第二章 實驗設備及測試程序
第五節 傳立葉轉換紅外線光譜儀(FTIR)
2.5.1 紅外光譜簡述
整 個 輻 射 電 磁 波 涵 蓋 的 範 圍 非 常 的 廣 ， 光 子 所 具 有 的 能 量 也 不 同 ， 對 於 不 同 能 量 光 子 在 與 物 質 反 應 時 則 會 有 不 同 的 躍 遷 情 形 。 所 謂 紅 外 光 ， 一 般 定 義 是 指 波 長 在 可 見 光 （0.78 μm）和 微 波（ 1000μ m）間 的 電 磁 波。從 微 觀 的 角 度 來 看 ， 分 子 是 隨 時 保 持 著 振 動 或 轉 動 ， 若 吸 收 適 當 頻 率 的 紅 外 光 ， 會 使 躍 升 為 激 發 態 的 分 子 ， 所 以 我 們 可 以 透 過 紅 外 光 譜 來 瞭 解 分 子 的 結 構 ， 作 為 鑑 定 分 子 結 構 的 工 具 。 紅 外 光 檢 測 對 於 樣 品 來 說 ， 是 屬 於 一 種 非 破 壞 性 的 分 析 ， 樣 品 在 進 行 紅 外 光 譜 量 測 之 後 ， 並 不 會 造 成 原 本 結 構 的 破 壞 或 改 變 。
2.5.2 實 驗 儀 器 設 備
如 圖 2-33 所 示 為 Nicolet 550 型 傅 立 葉 轉 換 紅 外 線 光 譜 儀（FTIR）。其 主 要 元 件 有：光 源（ source）、光 圈（ B-stop、
J-stop）、 邁 克 遜 干 涉 儀 、 分 光 片 及 氦 氖 雷 射 。
以 下 將 依 光 路 徑 一 一 介 紹 光 譜 儀 中 各 重 要 元 件 ： 光 源 （ source）：
此 系 統 有 兩 種 不 同 光 源 依 實 驗 所 需 之 波 長 範 圍 來 選 用 ： 近 紅 外 光 區 光 源 是 氣 冷 式 以 穩 定 電 壓 發 光 之 鹵 素 燈 外 加 石 英 罩 。
光 圈 ：
B-stop 可 用 來 控 制 光 過 的 量 ， 避 免 檢 測 器 負 載 過 大 ， 另 外 可 限 制 光 通 過 樣 品 的 角 度 。 其 孔 徑 8 公 釐 （ mm）。 B-stop 調 整 干 涉 儀 中 光 束 之 平 行 度 盡 量 保 持 平 行 光 ， 以 利 檢 測 器 辨
認 干 涉 條 紋 ， 使 解 析 度 提 高 。 麥 克 森 干 涉 儀 ：
工 作 原 理 是 以 干 涉 條 紋 經 傅 立 葉 轉 換 後 得 出 易 懂 的 圖 譜 。 有 一 可 動 的 面 鏡 由 步 進 馬 達 控 制 。 所 使 用 的 分 光 鏡
（beamspliter） 可 各 穿 透 百 分 之 五 十 及 反 射 百 分 之 五 十 的 入 射 光 。 由 於 所 鍍 的 薄 膜 必 須 非 常 薄 並 且 具 有 極 高 的 折 射 率 ， 因 此 容 易 碎 裂 。 必 須 鍍 在 平 坦 且 穿 透 率 高 的 基 板 上 。 而 工 研 院 為 使 用 中 紅 外 光 分 光 鏡 。 工 作 範 圍 7400cm- 1~400cm- 1。
氦 氖 雷 射 ：
儀 器 中 的 低 功 率 氦 氖 雷 射 ， 是 作 為 傅 立 葉 轉 換 時 的 參 考 光 束 ， 用 於 干 涉 條 紋 之 記 錄 ， 與 紅 外 光 所 測 得 的 干 涉 條 紋 做 比 較 ， 以 便 電 腦 做 傅 立 葉 轉 換 用 。
2.5.3 FTIR 光譜儀的優點
在 紅 外 光 譜 的 量 測 上 ， 傅 利 葉 轉 換 光 譜 儀 有 一 些 優 於 色 散 式 系 統 光 譜 儀 的 特 點 ：
