手机版
化工仪器网手机版
化工仪器网小程序
官方微信
公众号：chem17
扫码关注视频号
深入解析傅里叶变换红外光谱仪的工作原理
2025年05月12日 18:43
来源：荧飒光学仪器（上海）有限公司
傅里叶变换红外光谱仪（Fourier Transform Infrared Spectrometer，简称FTIR）是一种基于傅里叶变换原理的红外光谱分析仪器，广泛应用于化学、物理、材料科学、环境科学、生物医学等领域。它能够快速、准确地获取样品的红外光谱信息，从而实现对样品成分和结构的分析。
一、基本原理
红外光谱分析是一种基于物质对红外光吸收的分析方法。当红外光通过样品时，样品中的分子会吸收特定波长的红外光，这些吸收波长与分子的振动和转动跃迁相关。因此，通过测量样品对红外光的吸收情况，可以获得样品分子的结构信息。
红外光谱的波长范围通常在0.78微米到1000微米之间，分为近红外、中红外和远红外三个区域。傅里叶变换红外光谱仪主要工作在中红外区域（2.5微米到25微米），因为这个区域的光谱特征最为明显，能够提供丰富的分子结构信息。
二、基本组成
主要由光源、干涉仪、样品池、探测器和数据处理系统组成。以下是各部分的详细说明：
1、光源
光源是提供红外光的部件，通常使用能斯特灯或硅碳棒。这些光源能够发射宽波长范围的红外光，覆盖了仪器的工作波段。光源的稳定性直接影响光谱的测量精度，因此高质量的光源是仪器性能的重要保障。
2、干涉仪
干涉仪是傅里叶变换红外光谱仪的核心部件，其作用是将光源发出的红外光分成两束，然后让这两束光在一定条件下发生干涉，形成干涉图。干涉仪通常采用迈克尔逊干涉仪，它由一个分束器、两个反射镜和一个移动镜组成。分束器将入射光分成两束，一束光通过固定镜反射回来，另一束光通过移动镜反射回来。当移动镜移动时，两束光的光程差发生变化，从而产生干涉图。
3、样品池
样品池用于放置待测样品，其设计应尽量减少对光的吸收和散射，同时保证样品能够充分吸收红外光。样品池的形式多样，包括液体池、气体池和固体样品架等，根据样品的性质选择合适的样品池。
4、探测器
探测器用于检测干涉图中的光强变化，将光信号转换为电信号。常用的探测器有热电探测器（如热释电探测器）和光电探测器（如碲镉汞探测器）。热电探测器适用于中红外区域，具有较高的灵敏度和稳定性；光电探测器则具有更快的响应速度，适用于快速扫描测量。
5、数据处理系统
数据处理系统包括计算机和专用软件，用于采集、处理和分析干涉图数据。通过傅里叶变换算法，将干涉图转换为光谱图，从而得到样品的红外光谱。数据处理系统还提供了多种光谱分析工具，如基线校正、峰识别、定量分析等，帮助用户进行深入的光谱分析。
三、工作过程
傅里叶变换红外光谱仪的工作过程可以分为以下几个步骤：
1、光的产生与分束
光源发出的红外光首先经过干涉仪的分束器，被分成两束光。一束光通过固定镜反射回来，另一束光通过移动镜反射回来。这两束光在分束器处再次相遇并发生干涉。
2、干涉图的产生
当移动镜移动时，两束光的光程差发生变化，从而产生干涉图。干涉图是一个随时间变化的光强信号，包含了样品对红外光吸收的所有信息。探测器检测到的光强信号被转换为电信号，并传输到数据处理系统。
3、数据采集
数据处理系统采集探测器输出的电信号，记录干涉图。在采集过程中，移动镜以恒定速度移动，确保干涉图的时间分辨率和光程分辨率。
4、傅里叶变换
采集到的干涉图数据通过傅里叶变换算法进行处理。傅里叶变换是一种数学方法，能够将时域信号转换为频域信号。在傅里叶变换红外光谱仪中，将干涉图（时域信号）转换为光谱图（频域信号）。光谱图显示了样品对不同波长红外光的吸收强度，从而反映了样品的分子结构信息。
