紅外吸收光譜
大多數(shù)材料會吸收紅外光譜區(qū)域中波長為0.8 µm至14 µm的電磁輻射,，這些波長是材料分子結(jié)構(gòu)的特征。 紅外吸收光譜法是一種常見的化學分析工具,，用于測量已穿過樣品的紅外光束的吸收率,。 紅外光譜中吸收峰的位置（圖1）是樣品化學成分或純度的特征，吸收峰的強度與該峰為特征的物質(zhì)的濃度成正比,。
圖1.各種氣體和蒸氣的紅外透射光譜,。
紅外光譜可用于氣體，液體,，糊劑，粉末，薄膜和表面的定性和定量無損分析,。分子的吸收光譜提供了*的吸光度“指紋”,，可用于推斷樣品的化學成分和物種濃度。圖1顯示了在煙囪排放監(jiān)測應(yīng)用中常規(guī)測量的某些氣體的紅外吸收光譜,?？梢钥吹矫糠N標記的氣體種類都表現(xiàn)出*的IR吸收模式。
紅外光譜儀通常由寬帶紅外光源,，波長分離裝置和檢測器組成,，如圖2所示。液體或氣體樣品通常包含在樣品池中,?？梢允褂梦展庾V法或反射光譜法在原位或在支架測量系統(tǒng)中對固體樣品進行分析，也可以將粉末狀樣品壓制成圓片,，用IR透明材料稀釋或?qū)⑵湎♂尦珊隣?，通常稱為糊狀。
圖2.紅外光譜儀的主要組件
紅外光譜儀
用于常規(guī)化學識別和定量測量的流行紅外光譜儀包括：基于光柵的/分散式IR光譜儀,，F(xiàn)TIR光譜儀以及基于濾光片的或非分散式IR（NDIR）儀器,。特定應(yīng)用的光譜儀選擇受諸如靈敏度，基質(zhì)復雜性,，包裝和成本要求之類的要求驅(qū)動,。
色散或光柵光譜儀
色散光譜儀（圖3）使用光柵來分散和分離寬帶光的波長。色散光譜儀有兩種類型：單色儀和光譜儀,。前者使用單元件光電探測器和旋轉(zhuǎn)光柵組件,，而后者使用固定光柵組件和光電探測器陣列。色散光譜儀的優(yōu)勢在于其簡單易用,，可實現(xiàn)硬件小型化,，同時保留掃描相對較寬光譜范圍的能力。但是,，與FTIR或NDIR儀器相比,，吞吐量（或光學擴展量）受限制，因為只有一小部分源光終落在光電探測器上,。因此,，色散光譜儀通常用于VIS和NIR光譜區(qū)域，而不是用于輻射具有較低光子能量的MIR區(qū)域,。
圖3.單色儀（左）和光譜儀（右）的簡化示意圖,。
FTIR光譜儀
FTIR光譜儀（圖4）通過使用干擾在時域中調(diào)制IR輻射來生成光譜，以產(chǎn)生干涉圖,，然后對其進行傅立葉變換,。 在FTIR中常用的邁克爾遜干涉儀中,，使用分束器（部分反射鏡）將入射光束分成兩個相同的光束。 這些光束中的每一個都經(jīng)過不同的路徑,，并且在到達檢測器之前被重新組合,。 路徑差，即每個光束傳播的距離之差,，會在它們之間產(chǎn)生相位差,。 該重新組合的光束是干涉圖，即作為路徑差的函數(shù)的調(diào)制信號,。 對干涉圖執(zhí)行傅立葉變換會產(chǎn)生入射光束的光譜,。
圖4.帶有基本邁克爾遜干涉儀的FTIR簡化示意圖。
FTIR光譜儀比傳統(tǒng)的分散光譜儀具有多個優(yōu)勢,。首先,，它可以在很寬的波長范圍內(nèi)進行快速測量。 MKS MultiGas™FTIR分析儀等現(xiàn)代FTIR儀器可在200毫秒內(nèi)完成掃描,。每次掃描時,，它會覆蓋大約2 µm至16 µm的整個MIR波長范圍，具體取決于光學器件的材料和儀器中使用的光電探測器的類型,。其次,，也許是重要的事實是FTIR光譜儀具有很高的光通量或光學擴展量。 FTIR不使用狹縫來控制儀器的波長分辨率,。結(jié)果,，在相同條件下，F(xiàn)TIR光譜儀產(chǎn)生的光譜通常比色散光譜儀產(chǎn)生的光譜“更陡峭”,。這在定量分析中很重要,，在定量分析中，SNR通常確定測量的靈敏度,。 FTIR光譜儀的另一個優(yōu)點是其波長精度和穩(wěn)定性,。 FTIR光譜儀通常使用激光來控制移動鏡的位置和速度，并在整個掃描過程中觸發(fā)數(shù)據(jù)點的收集,。精心設(shè)計的FTIR儀器可提供非常高的單元間可重復性,，而無需進行麻煩且昂貴的單個單元校準。
非色散紅外（NDIR）分析儀
NDIR分析儀是針對特定測量應(yīng)用而設(shè)計的基于濾波器的儀器,。例如,，NDIR分析儀是用于測量煙囪排放監(jiān)控中CO和CO2濃度的行業(yè)標準方法。 NDIR儀器通常不捕獲波長并生成光譜,，而是捕獲與被測化學物質(zhì)相關(guān)的離散波長的吸收,。它們通過采用在選定的窄帶區(qū)域透射光的光學濾波器來實現(xiàn)。圖5顯示了NDIR儀器的基本概念,。
