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傅立叶变换红外光谱仪原理及应用详解
2024年11月25日 13:29
来源：天津市能谱科技有限公司
傅立叶变换红外光谱仪(Fourier Transform Infrared Spectrometer，简写为FTIR Spectrometer)，简称为傅里叶红外光谱仪，是红外光谱仪器的第三代。以下是对其原理及应用的详细介绍：
一、原理
傅里叶红外光谱仪通过测量样品对红外光的吸收来确定样品的组成和结构，其工作原理是基于分子存在的所有化学键都有特定的振动频率，这些振动频率可以与红外光的波长匹配，因此分子会吸收红外光的特定频率，从而产生峰位。具体过程如下：
光源：傅里叶变换红外光谱仪为测定不同范围的光谱而设置有多个光源。通常用的是钨丝灯或碘钨灯(近红外)、硅碳棒(中红外)、高压汞灯及氧化钍灯(远红外)。光源发出的红外光经准直为平行红外光束进入干涉系统。
干涉：红外光通过干涉仪(迈克尔逊干涉仪)调整制后得到一束干涉光。迈克尔逊干涉仪的主要功能是使光源发出的光分为两束后形成一定的光程差，再使之复合以产生干涉，所得到的干涉图函数包含了光源的全部频率和强度信息。
样品吸收：干涉光通过样品，样品吸收部分光线，而另一部分组成参考光，两者重新相交并继续进入干涉仪，继而经过检测器进行信号检测。
信号检测与处理：检测器将干涉信号变为电信号，此处的干涉信号是一时间函数，即由干涉信号绘出的干涉图，其横坐标是动镜移动时间或动镜移动距离。干涉图经过A/D转换器送入计算机，由计算机进行傅里叶变换的快速计算，即可获得以波数为横坐标的红外光谱图。然后通过D/A转换器送入绘图仪而绘出标准红外吸收光谱图。
由于不同化学键的振动频率是唯一的，因此傅里叶红外光谱仪可以用于确定分子中存在的化学键和它们的组合方式。
二、特点
信噪比高：傅里叶变换红外光谱仪所用的光学元件少，没有光栅或棱镜分光器，降低了光的损耗，而且通过干涉进一步增加了光的信号，因此到达检测器的辐射强度大，信噪比高。
重现性好：傅里叶变换红外光谱仪采用的傅里叶变换对光的信号进行处理，避免了电机驱动光栅分光时带来的误差，所以重现性比较好。
扫描速度快：傅里叶变换红外光谱仪是按照全波段进行数据采集的，得到的光谱是对多次数据采集求平均后的结果，而且完成一次完整的数据采集只需要一至数秒，而色散型仪器则需要在任一瞬间只测试很窄的频率范围，一次完整的数据采集需要十分钟至二十分钟。
分辨率高：一般棱镜式红外分光光度计的分辨率在1000cm-1处为3cm-1，光栅式仪器在1000cm-1处可达0.2cm-1，而傅里叶变换红外光谱仪在整个光谱范围内可达0.1cm-1~0.005cm-1。
波数精度高：干涉仪的动镜可以被很精确地驱动，干涉图的变化很准确，同时动镜的移动距离是由He-Ne激光器的干涉条纹来测量的，从而保证了所测的光程差很准确。而现代He-Ne激光器的频率稳定度和强度稳定度都是非常高的，频率稳定度优于5×10(-10)，因此计算出的光谱中有很高的波数精度和准确度，通常可达到0.01cm-1。
灵敏度高：色散型红外分光光度计大部分的光源能量都损失在入口狭缝的刀口上，而傅里叶变换红外仪没有狭缝的限制，辐射通量只与干涉仪的平面镜大小有关，在同样的分辨率下，其辐射通量比色散型仪器大得多，从而使检测器接受的信噪比增大，因此具有很高的灵敏度，可达10(-9)~10(-12)g。
光谱范围宽：傅里叶变换红外光谱仪只要能实现测量仪器的元器件(不同的分束器和光源等)的自动转换，就可以研究整个近红外、中红外和远红外10000cm-1~10cm-1的光谱。
三、应用
傅里叶变换红外光谱仪可以对样品进行定性和定量分析，广泛应用于以下领域：
医药化工：用于药物成分分析、化学反应监测等。
地矿：用于矿石成分分析、矿物鉴定等。
石油：用于石油产品分析、油质检测等。
煤炭：用于煤炭成分分析、煤质评价等。
环保：用于环境监测、污染物分析等。
海关：用于进出口商品的成分检测、质量监控等。
宝石鉴定：用于宝石成分分析、真伪鉴别等。
刑侦鉴定：用于物证分析、毒物检测等。
此外，在电子、生命科学、材料科学和药学等领域，傅里叶变换红外光谱仪也有广泛的应用。
综上所述，傅里叶变换红外光谱仪以其原理、显著的优点以及广泛的应用领域，在科研和工业生产中发挥着重要作用。
关键词：
傅立叶变换红外光谱仪
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