Ep 13 — 采样技术入门：透射法（KBr 压片、液池、薄膜）

系列：红外光谱百科：从原理到实战
篇章：第二篇 · 初级篇 — 走进实验室
适合人群：大学本科生、研究生、刚进入实验室的技术人员
前置知识：Ep 11（色散型 vs FTIR）、Ep 12（迈克尔逊干涉仪）
阅读时间：约 35 分钟

引子：一张好谱图，七分在制样

老实验室里流传着一句话："仪器决定下限，制样决定上限" [1]。

再先进的 FTIR，如果样品制备不当，得到的谱图也是一堆"垃圾"——基线倾斜、散射严重、吸收饱和、水峰盖住目标峰……这些问题的根源几乎都不在仪器，而在采样。

在 ATR（衰减全反射）普及之前，透射法（Transmission）几乎是红外光谱唯一可用的采样方式。从 1940 年代的棱镜仪器到 1980 年代的早期 FTIR，几代化学家都是用 KBr 压片、液池、薄膜这些"传统手艺"做出了一批批漂亮的谱图 [1][2]。

即使在 ATR 几乎"一统天下"的今天，透射法依然不可替代 [2][3]：

• 定量分析需要精确可控的光程 → 液池
• 气体分析需要长光程 → 气体池
• 高分子薄膜需要体相信息 → 薄膜透射
• 药典鉴别标准方法仍要求 KBr 压片 [4]

本集我们将系统学习透射法的三大经典制样技术——KBr 压片法、液体池法、薄膜法，并扩展到气体池。掌握这些"基本功"，你才能真正理解红外光谱的每一个峰从何而来。

一、透射法的基本原理

1.1 什么是透射测量？

透射测量是最直接的红外采样方式 [3][5]：红外光束穿过样品，检测器测量透射后的光强。样品吸收特定频率的光，透射光在对应频率上减弱，形成吸收峰。

    红外光源 → [样品] → 检测器
              透射测量

透射率（Transmittance, T）的定义为 [5]：

$$T = \frac{I}{I_0}$$

其中 $I0$ 为入射光强度，$I$ 为透射光强度。吸光度 $A = -\log{10}(T)$，与样品浓度、光程成正比（朗伯-比尔定律，Ep 20 详述）[5]。

1.2 透射法的核心要求

要让透射测量得到有用的谱图，样品必须满足两个关键条件 [1][3]：

① 光程合适：吸收既不能太强（透射率趋近 0，谱图"黑掉"），也不能太弱（信噪比差）。中红外区绝大多数有机化合物的合适光程在 10–50 μm 量级 [1][3]——这比一张 A4 纸还薄！

② 散射小：样品颗粒或液滴的尺寸必须远小于测量波长（中红外 2.5–25 μm），否则会发生 Mie 散射，导致基线倾斜、能量损失 [1][3]。经验法则是颗粒尺寸应 < 2 μm [1]。

正是这两个苛刻要求，催生了各种"花样繁多"的制样技术。

1.3 为什么红外对光程如此敏感？

紫外-可见光谱常用 1 cm 比色皿，而红外却要用 μm 级光程，原因在于吸收截面差异 [5]：

• UV-Vis 电子跃迁：摩尔吸光系数 ε ~ 10⁴–10⁵ L·mol⁻¹·cm⁻¹
• IR 振动跃迁：摩尔吸光系数 ε ~ 10–10³ L·mol⁻¹·cm⁻¹

虽然 IR 的 ε 较小，但有机物在中红外区的峰密度极高（每 cm⁻¹ 都可能有峰），如果光程太大，峰会重叠饱和成"黑团"。因此红外测量必须用极短光程 [1][5]。

💡 小贴士：纯液体（如水、乙醇）直接测量时光程需控制在 10–100 μm；稀溶液可用 0.1–1 mm；气体则因分子密度低，需用 cm 到 m 级长光程 [1][3]。

二、KBr 压片法：固体样品的"金标准"

