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的紅外光譜分析儀器，廣泛應用于化學、材料、環境、醫藥等領域的物質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，分子中的化學鍵（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。不同官能團或分子結構對應不同的吸收頻率，通過檢測這些吸收信號，可推斷物質的分子組成和結構。

二、傅立葉變換紅外光譜儀的關鍵組件

FTIR 的工作依賴于以下核心部件的協同作用：

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），分別經固定鏡和動鏡反射后重新匯合，產生干涉。

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：當光程差為半波長的整數倍時，兩束光干涉相長；為半波長的奇數倍時，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（強度隨光程差變化的曲線）。

樣品池

用于放置待測樣品，根據樣品狀態（氣態、液態、固態）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，用于對干涉圖進行數學變換和光譜解析。

三、傅立葉變換紅外光譜儀的工作流程

干涉圖采集

紅外光源發出的光經分束器分為兩束，分別經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，導致干涉圖的強度發生變化。

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

傅立葉變換（數學核心）

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換為頻率域的光譜圖（即常見的紅外吸收光譜，橫軸為波數 /cm?1，縱軸為吸光度或透過率）。

傅立葉變換的數學本質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

對變換后的光譜進行基線校正、噪聲濾波等預處理。

通過與標準光譜庫（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、化學鍵類型及雜質成分等。

四、傅立葉變換紅外光譜儀的優勢

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

高分辨率：通過精確控制動鏡移動距離，可實現 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掃描，耗時較長。

寬光譜范圍：可覆蓋從遠紅外到近紅外的寬波段（通過更換分束器和檢測器實現）。

五、典型應用場景

化學結構分析：鑒別有機物、聚合物、無機物的官能團（如醇類的 O-H 峰、酮類的 C=O 峰）。

質量控制與純度檢測：藥品、高分子材料、石油產品的雜質分析。

環境監測：大氣污染物（如 CO、NO?）、水體有機物的定性定量檢測。

動態過程研究：通過快速掃描追蹤化學反應或材料相變的實時光譜變化。