學習重點 FTIR 以干涉儀(Interferometer)取代傳統分光式儀器的單色器,偵測器記錄干涉圖,再經傅立葉轉換得到紅外光譜。 熟記 FTIR 組件:光源(Nernst glower、Globar)、干涉儀(光束分歧器、固定鏡、移動鏡)、偵測器(如熱電偶偵測器)。光電倍增管不是 FTIR 的組件。 紅外光譜可測定固體、液體與氣體。固體常用溴化鉀(KBr)錠法與糊漿法,一般檢品用量為毫克級(約 1~10 mg,亦有教材寫 1~5 mg)。 紅外光液槽常用氯化鈉(NaCl)等鹽類材質。溶劑不可用水、甲醇、乙醇,常用氯仿、四氯化碳、二硫化碳等。 判斷多晶形應保留固態結構,可用 KBr 錠法與糊漿法。ATR 可測高濃度成分,聚苯乙烯薄膜用於波數校正,吸收光譜與穿透光譜可以互相換算。 核心觀念 一、FTIR 的組成與訊號轉換 傅立葉轉換紅外光譜儀(FTIR)的主要部分包括紅外光源、干涉儀、樣品測定裝置、偵測器與電腦處理系統。傳統分光式紅外光譜儀利用單色器(稜鏡或光柵)逐一分離不同波數的光。FTIR 則使用干涉儀,一次取得包含所有波數資訊的干涉訊號,再以傅立葉轉換求得光譜。因此 FTIR 的掃描速度快,靈敏度與訊噪比也較佳。 常見的 Michelson 干涉儀具有光束分歧器、固定鏡與移動鏡。入射光由光束分歧器分成兩路,分別經固定鏡與移動鏡反射後重新會合。移動鏡改變兩路光的光程差,使不同波數的光產生不同的干涉變化。偵測器記錄隨光程差變化的干涉圖,經傅立葉轉換後,即形成以波數為橫軸的光譜。 部分考試應掌握的內容 紅外光源常見 Nernst glower 與 Globar。Globar 為碳化矽製成的紅熱棒。 干涉儀核心元件為光束分歧器、固定鏡、移動鏡,用來取代傳統儀器的單色器。 光束分歧器功能是使約一半光線反射、一半穿透。中紅外光常見的是 KBr 基板鍍鍺(Ge)薄膜。「NaCl 鹽片鍍金箔」的敘述是錯的,因為金屬金箔會反射紅外光,無法讓光分成反射與穿透兩路。 偵測器熱電偶偵測器等熱偵測器可用於紅外光測定。光電倍增管用於紫外光、可見光區,不是 FTIR 的組件。 二、依樣品狀態選擇製樣方式 紅外光譜法可測定固體、液體與氣體。一般製樣所需檢品約為1~10 mg,也有教材以 1~5 mg 表示。作答時判斷重點是「毫克級」,不是 ng、μg 或 g。 樣品與方法製備及判讀重點 固體:溴化鉀錠法將少量檢品與乾燥的紅外光譜用 KBr 充分研細混勻,再壓成透光薄錠後測定。常用介質是溴化鉀,不是氟化鉀。 固體:糊漿法將固體研細,與液體石蠟(Nujol)等介質混成糊漿,夾在鹽類窗片間測定。須注意液體石蠟本身的碳氫鍵吸收峰。 液體:液膜法將液體置於兩片紅外光窗片之間,形成薄層後測定。 溶液法將檢品溶於適當溶劑,裝入鹽類窗片液槽測定。溶劑須能溶解檢品,且不明顯干擾欲觀察的吸收區域。 薄膜法適用於可形成薄膜的樣品。成膜過程可能改變固態結構。 氣體使用氣體樣品槽。氣體濃度低,常用較長光徑增加吸收訊號。 KBr 容易吸濕,製樣時應保持乾燥,以免出現水的吸收干擾。研磨不足、混合不均或顆粒過大,則會造成散射,降低光譜品質。 三、樣品槽、介質與溶劑的選擇 中紅外光穿透測定常用氯化鈉(NaCl)、溴化鉀等鹽類作為窗片或貯液槽材質。玻璃、石英與塑膠在中紅外光區有強吸收,不適用。石英是紫外光區的槽材,玻璃與塑膠是可見光區的槽材,三者不可混用。 