共享仪器傅里叶变换红外光谱仪的管理使用经验浅谈
当前位置: 主页 > 红外光谱仪技术资料 > 共享仪器傅里叶变换红外光谱仪的管理使用经验浅谈

共享仪器傅里叶变换红外光谱仪的管理使用经验浅谈


红外光谱分析技术是有机化合物结构表征的技术之一, 是高校教学科研实验室常用的分析手段。傅里叶红外光谱仪 (FTIR) 属于精密分析仪器, 需精心管理、保养和维护, 以保证仪器性能稳定、测试数据可靠。本文以FTIR的日常检查维护、样品制备技术及相关文档资料管理为主要内容, 介绍了该仪器在开放共享实验室的日常管理维护经验。所述内容对共享仪器FTIR的管理、维护及使用提供可借鉴的参考。

整合设备资源, 提高仪器使用效益, 建设大型仪器设备共享平台, 已成为高校仪器设备管理机制改革与发展的趋势[1~4]。在国内外高校大型仪器设备共享建设的制度和实践经验指导下[5,6], 2013年4月, 四川大学化学工程学院构建了“公用仪器开放平台”网络信息系统。基于此系统, 学院师生通过网上预约, 刷校园卡进入“公用仪器开放平台”实验室, 使用仪器设备[7]。依托平台网络数据信息库的建设和“公用仪器开放平台”的共享服务, 使现有仪器的使用价值充分发挥, 极大地推动了院级仪器设备资源开放共享工作。

我们以院级“公用仪器开放平台”现有设备FTIR为例, 总结了五年以来的管理、维护、使用、和保养的经验, 与同行及师生进行交流探讨。目前, 实验室有两台Perkin Elmer公司生产的Spectrum Tow型FTIR, 面向全院师生24小时开放共享, 该仪器使用频率高, 年使用机时数长。确保测试数据的准确性、重现性和可靠性, 为仪器操作者提供上机指导和红外检测方案优化等建议, 是提高共享仪器FTIR使用效益的关键。本文从仪器的日常检查与维护、常用样品制备技术及相关文档资料管理等方面对FTIR的应用展开介绍。

1 仪器的使用环境条件

1.1 仪器电源

FTIR使用单相交流电源, 工作电压220V, 为了防止突然断电又来电对仪器造成的损害, 配备了稳压电源。并且, FTIR做到未与大型电机、放电灯、无线电收发装置等有大功率或频繁瞬变负载电路的相关设备连接, 以保证线电压漂移在正常电压范围以内。

1.2 使用环境

FTIR放置在相对无尘的环境中, 附近区域无强烈磁场、直射阳光以及加热或冷却单元和管路。放置仪器的各方向保持至少7cm空间, 便于空气流通、散热。使用仪器时, 实验室内的人员不宜过多, 以减少室内CO2排放量。

湿度和温度:鉴于西南地区环境相对湿度较高的特点, 实验室内配备的除湿机24小时运行, 使环境湿度控制在60%以内;并安装空调, 保证环境温度在15℃~35℃。

防潮措施:由于FTIR内部的分束器、检测器和窗片是溴化钾光学器件, 容易受潮损坏, 因此, 防潮是仪器维护的重点。Perkin Elmer公司在Spectrum Tow型FTIR在防潮设计上, 采用无孔铝材制成的密封系统。该仪器使用吸潮性能较好的分子筛作为干燥剂, 需每隔半年至一年将干燥剂进行再生, 即可重复使用。在确保仪器供电正常的条件下, 仪器24小时常开, 以利于防潮。

2 仪器运行状况的日常检查

FTIR在使用中, 定期进行自检, 检查并掌握仪器的运行状况, 及时发现可能出现的异常情况, 以确保分析测试数据的准确性和可靠性。自检项目包括:仪器的能量值、标准聚苯乙烯薄膜红外光谱波数的精度、100%T基线的倾斜度和信噪比等。仪器自检需在仪器开机, 充分预热 (至少30分钟) 后进行。

2.1 能量检查

随着红外光源的老化, FTIR的能量将逐渐小幅度降低。每台仪器的能量值各不相同, 记录仪器安装调试时的能量值, 将其作为参考标准。能量当前值的短时波动一般不会超过0.5%, 如果能量当前值突然大幅度 (10%以上) 降低或发生连续下跌的情况, 应检查仪器的状态是否正常, 必要时与仪器厂家工程师联系。

2.2 波数精度检查

波数测量精度是反映仪器波数准确性和重复性的非常重要的指标, 利用聚苯乙烯薄膜作为标准物质对FTIR的波数精度进行检查[8]。根据我国JJF1319-2011《傅立叶变换红外光谱仪校准规范》, 要求检定13个吸收峰。而此台仪器的生产商提供了标准聚苯乙烯薄膜, 在4cm-1分辨率条件下, 以3082.18cm-1, 3060.02cm-1, 1601.34cm-1, 1583.12cm-1, 1028.34cm-15个红外吸收峰波数作为FTIR精度检查的参考值;再进行标准聚苯乙烯薄膜的红外测试, 比较对应红外吸收峰的测量值与参考值, 仪器生产商规定二者偏差应在±2cm-1以内。图1是FTIR扫描标准聚苯乙烯薄膜的红外光谱图, 由图可知, 5个吸收峰的波数测量值较参考值的偏差均在±1cm-1以内, 符合仪器生产商的波数精度要求。本文所述FTIR精度校准方法仅供高校教学科研实验室参考, 而仪器的检定应当由法定机构进行。

2.3 扫描基线检查

设置扫描参数, 空置样品仓。扫描背景16次, 接着扫描样品1次, 得到透过率光谱100%T基线图, 如图2所示。观察基线图, 其倾斜和漂移的程度, 反映仪器的稳定性。