2.1 方法概述

KBr 压片法（KBr pellet method）是固体有机物红外鉴别的经典标准方法，自 1950 年代起广泛应用 [1][6]。它的核心思路是：

将微量样品与高纯 KBr 粉末混合研磨，在高压下压成透明圆片，放入光路测量 [1][6]。

为什么选 KBr？ 因为 KBr 在中红外区（4000–400 cm⁻¹）几乎完全透明，不产生任何吸收峰干扰样品信号 [1][6][7]。KBr 是离子晶体，没有共价键振动，只有 250 cm⁻¹ 以下的晶格振动，正好"让出"了整个中红外窗口。

🔗 延伸阅读：想了解 KBr 等窗片材料的透射范围对比，可访问 ftir.fun 溴化钾相关官能团页 查看 KBr 吸湿产生的 O-H 干扰峰。

2.2 操作步骤详解

标准 KBr 压片流程如下 [1][6][8]：

步骤 1：准备 KBr 粉末

• 使用光谱纯（Spectroscopic grade）KBr，纯度 ≥ 99.9% [1][6]
• KBr 必须充分干燥：在 130 °C 烘箱中干燥 24 h 以上，或真空干燥 4 h [6][8]
• 干燥后保存在干燥器中（相对湿度 < 30%），最好在手套箱中操作 [8]
• 已吸潮的 KBr 会出现 3400 cm⁻¹（O-H 伸缩）和 1640 cm⁻¹（H-O-H 弯曲）的水峰 [1][8]

📷 图 1：KBr 压片操作流程图

来源：真实/开源图片 · Project asset — FTIR spectrometer photo（已加水印 ftir.fun）
https://www.umich.edu/~chem...

步骤 2：研磨样品

• 称取 1–2 mg 样品 + 100–200 mg KBr（质量比 1:100 至 1:200）[1][6][8]
• 在玛瑙研钵中沿同一方向充分研磨 1–2 分钟
• 研磨的目的是 [1][8]：
  • 让样品与 KBr 充分混合均匀
  • 将颗粒磨细至 < 2 μm（避免散射）
  • 研磨不充分会导致谱图基线倾斜、能量损失

"Grind the mixture thoroughly until the particle size is less than 2 μm. Insufficient grinding is the most common cause of poor spectra."
—— Shimadzu 应用笔记 [8]

步骤 3：装模与压片

• 将研磨好的粉末装入压片模具（直径通常 13 mm）
• 用刮刀铺平，确保粉末分布均匀
• 将模具放入液压机，抽真空 1–2 分钟（去除空气）[6][8]
• 加压至 7–10 吨（约 600–800 MPa），保持 1–2 分钟 [1][6][8]
• 缓慢卸压，取出压片

步骤 4：测量

• 将压片放入样品架，置于光路中
• 采集背景：用纯 KBr 压片或空光路作背景 [1]
• 采集样品谱图
• 建议扫描 16–32 次，分辨率 4 cm⁻¹ [3]

2.3 常见问题与排查

KBr 压片法的"坑"不少，下表总结了最常见的问题及对策 [1][6][8][9]：

表 1：KBr 压片法常见问题与排查（数据来源：Shimadzu [8]；UMich [6]；Bruker [9]）

💡 专业技巧：压片"过硬"（不透明）时，常因 KBr 过度干燥失去成型所需的微量水分。可向 KBr 中哈一口气（约 1 秒）再压，往往能显著改善 [1][8]。

2.4 KBr 压片法的适用范围与局限

适用 [1][6]：

• 大多数固体有机物（聚合物粉末、药物、染料、催化剂等）
• 药典规定的原料药鉴别标准方法（ChP、USP、EP 均采用）[4]
• 不溶于常规溶剂的样品

局限 [1][6][9]：

• 样品需研磨（可能破坏晶型、影响多晶型分析）[4]
• KBr 吸湿干扰 O-H 区检测
• 不适合易吸湿、易升华样品
• 不适合定量分析（光程难以精确控制）[1]
• 操作耗时，需要熟练技巧

🔗 延伸：对于药物多晶型分析，KBr 压片的研磨压力可能诱发晶型转变。建议改用 ATR 法（Ep 14）或低温研磨 [4]。详见 ftir.fun 羧基官能团页 中关于晶型对 C=O 频率影响的案例。