1.在 1958 年，P. Fellegett 提 出 此 項 優 點，指 出 在 相 同 的 靈 敏 度 、 解 析 度 和 頻 率 範 圍 之 下 ，FTIR 光 譜 所 需 的 掃 瞄 時 間 遠 低 於 色 散 式 系 統 光 譜 。 在 訊 雜 比 （signal-to-noise） S/N 中，訊 號（S）和 總 掃 瞄 時 間 T 成 正 比，雜 訊（ N）則 和
T
成 正 比 ， 則 色 散 式 光 譜 儀 和 FTIR 光 譜 儀 的 訊 雜
（signal-to-noise）可 分 別 寫 成（ S/N）FT I R
= T
和（S/N）D i s p e r si v e
= T / n
， 其 中 n 為 色 散 式 光 譜 儀 的 解 析 單 元（resolution element），由 此 可 知 FTIR 光 譜 的 S/N 比 色 散 式 光 譜 儀 好 n。例 如：頻 率 4000 到 400 cm- 1 範 圍 的 光 譜，
在 解 析 度 為 1 cm- 1時 n 值 為 3600， 改 善 的 情 況 為 好 n＝ 60， 所 以 在 相 同 的 S/N 下 ， 色 散 式 光 譜 儀 要 花 10 分 鐘 ，
而 在 FTIR 光 譜 儀 中 只 要 花 10 秒 即 可 達 到 。
2.在 色 散 式 光 譜 儀 中 ， 光 源 距 焦 在 狹 縫 上 ， 雖 然 狹 縫 越 小 鑑 別 率 越 佳 ， 但 因 通 過 狹 縫 的 能 量 受 到 限 制， 也 使 得 偵 測 到 的 訊 號 非 常 的 弱 。 而 在 FTIR 光 譜 儀 中 ， 所 有 光 束 路 徑 完 全 沒 有 用 到 狹 縫 ， 偵 測 到 的 能 量 較 高 ， 因 此 發 展 運 用 在 能 量 受 到 限 制 的 遠 紅 外 光 區 。
上 面 兩 項 優 點 為 FTIR 的 重 要 特 徵，讓 訊 雜 比 大 大 地 增 加，
提 升 光 譜 圖 的 準 確 度 。
3.光 譜 的 全 部 範 圍 掃 瞄 可 一 次 完 成 ： 在 色 散 式 儀 器 的 掃 瞄 過 程 中 ， 必 須 不 斷 地 轉 動 色 散 光 柵 來 來 變 換 不 同 的 掃 瞄 頻 率 ， 並 且 單 一 光 柵 並 不 適 用 於 所 有 光 區 ， 在 更 換 時 會 有 光 譜 不 連 續 的 情 形 。
4.在 儀 器 中 裝 設 He-Ne 雷 射 擔 任 頻 率 校 訂 的 工 作 ， 利 用 其 頻 率 精 確 及 穩 定 的 特 性，測 得 干 涉 條 紋 變 化 而 得 知 鏡 子 的 移 動 ， 進 而 可 修 正 干 涉 儀 的 光 譜 頻 率。 以 此 方 式 所 測 得 的 光 譜 ， 精 確 度 可 達 0.001 cm- 1以 上 。
5.鑑 別 率 ： 色 散 式 儀 器 中 的 狹 縫 跟 解 析 度 有 關 ， 不 同 頻 率 的 光 會 有 不 同 的 解 析 度 ； 干 涉 儀 的 解 析 度 跟 可 動 鏡 的 最 大 位 移 有 關 ， 若 速 率 保 持 固 定 的 話 ， 則 在 所 有 頻 率 的 解 析 度 會 相 同 。
傅 利 略 轉 換 光 譜 儀 的 解 析 度 跟 鏡 子 的 移 動 有 關 Δ
ν
= 1/δ其 中 ， Δ
ν
為 解 析 度 ， δ 為 鏡 子 移 動 的 最 大 距 離 。 因 此 ， 解 析 度 為 1 cm- 1， 則 鏡 子 移 動 最 大 距 離 為 1 cm， 若 解 析 度 為 0.01 cm- 1時 ， 則 鏡 子 移 動 距 離 則 需 100 cm， 只 要 鏡 子移 動 距 離 夠 長 ， 則 可 得 到 的 解 析 度 越 高 。
