光學分析儀器上的光譜解析度

2021/10/05

實驗參數

在調整實驗參數設定時，例如掃描次數(Number of scans)、光譜解析度(Resolution)以及Y軸表現值(Final format)等，許多傅氏轉換紅外光譜儀(FT-IR)的初學者都不明白，所選擇參數的含義以及它們會如何影響到實驗的光譜結果。在本篇文章中，我們希望闡明敘述清楚光譜解析度，並為各位初學者提供一組規則以幫助您決定最佳實驗參數設定。

圖1.ThermoFisher Nicolet FTIR OMNIC軟體實驗參數設定頁面

常見的誤解

使用者普遍認為，光譜解析度(Resolution)的可調高低與光譜儀的性能(Performance)表現的好壞是畫上等號。其實不然，一旦您開始深入探討解析度的定義，就會開始發現這個想法跟事實不符。請詳閱以下敘述，很快地就能搞清楚這到底是怎麼一回事，且讓我們從頭說明起。

到底什麼是光譜解析度?

光譜儀的解析度被認為是，分離波長或頻率非常接近的兩條譜線之能力。這代表著，兩個紅外波段越近相似，要區分離它們的分辨能力就必須更好。光譜解析度以波數 (cm^-1) 表示，對應於紅外光譜中的X軸。

圖2.光譜解析度(Resolution)的定義

如何選擇最佳光譜解析度

選擇的參考取決於實驗應用和量測樣品的型態，但根據經驗，可以參考以下的選擇方式：
(1) 4 cm^-1：用於 QA/QC 中的標準固體和液體樣品。
(2) 2 cm^-1：可分辨固體或液體樣品的所有振動帶。
(3) 1 cm^-1：對於大多數標準氣體應用，可能需要更高的光譜解析度，來完全表現氣體混合物，見圖3。

圖3.氣體分子在不同光譜解析度(Resolution)下的表現

以聚乙烯聚合物(PE)之光譜舉例

一般狀況來說，是不需要用非常高的光譜解析度來分析固體和液體的特性和純度。 4 cm^-1足夠用以識別標準聚合物，例如聚乙烯(PE)。如下圖4中，可看到分別以 32、16、8、4和2 cm^-1解析度來記錄聚乙烯的五張光譜。

圖4.聚乙烯聚合物(PE)在不同光譜解析度(Resolution)下的表現

五張光譜幾乎重合顯示為一條線，不易發現任何差異。然而，實際卻可以在優於8 cm^-1的解析度中觀察731 cm^-1處顯示出特定的吸收峰，表明其結晶度。然而，該吸收峰只能至少要以4 cm^-1的解析度量測才能顯現出。

圖5.聚乙烯聚合物(PE)在各解析度(Resolution)下的差異表現

圖5與圖4是完全相同的五張光譜圖，但放大觀察到了 731 cm-¹附近的區域。在4 cm^-1的解析度下，您可以在 719 cm^-1處觀察到從主峰上升的“次峰肩膀”。在2 cm^-1的解析度下，該峰被完全分離。這可以用於區分高密度(HDPE)和低密度(LDPE)聚乙烯聚合物。

如果只是盲目地增加光譜解析度，其實對光譜處理上並沒有任何有意義的效果。
這是為什麼呢？因為固體和液體中光譜帶的自然寬度，原本就被限制在幾個波數間。這意味著，根據物理定律，高解析度測量對於固體和液體是無效的，並不會改善您的實驗結果。

圖6.Nicolet FTIR傅氏轉換紅外光譜儀各機型的光譜解析度規格

高解析度的代價

為了得到高解析度的光譜，相對來說掃描時間也會跟著拉長，解析度的調整也會影響到其他測量參數，例如光圈(Aperture)的大小。為了獲得更高的解析度，干涉儀內的移動鏡必須經過更長的距離才能進行一次掃描，這就代表花費相同的時間，只能記錄更少的掃描次數。如果記錄的掃描次數較少，則所得光譜的訊雜比(S to N Ratio)也將受到嚴重的影響。為了避免此種狀況發生，也可以變相增加掃描次數，一旦如此調整，測量時間也大大地增加。但如前所述，為何要在沒有意義的情況下，浪費這些量測時間呢？