紅外光譜是分析化合物結(jié)構(gòu)的重要手段。衰減全反射(ATR)技術(shù)是紅外光譜測(cè)試技術(shù)中應(yīng)用非常廣泛的光譜技術(shù)，它利用紅外線光譜技術(shù)進(jìn)行化學(xué)成分分析，可以在不破壞樣品的情況下快速獲取樣品的紅外光譜信息，是一種常用分析手段。

什么是衰減全反射法

衰減全反射法(ATR)是一種取樣方法，它將光線引入樣品中來(lái)獲取結(jié)構(gòu)和成分信息。ATR是FTIR光譜法 較常用的取樣技術(shù)之一。普遍使用 ATR的原因在于它能夠?qū)腆w和液體樣品直接分析，無(wú)需進(jìn)行樣品制備或稀釋即可達(dá)到測(cè)量光譜的目的，幾乎簡(jiǎn)化了所有物質(zhì)的測(cè)量。

測(cè)定固體樣品時(shí)，需要固體樣品與ATR晶體緊密接觸，因此需要用ATR附件的壓頭將樣品壓緊在ATR晶體表面使衰減反射波能夠穿透到樣品中。測(cè)試液體樣品時(shí)，對(duì)于能涂在ATR晶體上的形成液層的樣品，直接涂抹后即可測(cè)試。對(duì)低沸點(diǎn)易揮發(fā)樣品需要使用帶液體池的ATR附件。

與另外一個(gè)廣泛使用的取樣方法透射法不同，其測(cè)量光程與樣品厚度無(wú)關(guān)。ATR是一種基于內(nèi)部反射的方法，樣品光程取決于紅外能量在樣品中的穿透深度。固體樣品厚度可以是100微米，也可以是100毫米，記錄的紅外光譜看起來(lái)基本是相同的。如果流體或漿體樣品接觸ATR表面，則會(huì)記錄液體部分的紅外光譜。 正是由于后一種現(xiàn)象，才使得衰減全反射法(ATR)在化學(xué)反應(yīng)監(jiān)測(cè)方面的表現(xiàn)如此強(qiáng)勁。

結(jié)構(gòu)原理

紅外光譜ATR法測(cè)試是利用ATR(全反射衰減)效應(yīng)進(jìn)行測(cè)試的。在測(cè)試時(shí)，樣品放置在紅外ATR元件的表面，當(dāng)紅外線光束穿過(guò)ATR元件時(shí)，部分光線被反射，一部分光線被吸收。被吸收的光線可以得到樣品的紅外光譜信息，從而進(jìn)行化學(xué)成分分析。

當(dāng)一束單色光以入射角θ從一種光學(xué)介質(zhì)1射入另一種光學(xué)介質(zhì)2時(shí)，光在兩種光學(xué)介質(zhì)的界面將發(fā)生反射和折射現(xiàn)象。當(dāng)介質(zhì)1的折射率n₁大于介質(zhì)2的折射率n₂，且入射角θ大于臨界角θc (sinθc= n₂/n₁)時(shí)，就會(huì)發(fā)生全反射。當(dāng)發(fā)生全反射時(shí)，在光的拐點(diǎn)出產(chǎn)生衰減反射波，如下圖所示：

當(dāng)衰減反射波的振幅衰減到原來(lái)振幅的1/e時(shí)的距離稱(chēng)之為穿透深度(Dp)。穿透波的深度由入射波的波長(zhǎng)λ、晶體的折射率n₁、樣品的折射率n₂和光在晶體中的入射角θ決定。Dp的計(jì)算如公式：

衰減全反射ATR就是利用該技術(shù)來(lái)獲得樣品的紅外光譜的。如上圖所示，光在ATR表面發(fā)生全反射，根據(jù)樣品的折射率衰減反射波達(dá)到一定穿透深度，如果樣品在入射光的頻率區(qū)域有吸收，反射光強(qiáng)度在試樣有吸收的頻率位置發(fā)生減弱，可產(chǎn)生和普通透射吸收相類(lèi)似的譜圖，因此可用于化學(xué)組成的定性和定量分析。

晶體性質(zhì)

在實(shí)驗(yàn)中，我們需要根據(jù)實(shí)際需求對(duì)ATR晶體進(jìn)行選擇。主要考慮因素有折射率、臨界角、入射角、穿透深度、適用光譜范圍、反射次數(shù)、有效光程、晶體耐酸堿度、晶體硬度等。不同ATR晶體的硬度、耐酸、耐堿以及耐化學(xué)腐蝕的程度不一，在使用時(shí)應(yīng)當(dāng)先了解其性質(zhì)，防止對(duì)其造成劃痕、腐蝕甚至破裂，導(dǎo)致影響光譜的質(zhì)量或無(wú)法獲得有效光譜。

常見(jiàn)的有機(jī)化合物的折射率在1.5左右，需要ATR晶體的折射率大于1.5。常見(jiàn)的ATR晶體材料有金剛石(2.4)、ZnSe(2.4)、Ge(4.0)、Si(3.4)、KRS-5(2.37)、AMTIR(2.5)。

根據(jù)臨界角計(jì)算公式sinθc=n₂/n₁我們可以得到各種晶體的臨界角，假設(shè)樣品折射率1.5，則ATR晶體的臨界角如下：金剛石(38^o)、ZnSe(38^o)、Ge(22^o)、Si(26^o)、KRS-5(39^o)、AMTIR(37^o)。

根據(jù)穿透深度Dp=λ/2πn₁[sin2θ-(n₂/n₁)²]^1/2可知，晶體折射率越大，穿透深度越淺。樣品折射率越高，穿透深度越深；入射角θ越大，穿透深度越淺；光的波長(zhǎng)越短，穿透深度越淺。如下圖：

