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2020-05

为什么中红外波段如此重要?

Author:admin

中红外辐射通常定义为波长处于2.5-25μm(尽管定义会发生变化)的电磁波,可用于检测,鉴定和成像分子,从而具有广泛的应用。


1、  本文包含以下内容:

 1)应用:气体光谱(TDLAS);环境监测;生物医学;纳米成像

 2)光源 

 3)驱动器 

 4)中红外探测器 

 5)中红外光学器件 

 6)有用工具的链接


2、  背景:

       分子由两个或多个原子通过化学键结合而成,分子除了转动运动外,分子内原子之间存在弯曲、伸缩、剪切、扭曲和摇摆等振动运动,因此分子可以以不同的激发态形式存在。

       通过特定的官能团,所有这些能态都可用于识别各种材料。为了探测这些能态,可以在振动光谱技术中使用红外光,例如近红外,拉曼和中红外。由于中红外光与基频振动相互作用,因此提供了更强的光谱特性和更多的识别特征。

共价键的典型红外吸收位于600-4000cm-1。(在光谱学中,通常以厘米的倒数,即波数来表示跃迁频率。将该量乘以光速(c)得到频率,单位为赫兹;因此1 cm-1约为30 GHz)。

下图显示了各种类型的化学键通常吸收的光谱区域。例如,如果在2200-2400 cm-1附近出现一条尖锐的吸收带,则表明可能存在C-N或C-C三键。


范围从500到1500cm-1的光谱区域被称为“指纹区域”或“光谱指纹”。这是一个复杂的光谱区域,有大量重叠的谱带。

       由于分子具有不同的官能团,因此可以使用中红外光谱识别分子并表征其结构。由于混合物的中红外光谱是各组分的光谱叠加而成的,因此依照光谱特征可以测定混合物中各组分的含量。


3、  应用:

气体光谱

       可调二极管激光光谱技术(TDLAS是一种非常强大的分析技术,可实现ppm甚至ppb量级气体浓度的高选择性和高灵敏度测量。它允许进行原位非接触式测量,这些测量具有高选择性和较低的成本。 

常见气体



这些气体常用于能源发电,石油和天然气行业,例如火力电厂氨气分析,天然气管道和乙烯生产中的质量控制,也用于有害气体的泄漏控制和过程优化。 


环境监测

       在世界范围内已经实施了减少温室气体排放的环境政策。根据美国环境保护署(EPA)的资料,由于人类活动带来的排放占总二氧化碳排放量的四分之三以上,这主要是用于能源生产、运输和制造的化石燃料燃烧引起的。

       结合遥感技术,TDLAS被用于应对气候变化,测量污染物和温室气体,例如甲烷(CH4),氧化亚氮(N2O),氨气(NH3),二氧化碳(CO2),一氧化碳(CO)等气体的排放。甲烷和氧化亚氮是地球大气中最重要的两种痕量温室气体。在很大程度上,甲烷和氧化亚氮均加速了温室效应。在100年时间尺度上,甲烷对大气的加热潜力比二氧化碳高30倍之多,而最新研究显示,氧化亚氮的温室气体效应是二氧化碳的280倍!此外,氮氧化物(NOx)和二氧化硫(SO2)等烟气会反应造成酸雨;而作为空气中唯一的碱性气体——氨气,会与酸根离子结合形成铵盐,而这正是二次气溶胶和雾霾的重要前体物。随着技术的进步,以往精度较低的近红外TDLAS技术,正逐渐被中红外TDLAS技术所取代,使得监测上述痕量气体的变得可行。因此,世界各国正采取措施,对这些气体制定新的排放标准和监测法规。

其他应用包括通过作业环境测定工作场所的健康和安全。自19世纪初以来,甲醛气体被广泛应用于消费品和工业产品。目前甲醛年产量为2100万吨,大约50%的甲醛被加工成压制木板中的粘合剂。2004年,国际癌症研究机构(IARC)将甲醛归类为致癌物质。从那时起,在生产过程以及成品中严格控制甲醛含量。