三、液体池法：液体样品的标准方法

3.1 液体样品的测量原理

液体样品测量时，光程由两个窗片之间的间隔决定 [1][3][10]。关键问题是 [10]：

• 纯液体：分子密度高，光程需 10–100 μm（毛细薄膜或短光程液池）
• 稀溶液：光程 0.1–2 mm（中长光程液池）
• 水溶液：水的强吸收使光程需进一步缩短至 < 30 μm [10]

"For neat liquids, a pathlength of 0.01–0.1 mm is typical; for solutions, 0.1–1 mm is common."
—— 普渡大学分析化学讲义 [3]

3.2 液池类型

3.2.1 可拆液池（Demountable Cell）

可拆液池由前窗片、垫片、后窗片和金属支架组成 [1][10]：

   ┌──────┐  ┌──────┐  ┌──────┐  ┌──────┐
   │ 前窗 │  │ 垫片 │  │ 后窗 │  │ 支架 │
   │ 片   │→ │ (定光│→ │ 片   │→ │      │
   │      │  │ 程)  │  │      │  │      │
   └──────┘  └──────┘  └──────┘  └──────┘

• 优点：易拆卸清洗；可更换垫片调节光程；适合粘稠液体和糊状物 [1][10]
• 缺点：每次拆装光程不一致，不适合定量分析 [1]
• 典型光程：0.025–1 mm

3.2.2 固定液池（Fixed Cell）

固定液池在工厂装配时已用银垫片或铅垫片密封固定光程，不可拆卸 [1][10]：

• 优点：光程精确恒定，适合定量分析；密封性好，可装挥发性液体 [1][10]
• 缺点：难清洗；窗片损坏需整体更换；价格较高
• 典型光程：0.1 mm、0.5 mm、1 mm

3.2.3 毛细薄膜法（Capillary Film）

最简单的液体测量法 [1][10]：

• 取少量液体滴于两片 KBr/NaCl 窗片之间
• 轻压形成几微米厚的毛细薄膜

• 直接放入光路测量

• 优点：极快、无需液池设备；适合纯液体快速鉴别 [1]

• 缺点：光程不可控，不适合定量；不适合挥发性液体（会蒸发）

📷 图 2：可拆液池、固定液池、毛细薄膜法对比图

来源：ftir.fun 教学示意图（带水印；非实测谱，仅供理解概念）
https://harricksci.com/appl...

3.3 窗片材料的选择

液池的窗片材料决定了可测量的光谱范围、耐水性和机械性能 [1][7][10]。常用窗片材料对比：

表 2：常用红外窗片材料对比（数据来源：Sigma-Aldrich [7]；Harrick [10]）

选择原则 [1][10]：

• 干燥有机样品 → KBr 或 NaCl（便宜、透光好）
• 含水样品 → CaF₂、BaF₂、ZnSe（耐水）
• 需测到 400 cm⁻¹ 以下 → CsI（远红外）
• 避免：KRS-5 因含铊有剧毒，现代仪器已基本淘汰 [1]

⚠️ 安全提示：KRS-5（碘溴化铊）含重金属铊，具有累积毒性，操作需戴手套，废弃按危险废物处理。新购仪器建议选用 ZnSe 或金刚石替代 [1]。

3.4 光程的选择

光程选择直接影响谱图质量 [1][3][10]：

表 3：不同样品的光程选择（数据来源：普渡大学 [3]；Harrick [10]）

💡 专业技巧：如果不确定合适光程，从短光程开始逐渐增加，直到目标峰透射率在 20%–60% 之间（吸光度 0.2–0.7）[1][10]。

3.5 溶剂补偿

测量溶液时，溶剂本身也会吸收红外光，需要"扣除"溶剂背景 [1][3]：

方法 1：双光束扣除（老式色散型仪器）

• 样品池放参比光路，相同溶剂池放参比光路
• 仪器自动扣除溶剂吸收 [1]

