為什麽中紅外波段如此重要？

更新日期：2020-03-14 點擊次數：3926

中紅外輻射通常定義(yi) 為(wei) 波長處於(yu) 2.5-25 μm（盡管定義(yi) 會(hui) 發生變化）的電磁波，可用於(yu) 檢測，鑒定和成像分子，從(cong) 而具有廣泛的應用。

本文包含以下內(nei) 容

應用：氣體光譜（TDLAS）；環境監測；生物醫學；納米成像
光源
驅動器
中紅外探測器
中紅外光學器件
有用工具的鏈接

背景

分子由兩(liang) 個(ge) 或多個(ge) 原子通過化學鍵結合而成，分子除了轉動運動外，分子內(nei) 原子之間存在彎曲、伸縮、剪切、扭曲和搖擺等振動運動，因此分子可以以不同的激發態形式存在。

通過特定的官能團，所有這些能態都可用於(yu) 識別各種材料。為(wei) 了探測這些能態，可以在振動光譜技術中使用紅外光，例如近紅外，拉曼和中紅外。由於(yu) 中紅外光與(yu) 基頻振動相互作用，因此提供了更強的光譜特性和更多的識別特征。

共價(jia) 鍵的典型紅外吸收位於(yu) 600 - 4000 cm^-1。（在光譜學中，通常以厘米的倒數，即波數來表示躍遷頻率。將該量乘以光速（c）得到頻率，單位為(wei) 赫茲(zi) ；因此1 cm^-1約為(wei) 30 GHz）

下圖顯示了各種類型的化學鍵通常吸收的光譜區域。例如，如果在2200-2400 cm^-1附近出現一條尖銳的吸收帶，則表明可能存在C-N或C-C三鍵。

範圍從(cong) 500到1500 cm^-1的光譜區域被稱為(wei) “指紋區域”或“光譜指紋”，。這是一個(ge) 複雜的光譜區域，有大量重疊的譜帶。

由於(yu) 分子具有不同的官能團，因此可以使用中紅外光譜識別分子並表征其結構。由於(yu) 混合物的中紅外光譜是各組分的光譜疊加而成的，因此依照光譜特征可以測定混合物中各組分的含量。

應用

氣體(ti) 光譜

可調二極管激光光譜技術（TDLAS）是一種非常強大的分析技術，可實現ppm甚至ppb量級氣體(ti) 濃度的高選擇性和高靈敏度測量。它允許進行原位非接觸式測量，這些測量具有高選擇性和較低的成本。

這些氣體(ti) 常用於(yu) 能源發電，石油和天然氣行業(ye) ，例如火力電廠氨氣分析，天然氣管道和乙烯生產(chan) 中的質量控製，也用於(yu) 有害氣體(ti) 的泄漏控製和過程優(you) 化。

環境監測

在世界範圍內(nei) 已經實施了減少溫室氣體(ti) 排放的環境政策。根據美國環境保護署(EPA)的資料，由於(yu) 人類活動帶來的排放占總二氧化碳排放量的四分之三以上，這主要是用於(yu) 能源生產(chan) 、運輸和製造的化石燃料燃燒引起的。

結合遙感技術，TDLAS被用於(yu) 應對氣候變化，測量汙染物和溫室氣體(ti) ，例如甲烷(CH4)，氧化亞(ya) 氮(N2O)，氨氣(NH3)，二氧化碳(CO2)，一氧化碳(CO)等氣體(ti) 的排放。甲烷和氧化亞(ya) 氮是地球大氣中重要的兩(liang) 種痕量溫室氣體(ti) 。在很大程度上，甲烷和氧化亞(ya) 氮均加速了溫室效應。在100年時間尺度上，甲烷對大氣的加熱潛力比二氧化碳高30倍之多，而研究顯示，氧化亞(ya) 氮的溫室氣體(ti) 效應是二氧化碳的280倍！此外，氮氧化物(NOx)和二氧化硫(SO2)等煙氣會(hui) 反應造成酸雨；而作為(wei) 空氣中的堿性氣體(ti) ——氨氣，會(hui) 與(yu) 酸根離子結合形成銨鹽，而這正是二次氣溶膠和霧霾的重要前體(ti) 物。隨著技術的進步，以往精度較低的近紅外TDLAS技術，正逐漸被中紅外TDLAS技術所取代，使得監測上述痕量氣體(ti) 的變得可行。因此，世界各國正采取措施，對這些氣體(ti) 製定新的排放標準和監測法規。

其他應用包括通過作業(ye) 環境測定工作場所的健康和安全。自19世紀初以來，甲醛氣體(ti) 被廣泛應用於(yu) 消費品和工業(ye) 產(chan) 品。目前甲醛年產(chan) 量為(wei) 2100萬(wan) 噸，大約50％的甲醛被加工成壓製木板中的粘合劑。2004年，癌症研究機構(IARC)將甲醛歸類為(wei) 致癌物質。從(cong) 那時起，在生產(chan) 過程以及成品中嚴(yan) 格控製甲醛含量。

生物醫學

中紅外技術在生物醫學中有許多應用，主要介紹以下幾點：

蛋白質分析：通過酰胺I譜帶的變化確定α螺旋和β折疊的二級結構。

液相色譜/生物反應器監控：

使用中紅外液相色譜儀(yi) ChemDetect的透射測量模式，可以實現水溶液和溶劑型溶液的長光程（> 100微米）測量。

ChemDetect是一款緊湊，智能和易於(yu) 使用的紅外光譜儀(yi) ，專(zhuan) 門用於(yu) 檢測標準HPLC液柱中的低濃度（ppm）分析物。