圖5. NDIR的基本框圖,，顯示了其主要組成部分,。
NDIR儀器中使用的濾波器通常是干涉型，稱為“標準具”,，本質(zhì)上是Fabry-Perot干涉儀,。它通常由分隔兩個薄膜反射器的薄膜墊片制成,。在標準具中會產(chǎn)生波干擾,，同相的波會相長地干涉并通過濾波器傳輸。其余的波具有相消干擾,，因此被“阻止”,。寬帶紅外源通常是由加熱的燈絲（例如鎢或Kanthal）產(chǎn)生的黑體輻射。
NDIR儀器的主要優(yōu)點是其硬件簡單,。這使NDIR儀器既低成本又堅固耐用,，使其非常適合工業(yè)應(yīng)用。 MKS Process Sense™是半導體工藝應(yīng)用中使用的NDIR分析儀的一個示例,。
可調(diào)濾波器光譜儀（TFS™）
TFS™光譜儀是指提供波長掃描功能的MKS NDIR儀器,。通常通過調(diào)節(jié)法布里-珀羅元件中兩個薄膜反射器之間的間隙距離來實現(xiàn)波長掃描。 MKS的TFS™光譜儀通過旋轉(zhuǎn)濾光片來調(diào)節(jié)光的入射角,，從而調(diào)節(jié)間隙距離,。如圖6所示，隨著入射角的調(diào)整,，濾光片的透射波長也隨之改變,。隨著入射角的增加，透射掃描到更低的波長,。
圖6. TFS光譜儀的概念,。入射角的變化（左）會產(chǎn)生變化的波長透射率（右）
使用MKS產(chǎn)品的紅外光譜應(yīng)用
MKS Instruments提供了幾種基于紅外光譜的排放和過程監(jiān)控應(yīng)用分析工具。
排放監(jiān)測
通常在排放源（例如電廠煙囪和化學制造設(shè)施）上需要進行氣體排放監(jiān)測,。準確的監(jiān)控數(shù)據(jù)是法規(guī)遵從性和環(huán)境保護計劃的重要組成部分,，旨在控制和調(diào)節(jié)空氣中的污染物，例如一氧化碳,，氮氧化物,，二氧化硫和臭氧，以及溫室氣體,，例如甲烷和二氧化碳,。 MKS的MultiGas™2030系統(tǒng)是基于FTIR的高速，高分辨率的氣體分析儀,，旨在在一秒鐘內(nèi)同時監(jiān)測30多種排放氣體,。
化學試劑和有毒工業(yè)化學檢測
在安全行業(yè)中，對化學試劑和有毒工業(yè)化學品的快速可靠檢測的需求不斷增長,。 MKS Instruments的基于FTIR的AIRGARD®系統(tǒng)可以在20秒內(nèi)檢測出大多數(shù)化學戰(zhàn)劑（CWA）和有毒工業(yè)化合物的十億分之一（ppb）含量,。它是行業(yè)標準,，是對關(guān)鍵基礎(chǔ)架構(gòu)建筑物中的CWA的固定監(jiān)視。
半導體工藝監(jiān)控
半導體化學氣相沉積工藝腔室必須定期清潔,，以去除沉積在腔室壁和內(nèi)部組件上的堆積物,。不同工藝的合適清潔時間取決于變量之間的復雜關(guān)系，例如堆積物的厚度,，腔室組件的內(nèi)部溫度,，沉積/濺射比以及要去除的材料的化學成分。 MKS的Process Sense™端點傳感器使用NDIR方法實時監(jiān)控處理室清潔過程中的廢水,。例如,，Process Sense™監(jiān)視器與基于氟的腔室清潔過程一起使用，以監(jiān)視來自用于基于硅的沉積過程（包括多晶硅,，二氧化硅和氮化硅）的腔室的副產(chǎn)物四氟化硅（SiF4）,。傳感器實時報告腔室流出物中殘留的SiF4含量，從而使用戶能夠快速檢測清潔過程的終點,，并避免過度刻蝕腔室組件,，這可能導致?lián)p壞或其他維護問題。
碳氫化合物氣體的熱值測量
燃料的熱值（BTU含量）的數(shù)據(jù)是優(yōu)化控制過程的重要參數(shù),，例如發(fā)電,，石化制造和火炬控制。傳統(tǒng)上,，氣相色譜（GC）是常用于確定燃料熱值的分析技術(shù),。但是，GC分析速度很慢（更新需要幾分鐘）,，GC儀器通常需要大量維護,。 MKS的Precisive®氣體分析儀是業(yè)內(nèi)一臺對烴類氣體進行定量分析的全光學分析儀。 Precisive分析儀采用獲得的TFS™分析儀技術(shù),，是一種簡單而堅固的NDIR儀器,，可在經(jīng)常骯臟和危險的工業(yè)環(huán)境中提供高精度的BTU測量。
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