6.因 為 干 涉 儀 會 調 制 光 的 頻 率 ， 所 以 不 會 有 色 散 儀 中 所 出 現 雜 散 光 的 情 形 。
2.5.4 定量與定性分析
在定量分析上，首先必須建立檢量線，由於不同的機台進行氣體 的分析結果會有差異，因此必須利用相同物質至少兩種或兩種以上不 同濃度進行之偵測，以求出物質的檢量線，進行越多次濃度的偵測所 得到之檢量線準度越高，在工研院之機台即進行四種物質之檢量線，
而其是使用兩種不同濃度進行檢量線，其濃度如下表所示。
另外在定性分析方面，只要是在資料庫內的資料即可進行定性之 分析，而工研院之FTIR 之資料庫內則有 4814 筆物質之資料可供進行 煙毒性之分析。
表 2-3、工研院之 FTIR 檢量線範圍 下限 上限
HCl (ppm) 150 450 CO (ppm) 95 3510 NO (ppm) 97 517 定
量
SO2 (ppm) 98 490
圖 2-1、 工 研 院 之 圓 錐 量 熱 儀 (CONE)之 外 觀 圖
圖 2-2、 圓 錐 量 熱 儀 (CONE)之 整 體 試 驗 設 備 圖
圖 2-3、 CONE 之 圓 錐 輻 射 電 熱 器
圖 2-4、 CONE 之 試 體 承 盤
圖 2-5、 CONE 之 風 扇 進 口 風 道
圖 2-6、 CONE 之 氣 體 取 樣 設 備
圖 2-7、 表 面 試 驗 儀 加 熱 爐 之 構 造
圖 2-8、 表 面 試 驗 儀 之 集 煙 箱
圖 2-9、 表 面 試 驗 儀 之 光 量 測 定 裝 置
圖 2-10、 附 加 實 驗 之 試 體
圖 2-11、 基 材 試 驗 之 紮 結 方 式 示 意 圖
圖 2-12、 基 材 試 驗 之 支 持 框
圖 2-13、 基 材 試 驗 之 支 持 棒
圖 2-14、 基 材 試 驗 之 加 熱 爐 構 造
圖 2-15、 基 材 試 驗 之 插 入 加 熱 爐 之 試 驗 位 置
圖 2-16、 SBI 之 整 體 實 驗 概 圖
圖 2-17、 SBI 之 整 體 實 驗 示 意 圖
圖 2-18、 SBI 之 排 煙 管 道 概 圖
圖 2-19、 SBI 之 樣 品 與 推 車
圖 2-20、 SBI 之 外 觀 尺 寸 圖
試體及試體背 板之位置
主燃燒器
推車
圖 2-21、 SBI 之 集 煙 罩 的 尺 寸 圖
圖 2-22、 SBI 之 集 煙 管 的 尺 寸 圖
圖 2-23、 SBI 之 主 燃 燒 器 與 輔 助 燃 燒 器 之 相 對 位 置 圖
圖 2-24、 SBI 之 樣 品 與 背 板 的 相 對 位 置 圖 試體擺放位置
背板擺放位置
圖 2-25、 SBI 之 量 測 儀 器 的 相 對 位 置 圖
圖 2-26、 火 災 房 間 示 意 圖
圖 2-27、 ISO9705 之 實 驗 設 計
圖 2-28、 天 花 板 部 份 的 量 測 位 置
圖 2-29、 ISO9705 之 火 焰 右 側 牆 面 溫 度 量 測 位 置
圖 2-30、 ISO9705 之 火 焰 左 側 牆 面 溫 度 量 測 位 置
圖 2-31、 ISO9705 之 火 焰 左 右 兩 面 牆 溫 度 及 熱 通 量 計 量 測 位 置
圖 2-32、 熱 電 偶 樹 之 量 測 位 置
圖 2-33、 傳 立 葉 轉 換 紅 外 線 光 譜 儀 外 觀 圖