無標簽數字病理學：

直到近，通過使用IHC染色劑或熒光標簽進行化學染色或標記是研究人員或病理學家可視化組織切片中存在診斷標記的可行選擇。此外，使用標簽限製了在樣品中發現新生物標記的可能性。而魯爾大學(Ruhr University)蛋白質診斷中心的Kluass Gerwent教授，將基於(yu) EC-QCL的高光譜顯微米兰app下载苹果手机版官网用於(yu) 自動癌症分類，過程無需任何生物標記。

納米成像

基於(yu) 相互作用力的紅外顯微技術可將納米級紅外成像和光譜學控製在衍射極限以下。光熱誘導共振（PTIR）或光熱膨脹技術分別通過檢測樣品中激光誘導的接觸共振或體(ti) 積膨脹來收集紅外吸收響應。它們(men) 被統稱為(wei) AFM-IR技術。

掃描探針顯微鏡與(yu) 紅外線照射的結合提供了在中紅外波段突破衍射極限的方法。這些技術之一是紅外散射型掃描近場光學顯微鏡（s-SNOM），它使用由原子力顯微鏡（AFM）定位的尖銳金屬塗層探針來局部增強光場並激發或極化樣品中聲子。隨後，由尖銳探針對由樣品產(chan) 生或衰減的高空間頻率光學近場進行局部探測，因此提供了空間對比度優(you) 於(yu) 傳(chuan) 播光學場的衍射極限。

納米級成像被稱為(wei) “峰值力紅外（PFIR）顯微鏡”技術。利用PFIR可以實現10 nm空間分辨率的化學成像，寬帶紅外光譜收集以及機械製圖。

圖片來源：通過峰值力紅外顯微鏡同時進行納米級化學和機械成像

光源

海爾欣與(yu) QCL和MCT芯片廠商合作，研發用於(yu) 工業(ye) 領域過程監控和氣體(ti) 傳(chuan) 感器件。通常在科研領域，終端用戶會(hui) 選擇搭建自己的氣體(ti) 傳(chuan) 感設備，使用自己采購的激光器，探測器，驅動器，安裝座和信號處理模塊，但是如果您處於(yu) 開發或研究的初期階段，我們(men) 會(hui) 提供一係列激光安裝座和驅動器，長光程氣體(ti) 池，MCT探測器，,TDLAS鎖相模塊。我們(men) 很樂(le) 意為(wei) 您提供建議。

海爾欣以瑞士Alpes公司，日本住友電工，美國Thorlabs和Adtech Photonics公司的分布反饋量子級聯激光器（DFB-QCL）為(wei) 基礎元器件，通過封裝和準直工藝，整合成一整套量子級聯準直激光發射模塊。無論您需要連續輸出，脈衝(chong) 輸出，定製中心波長，寬調諧，線寬<5 MHz，輸出功率達到百毫瓦級，還是高性價(jia) 比的工業(ye) 批量器件，請與(yu) 我們(men) 聯係，我們(men) 將幫您選擇3到13 μm及以上的中紅外激光器。激光發射器的主要產(chan) 品為(wei) ：

QC-Qube^TM迷你全功能量子級聯激光發射單元（具備氣密，溫控，散熱，準直功能的中紅外激光器）

HPQCL-Q^TM 標準中紅外量子級聯激光器（全功能且含共軸紅光，方便用戶觀察及調光）

HPQCL-H^TM 工業(ye) 級HHL封裝量子級聯激光器（高性價(jia) 比，高可靠）

QC-Qube^TM迷你QCL發射頭

LIV曲線以及準直光斑質量

驅動器

QC750-Touch^TM是集電流驅動，TEC溫控一體(ti) 化的觸屏激光驅動器，具備全自動一鍵啟動功能，從(cong) 開箱到出光使用非常方便。其內(nei) 置硬件電流鉗製和智能軟件保護功能，防止貴重的QCL激光器因過流和過溫導致損壞。驅動器的電流噪聲密度可以低至1.0 nA/Hz^1/2，非常適合用於(yu) 高精度中紅外光譜分析。

QC750-Touch^TM溫控電流一體(ti) 化QCL驅動

QC750-Touch^TM界麵視圖

紅外探測器

不同於(yu) 近紅外常見的Si和InGaAs探測器，用於(yu) 中紅外光譜分析的大多數是HgCdTe（碲鎘汞，MCT）材料製備的單元紅外探測器。它是一種高靈敏度的光電探測器，這種材料對2~12 μm的中紅外光譜波段光波敏感，缺點是其光電流響應率R隨溫度變化非常敏感，溫度越高，響應率越低。因此，該型探測器一般需要結合液氮或TEC半導體(ti) 製冷器在低溫下使用。海爾欣與(yu) 波蘭(lan) VIGO公司合作，針對其多級製冷MCT芯片，自主開發了一套運放和 TEC高度集成的中紅外探測器模塊HPPD係列。HPPD係列通過反饋電路，將MCT元件的工作溫度控製在負四十攝氏度，從(cong) 而將溫度對輸出信號的影響小化。探測器外殼采用全鋁合金材料，即可起到屏蔽環境電磁幹擾，也具備良好的散熱性能。針對TDLAS的不同客戶需求，可以是直流或交流耦合輸出。直流輸出適合初次調光，易於(yu) 觀察係統接收到的激光器的光功率大小，而交流輸出適合於(yu) 大功率背景下的交流小信號提取，防止探測器出現飽和。

HPPD-B型前置放大製冷一體(ti) 型MCT中紅外探測器