選擇溶劑時,須同時考慮三點:檢品溶解度、溶劑本身的吸收區域,以及是否會溶解鹽類窗片。沒有任何溶劑在整個中紅外光區完全無吸收,應選擇不遮蔽待測特徵峰的溶劑,並扣除背景。 物質可否使用與理由 KBr、NaCl可用。為壓錠介質或窗片常用材料,須注意防潮。 液體石蠟可用。作為糊漿法介質,但有碳氫鍵吸收。 氯仿、四氯化碳、二硫化碳可用。為紅外光溶液法常用溶劑。四氯化碳與二硫化碳不含氫,吸收峰少。在丙酮、甲醇、水等選項中,氯仿最適合。 環己烷可用。視檢品溶解度與觀察波段選用。 水(含蒸餾水)不可用。有強烈 O–H 吸收,且會溶解 NaCl、KBr 窗片。 甲醇、乙醇不可用。含羥基,O–H 吸收強烈,且含水分,會損傷鹽類窗片。 丙酮不適合。具強烈羰基(C=O)吸收,會遮蔽待測物的重要訊號。 四、多晶形與標準品比對 多晶形是相同化學物質具有不同晶體排列的現象。晶格排列與分子間作用力不同,會使固態紅外光吸收峰的位置、形狀或強度改變。因此,以固態紅外光譜鑑別時,檢品與對照標準品須具相同晶形,並採用一致的製樣條件。 溴化鉀錠法與糊漿法都保留固態結構,可測出檢品是否具多晶形。溶液法在溶解後晶格消失,各晶形的光譜相同,因此無法判斷多晶形。薄膜法的成膜過程會改變結晶狀態,也不能用於判斷原有晶形。 五、ATR、波數校正與光譜表示 減弱總反射(衰減全反射,ATR)利用紅外光在晶體內全反射時,在界面產生的倏逝波與樣品作用。由於穿透深度很淺,樣品不需稀釋即可直接測定,因此可用於測試高濃度成分,也可直接測定固體、液體,甚至含水樣品。 聚苯乙烯薄膜具有位置明確的特徵吸收峰,可用於紅外光譜儀的波數校正,也就是確認橫軸位置是否正確。 穿透率 T=I/I₀,吸光度 A=−log T=2−log(%T)。因此吸收光譜與穿透光譜可以互相轉換。吸收越強,A 越高、T 越低,兩種光譜的峰方向相反。 常考陷阱 「FTIR 以聚光器、擴散器或掃描器取代單色器」:錯誤。取代單色器的是干涉儀。 「光電倍增管是 FTIR 組件」:錯誤。光電倍增管屬紫外光、可見光儀器。FTIR 使用熱電偶等偵測器,光源為 Globar 或 Nernst glower,干涉儀含光束分歧器。 「光束分歧器是 NaCl 鹽片鍍金箔」:錯誤。光束分歧器須讓光一半反射、一半穿透,常見為 KBr 鍍鍺。 「固態檢品常以氟化鉀為介質」:錯誤,應為溴化鉀。壓製成片、以聚苯乙烯校正波數、與標準品同晶形,都是正確敘述。 「紅外光液槽用玻璃、石英或塑膠」:錯誤,應選氯化鈉。 「蒸餾水純度高可作介質」或「水可作溶劑」:錯誤。水有強吸收,且會溶解鹽類窗片。 「乙醇、甲醇可作紅外光溶劑」:錯誤。氯仿、液體石蠟、環己烷、四氯化碳、二硫化碳則可使用。看到「最適合的有機溶劑」,選氯仿,不選丙酮或甲醇。 「檢品需要量為 ng、μg 或 g」:錯誤,紅外光譜檢品用量為mg 級。 「溶液法或薄膜法可判斷多晶形」:錯誤。只有保留固態的KBr 錠法與糊漿法可判斷。 「吸收光譜無法轉換成穿透光譜」:錯誤,A=−log T,兩者可以互換。「可測氣體」「ATR 可測高濃度成分」都是正確敘述。 記憶口訣 「干涉代單色,分光雙鏡合;光源紅熱棒,偵測熱電偶,倍增管不入。」 「固體溴鉀錠,晶形錠與糊;鹽槽氯化鈉,玻石塑不用。」 「水醇酮不入,氯仿四氯二硫碳;石蠟可調糊,聚苯校波數。」 用量記「毫克級」,圖形記「吸收強,A 上升、T 下降,可互換」。