroscopy/

Thain, S., 2022. 红外光谱学和FTIR光谱学。傅立叶红外光谱仪如何工作和傅立叶红外分析。
Available at: https://www.technologynetworks.com/analysis/articles/ir-spectroscopy-and-ftir-spectroscopy-how-an-ftir-spectrometer-works-and-ftir-analysis-363938

Giechaskiel, B.; Clairotte, M. (2021). 傅立叶变换红外线(FTIR)光谱用于测量车辆废气排放。A Review. Appl. Sci. 11. 7416. Available at: https://doi.org/10.3390/app11167416

ThermoFisher Scientific, 2022. 气相傅立叶变换光谱学简介。
Available at: https://assets.thermofisher.com/TFS-Assets/MSD/brochures/gas-phase-ftir-spectroscopy-introduction-BR52338.pdf

Written by Ibtisam Abbasi

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