傅里葉變換紅外光譜儀概述

紅外光譜法 (infrared spectroscopy，IR) 是鑒別化合物和進行物質分子結構研究的重要手段之一，同時也是物質組分定量分析的方法之一，是分子光譜法的一個重要分支。它是一種借助紅外光被物質吸收情況，獲得被測物質分子內部原子間相對振動和分子轉動等信息，并根據所獲得信息進行物質分子結構研究的分析方法。紅外光譜儀是用于測定物質吸收紅外光信息的儀器，是進行物質紅外光譜測試和研究的基礎。

一、紅外光區的分類

根據紅外光波長的范圍，波長單位通常為μm，以符號λ表示。但在實際分析工作中，更習慣采用波數表示吸收譜帶位置，波數單位通常表示為cm-1，以符號可表示。當波長的單位為μm時，波數與波長存在以下關系：

ν=10⁴/λ（cm^-1）

紅外光是一種電磁波，波長范圍較寬，位于可見光和微波波長之間，約0．75～1000μm，為便于研究工作，根據波長范圍以及測定所獲得信息的不同，可進一步將其細分為近紅外區、中紅外區和遠紅外區，具體劃分如表所示。

相對于近紅外光和遠紅外光，中紅外光被物質吸收后的光譜給出該物質的分子結構特征信息最為豐富，是紅外光譜中研究及應用最多的區域，通常所說的紅外光譜大都指的是這一區域的光譜。近幾十年來，經廣大紅外光譜工作者的努力，近紅外光譜和遠紅外光譜技術的研究及應用也不斷取得進展。

二、發展簡史

紅外光譜的研究早在19世紀后期就已開始，而紅外光譜儀的研制可追溯至20世紀初期。1908 Cobleltz制備和應用了以氯化鈉晶體為棱鏡的紅外光譜儀，1910年Wood和Trowbridge研制了小階梯光柵紅外光譜議，1918年Sleator和Randall研制出高分辨儀器。直至20世紀40年代光譜工作者才開始研究雙光束紅外光譜議，1944年誕生了世界上第一臺紅外光譜儀(早期稱紅外分光光度計)。1950年開始商業化生產名為Perkin-Elmer 21的雙光束紅外光譜議，其色散元件為氯化鈉 (或溴化鉀) 晶體制成的棱鏡，因此通常稱為棱鏡分光的紅外光譜儀。與單光束光譜儀相比，雙光束紅外光譜儀不需要由經專門訓練的光譜工作者操作就能獲得較好的譜圖，因此Perkin—E1mer 21很快在美國暢銷，它使紅外分析技術進入實際應用階段，成為第一代紅外光譜儀。但棱鏡分光的紅外光譜儀由于氯化鈉 (或溴化鉀) 晶體等色散元件的折射率隨環境溫度的變化而變化，儀器使用過程需恒溫，且存在分辨率低、測量波長范圍窄、實驗結果再現性較差等缺陷。20世紀60年代，隨著光柵技術的發展，光柵衍射分光技術取代棱鏡分光技術被應用于紅外光譜儀，產生第二代紅外光譜儀——光柵分光紅外光譜儀，其測量波長范圍、分辨率等方面性能遠優于棱鏡分光紅外光譜儀，但光柵分光紅外光譜儀在遠紅外區分出的光能量仍很弱，光譜質量較差，測定速度較慢，動態跟蹤實驗以及與其它儀器的聯用技術仍然無法實現。隨著計算機技術的飛速發展，第三代紅外光譜儀——干涉分光傅里葉變換紅外光譜儀 (Fourier transform infrared spectrometer，FTIR) 誕生于20世紀70年代，它無分光系統，一次掃描可得全范圍光譜，因具有高光通量、測定快速靈敏、分辨率高、信噪比高等諸多優點，迅速取代棱鏡和光柵分光紅外光譜儀。至80年代中后期，世界上生產紅外光譜儀的主要廠商基本停止棱鏡和光柵分光紅外光譜儀的生產，集中精力于FTIR儀的研制，不斷推出更為新型、先進的FTIR儀。

三、特點

相對于色散型或光柵型紅外光譜儀，FTIR儀具有以下特點。

(1) 測量速度快 動鏡掃描一次的時間約1s，也就是1s內即可完成所設定光譜范圍內的掃描，計算機即時進行傅里葉變換形成FTIR譜，這一速度比色散型或光柵型紅外光譜儀的測量速度快幾百倍。可以在線監測色譜分離的樣品，使色譜與紅外光譜聯用成為可能，可以有效跟蹤快速的原位化學反應等，這些工作是色散型或光柵型紅外光譜儀無法實現的。

(2) 分辨率高 根據FTIR儀的工作原理，FTIR的分辨率近似等于最大光程差的倒數，也就是動鏡移動有效距離2倍的倒數，理論上只要動鏡移動有效距離越長，就可得到越高的分辨率，而色散型或光柵型紅外光譜儀的分辨率與其光譜狹縫寬度成反比，但是光譜狹縫寬度越窄，光通量就越小，結果會犧牲光譜的靈敏度和信噪比，因此色散型或光柵型紅外光譜儀的分辨率不可能很高。

(3) 信噪比好 FTIR儀測量的原始數據是一整束混合光的干涉圖，未經過光譜狹縫，因此信號強度大、信噪比優，同時由于樣品的吸收信號是一個確定的值，而噪聲在一定范圍內是隨機的，因此可通過增加FTIR儀掃描次數，降低平均噪聲信號，又可達到提高信噪比效果的目的。

(4) 波數準確度及重復性好 FTIR儀對譜峰位置的精確校準是由其內置的激光器完成的，激光器發出的單一波長光非常穩定，由它監測確定的干涉儀動鏡位置非常準確，所以用它得到的數據確定光源發出的紅外光頻率也是非常準確的，不同時間測量結果都是一樣，因此波數準確度及重復性都很好。

(5) 測定范圍寬 許多FTIR儀只要更換合適的分束器、光源、檢測器，就可測量近、中、遠整個紅外區的光譜。