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傅里葉變換紅外光譜儀的檢測(cè)器有哪些類型?

時(shí)間:2025/5/29閱讀:272
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傅里葉變換紅外光譜儀(FTIR)的檢測(cè)器用于將紅外光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào),其性能直接影響儀器的靈敏度、響應(yīng)速度和適用場(chǎng)景。根據(jù)檢測(cè)原理和工作條件,主要分為以下幾類:

一、熱檢測(cè)器(Thermal Detectors)

原理:基于材料吸收紅外光后溫度變化引起的物理性質(zhì)改變(如電阻、極化率變化)。

特點(diǎn):室溫工作,無(wú)需制冷,但靈敏度較低,適用于常規(guī)檢測(cè)。

1. 熱釋電檢測(cè)器(Pyroelectric Detector)

1) 核心材料:硫酸三甘肽(TGS)及其改良型(如 DTGS,氘代 TGS)、鉭酸鋰(LiTaO?)。

2) 工作機(jī)制:

① 熱釋電材料的極化強(qiáng)度隨溫度變化,紅外光照射導(dǎo)致材料溫度升高,極化強(qiáng)度改變,產(chǎn)生可測(cè)量的電荷信號(hào)。

② 需搭配斬光器(調(diào)制紅外光),以區(qū)分直流背景和交流信號(hào)。

3) 性能參數(shù):

① 響應(yīng)范圍:中紅外(4000–400 cm?1)。

② 靈敏度:約 10?? W/Hz1/2,滿足大多數(shù)常規(guī)分析(如有機(jī)化合物定性)。

4) 應(yīng)用場(chǎng)景:

① 實(shí)驗(yàn)室常規(guī) FTIR 儀器(如 nicolet iS 系列、Bruker ALPHA),適配 ATR、壓片法等常規(guī)采樣附件。

2. 微測(cè)熱輻射計(jì)(Microbolometer)

1) 原理:基于微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)技術(shù),由微米級(jí)像素單元組成,每個(gè)像素包含吸收紅外光的熱敏材料(如氧化釩 VOx、非晶硅 a-Si)和測(cè)溫電阻。

2) 特點(diǎn):

① 面陣檢測(cè)器(如 320×256 像素),可與紅外顯微鏡聯(lián)用實(shí)現(xiàn)成像功能(Mapping)。

② 室溫工作,無(wú)需斬光器,適合快速掃描。

3) 應(yīng)用場(chǎng)景:

① 顯微紅外成像(如材料微區(qū)分析、污染物定位),典型儀器如 Bruker Hyperion 系列。

二、光子檢測(cè)器(Photon Detectors)

原理:基于材料吸收光子后產(chǎn)生自由電荷(光電效應(yīng)),靈敏度高,但需低溫制冷以降低熱噪聲。

特點(diǎn):響應(yīng)速度快,適合痕量分析或高速檢測(cè)。

1. 碲鎘汞檢測(cè)器(MCT Detector,Mercury-Cadmium-Telluride)

1) 核心材料:Hg???Cd?Te(x=0.2–0.3,禁帶寬度可調(diào))。

2) 工作機(jī)制:

① 光子激發(fā)材料中的電子從價(jià)帶躍遷至導(dǎo)帶,產(chǎn)生光電流,信號(hào)強(qiáng)度與光子通量成正比。

② 需液氮制冷(77K):降低電子熱激發(fā)噪聲,提升靈敏度。

3) 類型與性能:

① P 型 MCT:檢測(cè)中紅外(3–15 μm,對(duì)應(yīng) 3300–660 cm?1),靈敏度最高(約 10?1? W/Hz1/2),用于痕量分析。

② N 型 MCT:檢測(cè)遠(yuǎn)紅外(15–30 μm,對(duì)應(yīng) 660–330 cm?1),適用于聚合物低頻振動(dòng)分析。

4) 應(yīng)用場(chǎng)景:

① 高靈敏度檢測(cè)(如微量添加劑分析、氣體痕量污染物)、聯(lián)用技術(shù)(如 GC-FTIR、TGA-FTIR)。

2. 銻化銦檢測(cè)器(InSb Detector)

1) 材料:銻化銦半導(dǎo)體(禁帶寬度 0.17 eV)。

2) 特點(diǎn):

① 主要用于近紅外區(qū)域(1–5 μm,對(duì)應(yīng) 10000–2000 cm?1),需液氮制冷。

② 靈敏度高于熱檢測(cè)器,但低于 MCT,常用于近紅外光譜儀(如過(guò)程分析中的在線檢測(cè))。

3. 量子阱檢測(cè)器(Quantum Well Detector, QWD)

1) 原理:基于半導(dǎo)體量子阱結(jié)構(gòu)中的子帶間躍遷,可定制檢測(cè)特定波長(zhǎng)范圍。

2) 優(yōu)勢(shì):

① 制冷要求低于 MCT(如熱電制冷至 190K),功耗更低。

② 面陣結(jié)構(gòu),適用于紅外成像,如焦平面陣列(FPA)檢測(cè)器。

3) 應(yīng)用:

① 科研儀器(如同步輻射紅外成像)、工業(yè)在線檢測(cè)系統(tǒng)。

三、其他特殊檢測(cè)器

1. ** Golay 池(Golay Cell)**

1) 原理:氣體熱膨脹效應(yīng) —— 紅外光加熱氣室中的氣體(如氙氣),導(dǎo)致氣室薄膜膨脹,通過(guò)電容變化檢測(cè)膨脹量。

2) 特點(diǎn):

① 曾用于早期 FTIR,現(xiàn)逐漸被熱釋電 / MCT 取代。

② 響應(yīng)范圍寬(中紅外至遠(yuǎn)紅外),但體積大、易受振動(dòng)干擾。

2. 壓電檢測(cè)器(Piezoelectric Detector)

① 原理:利用壓電材料(如石英)的形變產(chǎn)生電信號(hào),響應(yīng)紅外光引起的溫度變化。

② 應(yīng)用:僅用于特定場(chǎng)景(如便攜式紅外儀器),目前已較少使用。

四、檢測(cè)器選型依據(jù)

1. 檢測(cè)需求

① 常規(guī)定性分析:選擇室溫?zé)後岆姍z測(cè)器(如 DTGS),性價(jià)比高。

② 痕量分析 / 氣體檢測(cè):必須使用液氮制冷的 MCT 檢測(cè)器,提升靈敏度。

③ 成像或快速掃描:優(yōu)先選微測(cè)熱輻射計(jì)或 QWD 面陣檢測(cè)器。

2. 光譜范圍

① 中紅外(4000–400 cm?1):熱釋電、MCT 為主。

② 近紅外(10000–4000 cm?1):InSb、硅基檢測(cè)器更合適。

3. 實(shí)驗(yàn)室條件

① 液氮供應(yīng)能力:若配備 MCT,需確保液氮持續(xù)供應(yīng)(每周補(bǔ)充 1–2 次)。

② 振動(dòng)控制:面陣檢測(cè)器(如微測(cè)熱輻射計(jì))對(duì)環(huán)境振動(dòng)敏感,需穩(wěn)定平臺(tái)。

 

選擇檢測(cè)器時(shí),需綜合樣品特性(濃度、狀態(tài))、檢測(cè)目標(biāo)(定性 / 定量)和實(shí)驗(yàn)室資源,在靈敏度、成本和操作便利性之間權(quán)衡。

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