方法 2：背景采集法（现代 FTIR）

• 先采集纯溶剂谱图作为背景
• 再采集溶液谱图
• 软件自动计算 $-\log(I{溶液}/I{溶剂})$ 得到纯样品谱图 [3]

溶剂选择原则 [1][3]：

• 溶剂吸收不应与样品峰重叠
• 常用溶剂：CS₂（4000–1350 cm⁻¹ 透明）、CCl₄（4000–1700 cm⁻¹ 透明）、CHCl₃
• 避免：水（强吸收全谱）、醇类（O-H 干扰）

⚠️ 注意：CS₂ 和 CCl₄ 虽是"理想"红外溶剂，但有剧毒，操作需在通风橱中进行 [1]。

四、薄膜法：聚合物测量的利器

4.1 方法概述

薄膜法（Cast Film / Melt Film）专门用于聚合物样品 [1][11]。其原理是制备厚度 10–50 μm 的均匀薄膜，直接透射测量。

4.2 溶液流延法（Solution Casting）

操作步骤 [1][11]：

1. 称取 0.1–0.5 g 聚合物
2. 溶解于 5–10 mL 适当溶剂中（如 PS 溶于甲苯，PMMA 溶于丙酮，PA 溶于甲酸）
3. 将溶液倒在玻璃板或 KBr 窗片上
4. 在通风橱中缓慢挥发溶剂（数小时至过夜）
5. 揭下薄膜，直接测量

适用：可溶聚合物如 PS、PMMA、PVAC、PC 等 [1][11]

注意事项 [1][11]：

• 溶剂必须完全去除，否则溶剂峰会干扰谱图
• 残留溶剂可通过加热或真空烘箱加速挥发
• 薄膜厚度控制：通过浓度和溶液量调节

4.3 热压法（Hot Pressing）

操作步骤 [1][11]：

1. 取少量聚合物（0.1–0.2 g）置于两片铝箔之间
2. 加热至聚合物熔点以上 20–30 °C
3. 用热压机加压 1–3 MPa，保持 30 秒至 1 分钟
4. 冷却至室温，揭下薄膜

适用：热塑性聚合物如 PE、PP、PET、PA 等 [1][11]

优势：无溶剂残留；薄膜均匀；适合不溶聚合物

4.4 薄膜法的常见问题

表 4：薄膜法常见问题（数据来源：Hummel 聚合物分析 [11]）

🔗 延伸：聚合物红外特征峰详见 ftir.fun 烷基 C-H 官能团页（PE、PP 的 C-H 峰）和 ftir.fun 酯基官能团页（PET、PMMA 的 C=O 峰）。

4.5 薄膜法实例：聚乙烯（PE）的测量

PE 不溶于常规溶剂，需用热压法 [11]：

1. 取 PE 颗粒 0.15 g，夹于铝箔间
2. 加热至 160 °C（PE 熔点 130 °C，加 30 °C 余量）
3. 加压 2 MPa，保持 45 秒
4. 水冷至室温
5. 揭下薄膜（厚度约 30 μm），直接测量

预期谱图特征（ftir.fun 烷基 C-H 页）：

• 2915 cm⁻¹：CH₂ 反对称伸缩
• 2850 cm⁻¹：CH₂ 对称伸缩
• 1470 cm⁻¹：CH₂ 剪式弯曲
• 720 cm⁻¹：CH₂ 面内摇摆（长链特征，n > 4）

五、气体池：气体样品的专属工具

5.1 气体测量的特殊性

气体样品的分子密度远低于液体和固体，需要长光程才能获得足够吸收 [1][12]：

$$A = \varepsilon \cdot c \cdot l$$

• 气体浓度 c 通常为 ppm–% 级
• 需用 cm–m 级长光程补偿 [12]

5.2 短光程气体池（5–10 cm）

结构：两端用 KBr/NaCl 窗片密封的玻璃或金属管，长度 5–10 cm [1][12]

适用：

• 高浓度气体（> 1%）
• 强吸收气体（如 CO₂、CH₄）
• 纯气体蒸气谱图测量

典型应用：测量有机溶剂蒸气、纯气体鉴别 [1]

