如何選擇紅外透射窗片

傅里葉變換紅外光譜儀因為寬光譜的特點，對紅外窗口材料的選擇比較嚴格。目前，熒颯光學有十多種不同的紅外窗片材料可供選擇，每種材料都有其自身的特性。在選擇適合您應用需求的窗片材料時，需要考慮以下幾個因素：要研究的光譜范圍、樣品與窗片的化學性質、窗片的物理性質，以及針對特定需求下的相對成本。

影響透射池（不包括樣品）能量透過率的因素有：窗片的透射范圍、窗片的有效厚度、窗片表面反射引起的能量損失，以及使用過程中的能量損耗，如劃痕和起霧等。下面列出的有效透射范圍是在單個窗片的透射水平下降到50%時確定的。相同材料的情況下，薄的窗片可以透射到更低的波數。當使用具有高折射率的窗片時，由于窗片的反射，會有顯著的能量損失，并且會出現強烈的正弦波，稱為干涉條紋。這些干涉條紋是由紅外光透射樣品池平行窗片材料的內反射相互干涉引起的。條紋的強度由材料的折射率決定，折射率越大，條紋越強。池內窗片之間的空氣間隙決定了條紋的頻率，小間隙（比如0.015毫米光程池）會產生高頻條紋，大間隙（比如0.50毫米光程池）會產生低頻條紋。干涉條紋對于計算透射池的光程非常有用。

在選擇特定應用的合適窗片時，需要考慮的一個重要因素是樣品和窗片的化學性質。與池內窗片發生反應的樣品會侵蝕內表面。相對水溶性以及會侵蝕窗片表面的常見樣品或溶劑通常會在屬性列表中列出。溶解度數據是在室溫并處于平衡條件下，每100毫升水中能溶解的該材料的克數。另外，不能將水中的溶解度與窗片材料的吸濕性程度混淆。吸濕性材料容易從大氣中吸收水分，導致窗片起霧或變得不透明。

理想的窗片材料還必須與樣品的物理性能相兼容，例如硬度。對于非常硬的樣品，不應使用軟質的窗片材料。大多數測量硬度的方法都是基于用規定形狀的壓頭并以一定壓力按壓材料。壓頭的形狀決定了該方法的類別，一般分為為布氏（Brinell）、維氏（Vickers）、努氏（Knoop）等硬度測試方法。硬度測量值會隨著施加的壓力、壓力持續時間以及加壓和釋放的速度而有所不同。這種可變性取決于材料的蠕變、冷流和微小裂紋緩解應力的特性。一些較軟的材料，如溴化鉀和氯化鈉，在被腐蝕或劃傷后可以手工重新拋光。而像硅和藍寶石這類非常硬的材料，雖然可以抵抗劃痕，但手工重新拋光卻極其困難。

透射池一般分為兩種：密封固定光程池、可拆卸池。

密封池具有精確對齊的窗口，光程固定。它由一個鉆孔窗口和一個未鉆孔窗口密封在一起組成。窗片之間由一個金屬墊片隔開，該墊片決定了光程長度。窗口平行，光程長度固定，因此可以輕松對其進行校準，以進行定量測量和其他精確的光譜分析。密封池可以用于高揮發性的樣品，而沒有泄漏的風險。

可拆卸池是密封池的一種實用且經濟的替代品，能夠輕松更換池中的的窗片。這些池同樣由一個鉆孔窗片、一個未鉆孔窗片、一個間隔墊片（通常為Teflon材料）和一個密封圈組成。當用于測量粘稠或難以清潔的樣品時，可拆卸池的價值就體現了，因為它們可以很容易地拆卸、清潔和重新組裝。當有些應用所需的光程長度未知，需要進行實驗來確定時，可拆卸池是非常好的選擇。可拆卸池可以通過更換間隔墊片來改變其光程長度。