图1 聚苯乙烯红外波长标准物质的红外光谱图

图1 聚苯乙烯红外波长标准物质的红外光谱图   下载原图

 

2.4 噪声和信噪比计算

噪声和信噪比是判断红外光谱仪器性能的重要的指标[9]。FTIR的信噪比采用透过率光谱的100%T基线衡量, 利用以下公式计算信噪比, SNR=100/N

图2 100%T基线红外光谱图

图2 100%T基线红外光谱图   下载原图

 

式中, N为峰-峰噪声值, 是波数区域内所有数据点的透过率最大值与最小值之差;SNR为信噪比值。通常, 横坐标选取2600~2500cm-1或2250~2150cm-1区域, 分析信噪比。以图2的100%T基线图为例, 在2250~2150cm-1区间, 最大值99.97%与最小值99.95%之差为0.02%, 即N=0.02%。由上述公式计算所得SNR值为5×105, 符合生产厂家关于仪器信噪比值高于11000:1的要求。

3 红外样品制备方法及注意事项

红外制样技术是保证测试数据的准确性、重现性、可靠性的关键环节之一[10], 红外检测方法包括透射法、衰减全反射法、漫反射法等, 不同检测方法所采用的制样方法亦不同。其中, 利用溴化钾压片进行红外透射检测, 是红外光谱分析常用的方法[11]。论文将重点介绍溴化钾压片法的操作及常见问题和注意事项, 有助于规范溴化钾压片操作、提高测试效率、获得符合红外透射分析要求的红外光谱图。

3.1 溴化钾压片法制备样品[12]

取约1mg样品于干净的玛瑙研钵中, 加约120mg的KBr, 混合研磨成细粉 (粒度<2.5μm) 后, 移入压片模具中, 用小扁铲将粉末铺平, 将模具放在压片机上加压, 在12~15MPa的压力下维持3~5min, 放气去压, 取出模具脱模, 得样片 (应为半透明状) 。针对不易挥发的液体, 可将其涂布在纯的溴化钾薄片上进行测试。

3.2 样片制备的常见问题

制备的KBr薄片, 常出现厚度较厚、厚薄不均匀、裂片现象。针对样片厚度较厚情况, 本实验室建议使用天平称量粉末样品。

利用溴化钾压片法制样, 在3400cm-1和1640cm-1附近会出现水的吸收峰, 这是该技术应用的缺陷。为了减小因样品吸附空气中的水分而产生的水峰, 制样前样品和溴化钾均应烘除水分, 去除水分的溴化钾可置于干燥器或长期保存在40℃烘箱中备用[12]。也可用溴化钾空白片作为扫描背景, 建议设备使用者根据分析要求, 选择空气或溴化钾空白片作为红外透射检测背景。

3.3 测试样品理化性质的要求

仪器管理者应掌握待测试样品的理化性质, 对于含毒性、腐蚀性、挥发性较强的样品, 需严格把关, 并在教师指导下进行测试或不准予测试。因为实验室现有FTIR没有配备抽风和吹扫系统, 为了防止腐蚀性、挥发性较强的物质侵蚀光谱仪中的金属组件和光学元件[8], 应慎用或避免使用该类物质进行测试。

3.4 压片器材使用注意事项

压片器材包括:玛瑙研钵、压片模具、压片机、样片夹具等, 在使用中应注意以下问题:

(1) 玛瑙研钵使用注意。使用研钵研磨样品切忌用研磨棒敲打研钵, 以免造成研钵损坏。

(2) 压片模具使用注意。压片模具使用前务必清洗干净, 并擦干后使用。为方便取片, 应尽可能保持模具的模腔内壁不沾有粉末样品。

(3) 装片注意。用不锈钢小扁铲将研磨好的样品和溴化钾混合物转移到压片模具中, 使混合物尽量均匀分布。这一步骤非常重要, 如果混合物没有较均匀分散, 可能导致裂片现象。

(4) 取片注意。压片模具从压片机上取出后, 先取出模具上冲和底座, 将上冲旋转180°, 置于压好的样片下方, 从下至上将样片从模套中顶出, 这样取出的样片不易碎裂。

(5) 模具清洗注意。测试完成后, 必须将样片带走, 使用的压片配件:玛瑙研钵、压片模具、样片夹具、药匙用水擦洗干净, 再用乙醇擦拭, 并保存在干燥器中。

4 仪器相关文档资料管理

文档资料科学的、规范的、合理的管理, 是评价仪器设备使用效益的数据支撑, 是设备开放共享的重要工作。论文所述FTIR设备, 在购置验收时, 对验收结果进行存档, 建立了文档资料数据库, 并对重要资料进行备份, 打印存档, 由设备管理员统一保管。需备份的安装测试结果包括仪器能量值、分辨率、波数精度、信噪比等。

日常使用记录:仪器操作人员记录测试样品名称、测试时间、仪器运行状态, 以便设备管理员及时了解仪器的运行状况, 如果发现问题, 方便查明故障原因;仪器维护记录:仪器每次维护或维修后, 将仪器调至最佳工作状态, 仪器参数记录备案, 以便后续检查仪器工作状态时, 作为参考值进行对比分析。

5 结语

五年来, 通过专门配备实验技术人员管理维护, 四川大学化学工程学院“公用仪器开放平台”的FTIR设备故障频率低, 仪器的信噪比无明显下降, 且测试数据的准确度和精密度良好, 保障了FTIR的开放使用。切实落实了院级“公用仪器开放平台”设备资源面向师生24小时全天候开放使用, 且信息通畅、运行高效的设备资源开放共享管理制度。论文所述内容对共享仪器FTIR的管理、维护和使用, 具有示范性与借鉴性。