生物医学

中红外技术在生物医学中有许多应用,主要介绍以下几点:

蛋白质分析

通过酰胺I谱带的变化确定α螺旋和β折叠的二级结构。

液相色谱/生物反应器监控

使用中红外液相色谱仪ChemDetect的透射测量模式,可以实现水溶液和溶剂型溶液的长光程(> 100微米)测量。


ChemDetect是一款紧凑,智能和易于使用的红外光谱仪,专门用于检测标准HPLC液柱中的低浓度(ppm)分析物。

无标签数字病理学


       直到最近,通过使用IHC染色剂或荧光标签进行化学染色或标记是研究人员或病理学家可视化组织切片中存在诊断标记的唯一可行选择。此外,使用标签限制了在样品中发现新生物标记的可能性。而鲁尔大学(RuhrUniversity)蛋白质诊断中心的Kluass Gerwent教授,将基于EC-QCL的高光谱显微分析仪用于自动癌症分类,过程无需任何生物标记。

纳米成像

       基于相互作用力的红外显微技术可将纳米级红外成像和光谱学控制在衍射极限以下。光热诱导共振(PTIR)或光热膨胀技术分别通过检测样品中激光诱导的接触共振或体积膨胀来收集红外吸收响应。它们被统称为AFM-IR技术

       扫描探针显微镜与红外线照射的结合提供了在中红外波段突破衍射极限的方法。这些技术之一是红外散射型扫描近场光学显微镜(s-SNOM),它使用由原子力显微镜(AFM)定位的尖锐金属涂层探针来局部增强光场并激发或极化样品中声子。随后,由尖锐探针对由样品产生或衰减的高空间频率光学近场进行局部探测,因此提供了空间对比度优于传播光学场的衍射极限。


纳米级成像被称为“峰值力红外(PFIR)显微镜”技术。利用PFIR可以实现10 nm空间分辨率的化学成像,宽带红外光谱收集以及机械制图。

图片来源:通过峰值力红外显微镜同时进行纳米级化学和机械成像


4、  光源:

       海尔欣与国际知名QCL和MCT芯片厂商合作,研发用于工业领域过程监控和气体传感器件。通常在科研领域,终端用户会选择搭建自己的气体传感设备,使用自己采购的激光器,探测器,驱动器,安装座和信号处理模块,但是如果您处于开发或研究的初期阶段,我们会提供一系列激光安装座驱动器长光程气体池,MCT探器,TDLAS专用锁相模块我们很乐意为您提供建议

       海尔欣以瑞士Alpes公司,日本住友电工,美国Thorlabs和Adtech Photonics公司的分布反馈量子级联激光器(DFB-QCL)为基础元器件,通过专利的封装和准直工艺,整合成一整套量子级联准直激光发射模块。无论您需要连续输出,脉冲输出,定制中心波长,宽调谐,线宽<5 MHz,输出功率达到百毫瓦级,还是高性价比的工业批量器件,请与我们联系,我们将帮您选择3到13 μm及以上的中红外激光器。激光发射器的主要产品为:

QC-QubeTM迷你全功能量子级联激光发射单元(世界最小的具备气密,温控,散热,准直功能的中红外激光器)

HPQCL-QTM标准中红外量子级联激光器(全功能且含共轴红光,方便用户观察及调光)

HPQCL-HTM工业级HHL封装量子级联激光器(高性价比,高可靠)

                                                

       QC-QubeTM迷你QCL发射

      

 LIV曲线以及准直光斑质量


5、  驱动器:

QC750-TouchTM是集电流驱动,TEC温控一体化的触屏激光驱动器,具备全自动一键启动功能,从开箱到出光使用非常方便。其内置硬件电流钳制和智能软件保护功能,防止贵重的QCL激光器因过流和过温导致损坏。