硫系玻璃是制造中紅外光纖的最佳材料。這種硫系光纖由AsSeTe玻璃組成，具有化學惰性和中紅外透過性。其適用的pH范圍為1-9。

AMTIR（Amorphous Material Transmitting Infrared Radiation非晶態紅外透射材料）GeAsSe玻璃不溶于水，在酸性溶液中具有很強的耐腐蝕能力。如果長期暴露（一周），它會在堿性溶液中溶解。該材料最高可使用溫度達300°C。是一種良好的衰減全反射（ATR）材料。

氟化鋇（BaF?）的透射范圍比氟化鈣（CaF?）更寬。由于氟化鋇容易因熱沖擊或機械沖擊而發生解離，因此在使用時須小心謹慎。與氟化鈣相比，氟化鋇的使用溫度范圍較窄，在500°C時會與空氣發生反應，最高使用至800°C（在干燥的空氣中）。此外，氟化鋇不應與銨鹽溶液一起使用。氟化鋇常被用于紅外透射池窗口。

氟化鈣（CaF?）是已知最堅硬的晶體材料之一，特別適用于高壓池。它能耐受大多數酸和堿的腐蝕。在室溫下，氟化鈣不吸濕，但在高溫下會與空氣發生反應。若保持干燥狀態，該晶體可以在900°C高溫下使用。需要注意的是，氟化鈣不應與銨鹽溶液一起使用。氟化鈣常用于紅外透射池窗口。

碲化鎘易受到氧化劑的侵蝕，并且微溶于酸。碲化鎘硬度比硫化鋅（ZnS）和硒化鋅（ZnSe）低。碲化鎘適用于紅外透射窗口和衰減全反射（ATR）元件。

光學型CVD生長鉆石在4000至400 cm^-1的紅外波段具有良好的透光性，其光譜中存在清晰的2600至1600 cm^-1的本征分子振動特征峰和指紋區。這種金剛石特別適用于高壓和強腐蝕性工作環境。

鍺是一種堅硬且脆的物質。由于高反射損耗，它的透光率較低。鍺可溶于熱硫酸和王水，但不溶于水，是良好的衰減全反射（ATR）材料。

KRS-5經常用于衰減全反射（ATR）晶體，因為它具有較寬的光譜范圍、高折射率且不易斷裂。它微溶于水，可溶于堿，不溶于酸。這種材料不應與銨鹽溶液一起使用。KRS-5是有毒的，但只有是在吸入粉塵或傷口接觸到粉塵時才會產生危害。KRS-5可窗口材料和ATR材料。

溴化鉀是一種非常有用的材料，因為它覆蓋的光譜范圍比氯化鈉（NaCl）更寬。溴化鉀具有良好的抗熱沖擊性和機械沖擊性能。雖然KBr窗片易于拋光加工，但相比NaCl更容易受潮。溴化鉀常用于紅外透射池窗口的制作。

石英主要用于紫外-可見（UV-Vis）和近紅外（NIR）光譜區域。紅外級石英具有高純度和極低的羥基（OH）含量。石英不溶于水。

藍寶石，單晶氧化鋁，是一種非常堅硬的材料，化學性質穩定，具有雙折射特性。藍寶石會受到濃酸和濃堿的侵蝕。

光學級硅（Si）與鍺（Ge）非常相似，具有更好的抗機械沖擊和熱沖擊性能。硅可溶于氫氟酸和硝酸的混合溶液。硅被用作衰減全反射（ATR）材料以及紅外透射池窗口材料。

硫化鋅材料主要有兩種類型。第一種是通過化學氣相沉積法制備的硫化鋅（CVD ZnS），它在1640 cm^-1處有一個水吸收帶，這會對衰減全反射（ATR）測試產生干擾。第二種專用于衰減全反射（ATR）和漫反射晶體，因為它沒有水吸收帶。硫化鋅不溶于水，但易受到強氧化劑侵蝕。硫化鋅具有良好的抗熱沖擊性和機械沖擊性能。