傅立葉變換紅外光譜儀的工作原理

傅立葉變換紅外光譜儀（Fourier Transform Infrared Spectrometer, FTIR）是一種基于傅立葉變換技術(shù)的紅外光譜分析儀器，廣泛應(yīng)用于化學(xué)、材料、環(huán)境、醫(yī)藥等領(lǐng)域的物質(zhì)結(jié)構(gòu)分析和成分鑒定。以下是其核心工作原理的詳細(xì)解析：

一、紅外光譜的基本原理

紅外光譜的核心是分子對紅外光的吸收特性。當(dāng)紅外光照射樣品時，分子中的化學(xué)鍵（如 C-H、O-H、C=O 等）會因振動能級躍遷而吸收特定頻率的光。不同官能團(tuán)或分子結(jié)構(gòu)對應(yīng)不同的吸收頻率，通過檢測這些吸收信號，可推斷物質(zhì)的分子組成和結(jié)構(gòu)。

二、傅立葉變換紅外光譜儀的關(guān)鍵組件

FTIR 的工作依賴于以下核心部件的協(xié)同作用：

紅外光源

提供寬頻紅外輻射（通常覆蓋中紅外波段，如 4000~400 cm?1），常見光源包括硅碳棒、陶瓷光源等。

邁克爾遜干涉儀（Michelson Interferometer）

核心部件，用于將光源的寬頻光轉(zhuǎn)化為干涉光。

結(jié)構(gòu)包括：

分束器（Beamsplitter）：將入射光分為兩束（反射光和透射光），分別經(jīng)固定鏡和動鏡反射后重新匯合，產(chǎn)生干涉。

動鏡：可沿光路方向勻速移動，改變兩束光的光程差，從而形成不同相位的干涉信號。

干涉圖的形成：當(dāng)光程差為半波長的整數(shù)倍時，兩束光干涉相長；為半波長的奇數(shù)倍時，干涉相消。動鏡移動過程中，最終得到包含所有頻率信息的干涉圖（強(qiáng)度隨光程差變化的曲線）。

樣品池

用于放置待測樣品，根據(jù)樣品狀態(tài)（氣態(tài)、液態(tài)、固態(tài)）選擇不同類型的池體（如氣體池、液體池、壓片模具等）。

樣品對紅外光的吸收會調(diào)制干涉圖的強(qiáng)度分布。

檢測器

常用檢測器包括熱電偶、熱釋電檢測器（如 DTGS）、碲鎘汞檢測器（MCT）等，用于將干涉光信號轉(zhuǎn)換為電信號。

數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)

包含計(jì)算機(jī)和傅立葉變換軟件，用于對干涉圖進(jìn)行數(shù)學(xué)變換和光譜解析。

三、傅立葉變換紅外光譜儀的工作流程

干涉圖采集

紅外光源發(fā)出的光經(jīng)分束器分為兩束，分別經(jīng)固定鏡和動鏡反射后匯合，形成干涉光。

干涉光通過樣品池時，被樣品吸收特定頻率的能量，導(dǎo)致干涉圖的強(qiáng)度發(fā)生變化。

檢測器采集包含樣品吸收信息的干涉圖（此時信號尚未體現(xiàn)具體頻率，而是光程差與強(qiáng)度的關(guān)系）。

傅立葉變換（數(shù)學(xué)核心）

原始干涉圖是時間域（或光程差域）的信號，需通過傅立葉變換算法轉(zhuǎn)換為頻率域的光譜圖（即常見的紅外吸收光譜，橫軸為波數(shù) /cm?1，縱軸為吸光度或透過率）。

傅立葉變換的數(shù)學(xué)本質(zhì)是將復(fù)雜的干涉信號分解為各頻率分量的疊加，從而提取出樣品對不同頻率紅外光的吸收強(qiáng)度。

光譜校正與分析

對變換后的光譜進(jìn)行基線校正、噪聲濾波等預(yù)處理。

通過與標(biāo)準(zhǔn)光譜庫（如 NIST、Sadtler 等）對比，或結(jié)合官能團(tuán)特征吸收頻率，分析樣品的分子結(jié)構(gòu)、化學(xué)鍵類型及雜質(zhì)成分等。

四、傅立葉變換紅外光譜儀的優(yōu)勢

與傳統(tǒng)色散型紅外光譜儀（如棱鏡或光柵分光）相比，F(xiàn)TIR 具有以下顯著優(yōu)點(diǎn)：

高分辨率：通過精確控制動鏡移動距離，可實(shí)現(xiàn) 0.1~0.01 cm?1 的分辨率（色散型儀器通常為 1~2 cm?1）。

高靈敏度：干涉儀可同時采集所有頻率的光信號，信噪比更高，適合微量樣品分析。

快速掃描：一次掃描即可獲得全波段光譜（約 1 秒內(nèi)完成），而色散型儀器需逐點(diǎn)掃描，耗時較長。

寬光譜范圍：可覆蓋從遠(yuǎn)紅外到近紅外的寬波段（通過更換分束器和檢測器實(shí)現(xiàn)）。

五、典型應(yīng)用場景

化學(xué)結(jié)構(gòu)分析：鑒別有機(jī)物、聚合物、無機(jī)物的官能團(tuán)（如醇類的 O-H 峰、酮類的 C=O 峰）。

質(zhì)量控制與純度檢測：藥品、高分子材料、石油產(chǎn)品的雜質(zhì)分析。

環(huán)境監(jiān)測：大氣污染物（如 CO、NO?）、水體有機(jī)物的定性定量檢測。

動態(tài)過程研究：通過快速掃描追蹤化學(xué)反應(yīng)或材料相變的實(shí)時光譜變化。