5.3 长光程气体池（多反射型）

为了在有限体积内实现 m 级光程，采用多次反射设计 [1][12]：

5.3.1 White 池（White Cell）

1942 年由 John U. White 发明 [12][13]：

• 三面凹面镜（一面入射镜 + 两面反射镜）
• 光束在镜间多次反射（数十次）
• 光程可达 1–20 m（池体积数百 mL）
• 典型应用：环境空气分析、ppm 级气体检测 [12][13]

📷 图 3：White 池光路示意图

来源：ftir.fun 教学示意图（带水印；非实测谱，仅供理解概念）
https://www.aero-laser.de/p...

5.3.2 Herriott 池（Herriott Cell）

1964 年由 D. R. Herriott 和 H. J. Schulte 提出 [12][14]：

• 两面凸面镜相对放置
• 光束在镜间形成椭圆形轨迹
• 光程可达 10–100 m（小体积）
• 典型应用：激光光谱、呼吸气体分析 [12][14]

5.4 气体样品的实测要点

压力与浓度 [1][12]：

• 气体池可抽真空后充入样品气体
• 总压力影响吸收峰宽：低压（< 1 kPa）峰尖锐；常压下峰展宽
• 定量分析需精确控制压力和温度

水蒸气干扰 [1][12]：

• 大气水蒸气在 3400–4000、1300–2000 cm⁻¹ 有大量尖锐旋转结构峰
• 解决方法：干燥 N₂ 吹扫光路；采集背景时同步

🔗 延伸：水蒸气和 CO₂ 是大气红外测量的主要干扰物。详见 ftir.fun 水分子官能团页 了解水分子的红外特征。

5.5 气体测量应用案例

表 5：典型气体红外测量应用（数据来源：Bruker 气体分析 [12]；Aero Laser [13]）

六、透射法综合对比与选择指南

6.1 各制样方法对比

表 6：透射法各制样方法综合对比

6.2 选择决策流程

面对一个新样品，应如何选择制样方法？参考以下决策树 [1][3]：

                      未知样品
                         │
            ┌────────────┼────────────┐
            │            │            │
         固体         液体         气体
            │            │            │
     ┌──────┴──────┐     │            │
     │             │     │            │
  可溶/可研磨   不溶/不研  │            │
     │             │     │            │
  ┌──┴──┐       ATR    水溶液?       浓度?
  │     │       (Ep 14)  │            │
 KBr  ATR             是→CaF₂池     高→短池
 压片  (Ep14)          否→KBr/NaCl   低→长池
                          池
     │             
  聚合物?        
     │             
  ┌──┴──┐          
可溶  热塑       
流延  热压

图 4：透射法制样方法选择决策树

6.3 实战案例：未知样品的制样思路

案例：实验室收到一瓶淡黄色粘稠液体，需做红外鉴别。

思考步骤：

1. 观察物理状态：液体 → 液池法
2. 判断挥发性：粘稠不易挥发 → 可拆液池或固定液池均可
3. 判断含水：颜色和气味判断可能含水 → 选 CaF₂ 窗片
4. 试测光程：先用 0.05 mm 垫片试测
5. 观察结果：若主峰饱和 → 减薄；若 SNR 差 → 加厚
6. 确认溶剂背景：若样品是溶液，需用纯溶剂作背景

最终方案：CaF₂ 可拆液池，0.05 mm 光程，纯溶剂背景扣除。

七、透射法的未来：与 ATR 共存

7.1 透射法的现状

尽管 ATR 已成为日常分析的主流（Ep 14 详述），透射法在以下领域仍是不可替代的标准方法 [1][2][3]：

1. 药典鉴别：ChP、USP、EP 大多数原料药鉴别仍规定 KBr 压片法 [4]
2. 定量分析：光程可控的固定液池是定量分析的金标准
3. 气体分析：长光程气体池是气体测量的唯一选择
4. 标准谱图库：商业谱图库（Sadtler、Aldrich）绝大多数谱图用透射法采集 [2]
5. 教学示范：大学实验课仍以 KBr 压片为基本功训练

