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，廣泛應用于化學(xué)、材料、環(huán)境、醫藥等領(lǐng)域的物質(zhì)結構分析和成分鑒定。以下是其核心工作原理的詳細解析：

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。當紅外光照射樣品時(shí)，分子中的化學(xué)鍵（如 C-H、O-H、C=O 等）會(huì )因振動(dòng)能級躍遷而吸收特定頻率的光。不同官能團或分子結構對應不同的吸收頻率，通過(guò)檢測這些吸收信號，可推斷物質(zhì)的分子組成和結構。

二、傅立葉變換紅外光譜儀的關(guān)鍵組件

FTIR 的工作依賴(lài)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(jiàn)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化為干涉光。

結構包括：

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(dòng)鏡反射后重新匯合，產(chǎn)生干涉。

動(dòng)鏡：可沿光路方向勻速移動(dòng)，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：當光程差為半波長(cháng)的整數倍時(shí)，兩束光干涉相長(cháng)；為半波長(cháng)的奇數倍時(shí)，干涉相消。動(dòng)鏡移動(dòng)過(guò)程中，最終得到包含所有頻率信息的干涉圖（強度隨光程差變化的曲線(xiàn)）。

樣品池

用于放置待測樣品，根據樣品狀態(tài)（氣態(tài)、液態(tài)、固態(tài)）選擇不同類(lèi)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(huì )調制干涉圖的強度分布。

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換為電信號。

數據處理系統

包含計算機和傅立葉變換軟件，用于對干涉圖進(jìn)行數學(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(dòng)鏡反射后匯合，形成干涉光。

干涉光通過(guò)樣品池時(shí)，被樣品吸收特定頻率的能量，導致干涉圖的強度發(fā)生變化。

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

傅立葉變換（數學(xué)核心）

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

傅立葉變換的數學(xué)本質(zhì)是將復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度。

光譜校正與分析

對變換后的光譜進(jìn)行基線(xiàn)校正、噪聲濾波等預處理。

通過(guò)與標準光譜庫（如 NIST、Sadtler 等）對比，或結合官能團特征吸收頻率，分析樣品的分子結構、化學(xué)鍵類(lèi)型及雜質(zhì)成分等。

四、傅立葉變換紅外光譜儀的優(yōu)勢

與傳統色散型紅外光譜儀（如棱鏡或光柵分光）相比，FTIR 具有以下顯著(zhù)優(yōu)點(diǎn)：

高分辨率：通過(guò)精確控制動(dòng)鏡移動(dòng)距離，可實(shí)現 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(shí)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 秒內完成），而色散型儀器需逐點(diǎn)掃描，耗時(shí)較長(cháng)。

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

五、典型應用場(chǎng)景

化學(xué)結構分析：鑒別有機物、聚合物、無(wú)機物的官能團（如醇類(lèi)的 O-H 峰、酮類(lèi)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)境監測：大氣污染物（如 CO、NO?）、水體有機物的定性定量檢測。

動(dòng)態(tài)過(guò)程研究：通過(guò)快速掃描追蹤化學(xué)反應或材料相變的實(shí)時(shí)光譜變化。