由此可見(jiàn)，采用ATR 附件測(cè)得的紅外光譜在高波數(shù)和低波數(shù)的穿透深度不同。低波數(shù)吸收峰的峰強(qiáng)強(qiáng)于高波數(shù)的峰強(qiáng)。為了與普通透射紅外光譜進(jìn)行比較，需要對(duì) ATR附件測(cè)得的光譜進(jìn)行校正，以1000cm^-1為基準(zhǔn)，校正公式：  

反射次數(shù)與ATR晶體長(zhǎng)度l和厚度t以及入射角度θ相關(guān)(如下圖)，反射次數(shù)的計(jì)算公式為：N=l/2t*tanθ。那么有效光程d_e=N* D_p。

金剛石的硬度最大，且耐酸耐堿耐化學(xué)腐蝕，應(yīng)用廣泛，但其在1800-2300cm^-1波段有強(qiáng)吸收，在此區(qū)域有吸收的樣品需要避免使用；ZnSe晶體可適用的光譜范圍在20000-650cm^-1，符合絕大數(shù)樣品的測(cè)試，但其不耐酸堿，硬度不高，容易產(chǎn)生劃痕。Ge晶體的測(cè)量光譜范圍較窄，但其折射率高，可以用于測(cè)定高折射率的樣品；KRS-5的光譜測(cè)量范圍最寬，但其硬度最低，且不耐腐蝕，使用的很少。

關(guān)于ATR晶體的相關(guān)參數(shù)如下表所示：

應(yīng)用領(lǐng)域

純凈或光學(xué)致密物質(zhì)的理想之選。也廣泛應(yīng)用于化學(xué)、生物、食品、藥品、材料等領(lǐng)域。例如，可以用于藥品中成分的鑒定、食品中添加物的檢測(cè)、材料的表面分析等。

衰減全反射法(ATR)采用一種光學(xué)傳感器材料，該材料具有足夠高的折射率，可在傳感器內(nèi)部進(jìn)行反射。根據(jù)所選光學(xué)材料和傳感器制造方式的不同，可以對(duì)反射或節(jié)點(diǎn)數(shù)目進(jìn)行仔細(xì)控制，獲取與光學(xué)致密樣品完美匹配的有效光程。任何直接接觸該傳感器的物質(zhì)均可通過(guò)該能量來(lái)檢測(cè)。FTIR光譜的強(qiáng)度主要取決于折射次數(shù)、隱失波進(jìn)入樣品的穿透深度、樣品中待研究分子的數(shù)目，以及它們各自的吸光率。

在透射技術(shù)中，光必須橫向穿過(guò)樣品，而在FTIR ATR中，樣品厚度并不重要。液體或固體樣品厚度可以為10微米，也可以是10厘米，無(wú)論厚度如何，均可獲取有用的FTIR光譜。因?yàn)闊o(wú)需樣品制備或稀釋即可獲取有用的光譜，所以ATR適用于研究多種化學(xué)反應(yīng)。另外，ATR傳感器具有耐磨性，能夠耐受與許多化學(xué)物質(zhì)相關(guān)的嚴(yán)苛反應(yīng)條件。

? ATR-FTIR在定性分析中的應(yīng)用

為了建立基于衰減全反射傅里葉變換紅外光譜(ATR-FTIR)的餐飲廢油摻假檢測(cè)方法，以常見(jiàn)食用油和餐飲廢油為原料，收集8個(gè)餐飲廢油和25個(gè)食用油樣品，制備30個(gè)摻假油樣品，共63個(gè)油樣進(jìn)行紅外光譜掃描。隨機(jī)取48個(gè)油樣作為校正集樣品，15個(gè)油樣作為驗(yàn)證集樣品，建立餐飲廢油定性分析模型，并對(duì)定性模型進(jìn)行驗(yàn)證；從30個(gè)摻假油樣品中，隨機(jī)取20個(gè)油樣作為校正集樣品，10個(gè)油樣作為驗(yàn)證集樣品，建立餐飲廢油定量分析模型，并對(duì)定量模型進(jìn)行驗(yàn)證。

結(jié)果表明：在紅外光譜范圍為1550-650cm^-1條件下，采用原始光譜結(jié)合判別分析建立定性分析模型，其識(shí)別率可達(dá)100%；采用偏最小二乘法(PLS)建立定量分析模型，在摻假比例1%-10%時(shí)，模型預(yù)測(cè)值與實(shí)際摻假比例呈良好的線性關(guān)系，相關(guān)系數(shù)(R)為0.9822，標(biāo)準(zhǔn)偏差(SD)為0.47。表明基于ATR-FTIR的餐飲廢油摻假檢測(cè)是可行的。 

食用油、餐飲廢油和摻假油ATR-FTIR光譜

定性分析模型的建立及驗(yàn)證

? ATR-FTIR在定量分析的應(yīng)用研究

對(duì)聚苯乙烯-聚二甲基硅氧烷共聚物與聚苯乙烯聚合物構(gòu)成的摻合物表面進(jìn)行ATR-FTIR定量分析。在定量前對(duì)穿透深度進(jìn)行ATR譜圖校正。基于比耳定律和每個(gè)組分峰面積的比率, 進(jìn)行表面聚合物濃度的測(cè)定。該校正過(guò)程提高了表層測(cè)定的精確度。此法可用于組分含量均勻的混合物體系, 如均勻摻合物。

采用ATR-FTIR定量分析聚合物濃度