7.2 透射法 vs ATR：不是"谁取代谁"

许多初学者以为"ATR 出现后透射法就被淘汰了"，这是误解 [1][2]：

表 7：透射法 vs ATR 对比

结论：透射法和 ATR 各有优势，是互补关系而非替代关系 [1][2]。

🔗 下一集预告：Ep 14 — 采样技术入门：ATR（衰减全反射）。我们将深入 ATR 的物理原理（全反射、隐失波）、晶体材料选择（金刚石、ZnSe、Ge、Si）、单次 vs 多次反射 ATR 的差异，以及 ATR 谱图与透射谱图的差异和校正方法。

本集小结

思考题

1. 你拿到一个吸湿性很强的固体样品，KBr 压片后 3400 cm⁻¹ 出现宽峰。如何判断这是样品本身的 O-H，还是 KBr 吸水？如何排除水峰干扰？
2. 测量 10% 乙醇水溶液的红外光谱，应选择什么窗片材料、什么光程？为什么？
3. 用 KBr 压片法测量药物多晶型样品，发现研磨后 C=O 峰位置与文献报道不一致，可能原因是什么？应改用什么方法？
4. 某环境监测站需测量大气中 5 ppm 的甲烷，应选择什么气体池？光程大约多少？（已知甲烷检测限约 1 ppm·m）
5. 为什么聚乙烯（PE）只能用热压法而不能用溶液流延法制备薄膜？请从溶解性角度解释。

参考文献

[1] Stuart B. Modern Infrared Spectroscopy. John Wiley & Sons, 1996. ISBN: 978-0-471-95917-0.

[2] Griffiths P R, de Haseth J A. Fourier Transform Infrared Spectrometry. 2nd ed. John Wiley & Sons, 2007. ISBN: 978-0-471-19404-0.

[3] Purdue University. "Infrared Spectroscopy: Sample Preparation." Analytical Chemistry CHM 325 Lecture Notes.
https://www.chem.purdue.edu...

[4] 中华人民共和国药典委员会. 中华人民共和国药典 2020 年版四部通则 0402 红外分光光度法. 中国医药科技出版社.

[5] Skoog D A, Holler F J, Crouch S R. Principles of Instrumental Analysis. 6th ed. Thomson Brooks/Cole, 2007. Chapter 16.

[6] University of Michigan. "FTIR Sample Preparation: KBr Pellet Method." Department of Chemistry Teaching Resources.
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[7] Sigma-Aldrich. "IR Sampling Materials: Window Selection Guide." Technical Article.
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[8] Shimadzu. "Preparing KBr Pellets for FTIR Analysis." Application Note FTIR-0201.
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[9] Bruker. "FTIR Sample Preparation Guide." Technical Note TN-FTIR-007.
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[10] Harrick Scientific. "Liquid Sampling for IR Spectroscopy." Application Notes.
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[11] Hummel D O, Scholl F. Atlas of Polymer and Plastics Analysis. 3rd ed. Carl Hanser Verlag, 1991. ISBN: 978-3-446-15752-5.

[12] Bruker. "Gas Analysis by FTIR Spectroscopy." Application Note AN-FTIR-GAS-014.
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[13] Aero Laser GmbH. "White Multi-Pass Gas Cells for FTIR." Technical Documentation.
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[14] Herriott D R, Schulte H J. "Folded Optical Delay Lines." Applied Optics, 1965, 4(8): 883–889. DOI:10.1364/AO.4.000883.

[15] LibreTexts. "10.8: Infrared Spectroscopy — Sample Preparation." Organic Chemistry.
https://chem.libretexts.org...

[16] JoVE. "Infrared Spectroscopy to Determine Functional Groups in Organic Compounds." Science Education, Analytical Chemistry.
https://www.jove.com/scienc...

下一集预告：Ep 14 — 采样技术入门：ATR（衰减全反射）——最常用的现代方法
我们将深入 ATR 的物理原理：全反射如何在样品表面产生"隐失波"，隐失波如何"偷取"分子信息，以及为什么金刚石 ATR 成为现代实验室的标配。

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