傅里葉變換紅外光譜儀的檢測器有哪些類型？

傅里葉變換紅外光譜儀（FTIR）的檢測器用于將紅外光信號轉換為電信號，其性能直接影響儀器的靈敏度、響應速度和適用場景。根據檢測原理和工作條件，主要分為以下幾類：

一、熱檢測器（Thermal Detectors）

原理：基于材料吸收紅外光后溫度變化引起的物理性質改變（如電阻、極化率變化）。

特點：室溫工作，無需制冷，但靈敏度較低，適用于常規檢測。

1. 熱釋電檢測器（Pyroelectric Detector）

1) 核心材料：硫酸三甘肽（TGS）及其改良型（如 DTGS，氘代 TGS）、鉭酸鋰（LiTaO?）。

2) 工作機制：

①　熱釋電材料的極化強度隨溫度變化，紅外光照射導致材料溫度升高，極化強度改變，產生可測量的電荷信號。

②　需搭配斬光器（調制紅外光），以區分直流背景和交流信號。

3) 性能參數：

①　響應范圍：中紅外（4000–400 cm?1）。

②　靈敏度：約 10?? W/Hz1/2，滿足大多數常規分析（如有機化合物定性）。

4) 應用場景：

①　實驗室常規 FTIR 儀器（如 nicolet iS 系列、Bruker ALPHA），適配 ATR、壓片法等常規采樣附件。

2. 微測熱輻射計（Microbolometer）

1) 原理：基于微機電系統（MEMS）技術，由微米級像素單元組成，每個像素包含吸收紅外光的熱敏材料（如氧化釩 VOx、非晶硅 a-Si）和測溫電阻。

2) 特點：

①　面陣檢測器（如 320×256 像素），可與紅外顯微鏡聯用實現成像功能（Mapping）。

②　室溫工作，無需斬光器，適合快速掃描。

3) 應用場景：

①　顯微紅外成像（如材料微區分析、污染物定位），典型儀器如 Bruker Hyperion 系列。

二、光子檢測器（Photon Detectors）

原理：基于材料吸收光子后產生自由電荷（光電效應），靈敏度高，但需低溫制冷以降低熱噪聲。

特點：響應速度快，適合痕量分析或高速檢測。

1. 碲鎘汞檢測器（MCT Detector，Mercury-Cadmium-Telluride）

1) 核心材料：Hg???Cd?Te（x=0.2–0.3，禁帶寬度可調）。

2) 工作機制：

①　光子激發材料中的電子從價帶躍遷至導帶，產生光電流，信號強度與光子通量成正比。

②　需液氮制冷（77K）：降低電子熱激發噪聲，提升靈敏度。

3) 類型與性能：

①　P 型 MCT：檢測中紅外（3–15 μm，對應 3300–660 cm?1），靈敏度最高（約 10?1? W/Hz1/2），用于痕量分析。

②　N 型 MCT：檢測遠紅外（15–30 μm，對應 660–330 cm?1），適用于聚合物低頻振動分析。

4) 應用場景：

①　高靈敏度檢測（如微量添加劑分析、氣體痕量污染物）、聯用技術（如 GC-FTIR、TGA-FTIR）。

2. 銻化銦檢測器（InSb Detector）

1) 材料：銻化銦半導體（禁帶寬度 0.17 eV）。

2) 特點：

①　主要用于近紅外區域（1–5 μm，對應 10000–2000 cm?1），需液氮制冷。

②　靈敏度高于熱檢測器，但低于 MCT，常用于近紅外光譜儀（如過程分析中的在線檢測）。

3. 量子阱檢測器（Quantum Well Detector, QWD）

1) 原理：基于半導體量子阱結構中的子帶間躍遷，可定制檢測特定波長范圍。

2) 優勢：

①　制冷要求低于 MCT（如熱電制冷至 190K），功耗更低。

②　面陣結構，適用于紅外成像，如焦平面陣列（FPA）檢測器。

3) 應用：

①　科研儀器（如同步輻射紅外成像）、工業在線檢測系統。

三、其他特殊檢測器

1. ** Golay 池（Golay Cell）**

1) 原理：氣體熱膨脹效應 —— 紅外光加熱氣室中的氣體（如氙氣），導致氣室薄膜膨脹，通過電容變化檢測膨脹量。

2) 特點：

①　曾用于早期 FTIR，現逐漸被熱釋電 / MCT 取代。

②　響應范圍寬（中紅外至遠紅外），但體積大、易受振動干擾。

2. 壓電檢測器（Piezoelectric Detector）

①　原理：利用壓電材料（如石英）的形變產生電信號，響應紅外光引起的溫度變化。

②　應用：僅用于特定場景（如便攜式紅外儀器），目前已較少使用。

四、檢測器選型依據

1. 檢測需求

①　常規定性分析：選擇室溫熱釋電檢測器（如 DTGS），性價比高。

②　痕量分析 / 氣體檢測：必須使用液氮制冷的 MCT 檢測器，提升靈敏度。

③　成像或快速掃描：優先選微測熱輻射計或 QWD 面陣檢測器。

2. 光譜范圍

①　中紅外（4000–400 cm?1）：熱釋電、MCT 為主。

②　近紅外（10000–4000 cm?1）：InSb、硅基檢測器更合適。

3. 實驗室條件

①　液氮供應能力：若配備 MCT，需確保液氮持續供應（每周補充 1–2 次）。

②　振動控制：面陣檢測器（如微測熱輻射計）對環境振動敏感，需穩定平臺。

選擇檢測器時，需綜合樣品特性（濃度、狀態）、檢測目標（定性 / 定量）和實驗室資源，在靈敏度、成本和操作便利性之間權衡。