驱动器的电流噪声密度可以低至1.0nA/Hz1/2,非常适合用于超高精度中红外光谱分析。

                   

 QC750-TouchTM温控电流一体化QCL驱动

                                                              

QC750-TouchTM界面视图


6、  红外探测器:

       不同于近红外常见的Si和InGaAs探测器,用于中红外光谱分析的大多数是HgCdTe(碲镉汞,MCT)材料制备的单元红外探测器。它是一种高灵敏度的光电探测器,这种材料对2~12 μm的中红外光谱波段光波最敏感,缺点是其光电流响应率R随温度变化非常敏感,温度越高,响应率越低。因此,该型探测器一般需要结合液氮或TEC半导体制冷器在低温下使用。海尔欣与波兰VIGO公司合作,针对其多级制冷MCT芯片,自主开发了一套运放和 TEC高度集成的中红外探测器模块HPPD系列。HPPD系列通过反馈电路,将MCT元件的工作温度控制在负四十摄氏度,从而将温度对输出信号的影响最小化。探测器外壳采用全铝合金材料,即可起到屏蔽环境电磁干扰,也具备良好的散热性能。针对TDLAS的不同客户需求,可以是直流或交流耦合输出。直流输出适合初次调光,易于观察系统接收到的激光器的光功率大小,而交流输出适合于大功率背景下的交流小信号提取,防止探测器出现饱和。



HPPD-M-B型前置放大制冷一体型MCT中红外探测器


7、 中红外光学器件:

常见的中红外光学器件产品及信息可以从以下网站获取:

Herriott长光程气体吸收池

http://www.healthyphoton.com/index.php?c=article&id=879

中红外隔离器

https://www.thorlabschina.cn/newgrouppage9.cfm?objectgroup_id=8225

https://innpho.com/product/mid-ir-isolators/

红外偏振器

https://www.thorlabschina.cn/newgrouppage9.cfm?objectgroup_id=752

https://innpho.com/product/wideband-ir-polarizer-2-micrometer-12-micrometer/

光束扩展器

https://www.thorlabschina.cn/newgrouppage9.cfm?objectgroup_id=12400/span>

https://innpho.com/product/flat-top-beam-expander/

光纤耦合镜,准直镜

https://innpho.com/product/fiber-optic-coupling-lenses/

https://innpho.com/product/mid-ir-fiber-collimators/

https://www.thorlabschina.cn/newgrouppage9.cfm?objectgroup_id=4093

中红外聚焦物镜

https://innpho.com/product/mid-ir-focusing-objectives-2-micrometer-to-12-micrometer/

https://www.thorlabschina.cn/search/thorsearch.cfm?search=MIR+focusing+lens

红外光纤

https://innpho.com/product/ir-fiber-cables-2/

https://irflex.com/

https://www.thorlabschina.cn/newgrouppage9.cfm?objectgroup_id=7840

有用的工具:


https://www.cfa.harvard.edu/hitran/

– 高分辨透射率谱线数据库 


http://spectraplot.com/absorption

– 波长搜索引擎


8、 参考资料:

[1].本文翻译并改编自

https://www.linkedin.com/pulse/why-mid-ir-light-important-peter-collins/


原文作者Peter Collins   

 [2].https://www.thorlabschina.cn/

[3].https://www.innpho.com/

[4].https://irflex.com/

关于我们


海尔欣光电(HealthyPhoton Tech. Co.)是专注于中红外波段精密光电组件和光谱仪器的设计商和制造商,是中国首家支持量子级联激光器应用以及其他波长组件科研应用的领先供应商。欢迎在线浏览我们的产品,或点击产品网页的“文档下载”获取我们产品的PDF文档。 

欢迎通过电子邮件info@healthyphoton.com 或致电0574-88357326/15618922826进行咨询。请关注海尔欣科技微信公众号,跟踪我们的最新产品和服务动态!

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