5、光谱分析
得到的光谱图可以通过数据处理系统进行进一步分析。用户可以使用软件提供的工具进行基线校正、峰识别、定量分析等操作。通过与标准光谱库进行比对，可以确定样品的成分和结构。
四、优势
1、高分辨率
能够提供高分辨率的光谱，使得复杂的分子结构能够被清晰地解析。高分辨率有助于区分相邻的吸收峰，从而更准确地识别样品的成分。
2、快速扫描
傅里叶变换技术使得仪器能够在短时间内完成光谱的采集。快速扫描能力不仅提高了测量效率，还减少了样品在测量过程中的变化对结果的影响。
3、高灵敏度
先进的探测器和稳定的光源设计使得傅里叶变换红外光谱仪具有高灵敏度。即使对于低浓度的样品，也能够检测到微弱的吸收信号，从而实现高精度的定量分析。
4、宽波段覆盖
能够覆盖宽波段的红外光谱范围，从近红外到远红外。这使得仪器能够满足多种样品的分析需求，适用于不同的研究和应用领域。
5、自动化程度高
配备先进的自动化控制系统，能够实现自动校准、自动扫描和自动数据处理。用户只需简单操作，即可获得高质量的光谱数据。
五、应用领域
傅里叶变换红外光谱仪广泛应用于多个领域，以下是一些典型的应用实例：
1、化学分析
在化学研究中用于分析有机化合物和无机化合物的结构。通过识别特征吸收峰，可以确定分子中的官能团，如羟基、羰基、氨基等。此外，还可以用于定量分析，通过测量吸收峰的强度来确定样品中特定成分的浓度。
2、材料科学
在材料科学中用于研究材料的组成和结构。例如，可以分析聚合物的化学结构、纤维素材料的官能团变化、纳米材料的表面修饰等。通过光谱分析，可以获得材料的化学信息，从而指导材料的设计和改性。
3、环境科学
在环境科学中用于监测大气中的污染物、水体中的有机物和土壤中的化学成分。通过分析环境样品的光谱，可以快速识别和定量污染物，为环境监测和污染治理提供科学依据。
4、生物医学
在生物医学领域用于分析生物大分子的结构和相互作用。例如，可以研究蛋白质的二级结构、核酸的碱基组成、细胞的代谢产物等。此外，还可以用于药物研发，通过分析药物与生物分子的相互作用，优化药物的设计和筛选。
5、工业生产
在工业生产中用于质量控制和过程监测。例如，在石油化工行业，可以实时监测石油产品的成分变化；在制药行业，可以确保药物的质量和纯度；在食品工业中，可以检测食品中的添加剂和污染物。
傅里叶变换红外光谱仪作为一种强大的分析工具，通过其特殊的傅里叶变换技术和高分辨率光谱分析能力，为科学研究和工业应用提供了重要的技术支持。其工作原理基于干涉仪的光程差变化和傅里叶变换算法，能够快速、准确地获取样品的红外光谱信息。
关键词：
化学分析仪器,红外光谱（IR、傅立叶）
免责声明
- 凡本网注明“来源：化工仪器网”的所有作品，均为浙江兴旺宝明通网络有限公司-化工仪器网合法拥有版权或有权使用的作品，未经本网授权不得转载、摘编或利用其他方式使用上述作品。已经本网授权使用作品的，应在授权范围内使用，并注明“来源：化工仪器网”。违反上述声明者，本网将追究其相关法律责任。
- 本网转载并注明自其他来源（非化工仪器网）的作品，目的在于传递更多信息，并不代表本网赞同其观点和对其真实性负责，不承担此类作品侵权行为的直接责任及连带责任。其他媒体、网站或个人从本网转载时，必须保留本网注明的作品第一来源，并自负版权等法律责任。
- 如涉及作品内容、版权等问题，请在作品发表之日起一周内与本网联系，否则视为放弃相关权利。
最新产品
采购中心
