傅立叶变换红外光谱仪的工作原理

傅立叶变换红外光谱仪（Fourier Transform Infrared Spectrometer, FTIR）是一种基于傅立叶变换技术的红外光谱分析仪器，广泛应用于化学、材料、环境、医药等领域的物质结构分析和成分鉴定。以下是其核心工作原理的详细解析：

一、红外光谱的基本原理

红外光谱的核心是分子对红外光的吸收特性。当红外光照射样品时，分子中的化学键（如 C-H、O-H、C=O 等）会因振动能级跃迁而吸收特定频率的光。不同官能团或分子结构对应不同的吸收频率，通过检测这些吸收信号，可推断物质的分子组成和结构。

二、傅立叶变换红外光谱仪的关键组件

FTIR 的工作依赖于以下核心部件的协同作用：

红外光源

提供宽频红外辐射（通常覆盖中红外波段，如 4000~400 cm⁻¹），常见光源包括硅碳棒、陶瓷光源等。

迈克尔逊干涉仪（Michelson Interferometer）

核心部件，用于将光源的宽频光转化为干涉光。

结构包括：

分束器（Beamsplitter）：将入射光分为两束（反射光和透射光），分别经固定镜和动镜反射后重新汇合，产生干涉。

动镜：可沿光路方向匀速移动，改变两束光的光程差，从而形成不同相位的干涉信号。

干涉图的形成：当光程差为半波长的整数倍时，两束光干涉相长；为半波长的奇数倍时，干涉相消。动镜移动过程中，最终得到包含所有频率信息的干涉图（强度随光程差变化的曲线）。

样品池

用于放置待测样品，根据样品状态（气态、液态、固态）选择不同类型的池体（如气体池、液体池、压片模具等）。

样品对红外光的吸收会调制干涉图的强度分布。

检测器

常用检测器包括热电偶、热释电检测器（如 DTGS）、碲镉汞检测器（MCT）等，用于将干涉光信号转换为电信号。

数据处理系统

包含计算机和傅立叶变换软件，用于对干涉图进行数学变换和光谱解析。

三、傅立叶变换红外光谱仪的工作流程

干涉图采集

红外光源发出的光经分束器分为两束，分别经固定镜和动镜反射后汇合，形成干涉光。

干涉光通过样品池时，被样品吸收特定频率的能量，导致干涉图的强度发生变化。

检测器采集包含样品吸收信息的干涉图（此时信号尚未体现具体频率，而是光程差与强度的关系）。

傅立叶变换（数学核心）

原始干涉图是时间域（或光程差域）的信号，需通过傅立叶变换算法转换为频率域的光谱图（即常见的红外吸收光谱，横轴为波数 /cm⁻¹，纵轴为吸光度或透过率）。

傅立叶变换的数学本质是将复杂的干涉信号分解为各频率分量的叠加，从而提取出样品对不同频率红外光的吸收强度。

光谱校正与分析

对变换后的光谱进行基线校正、噪声滤波等预处理。

通过与标准光谱库（如 NIST、Sadtler 等）对比，或结合官能团特征吸收频率，分析样品的分子结构、化学键类型及杂质成分等。

四、傅立叶变换红外光谱仪的优势

与传统色散型红外光谱仪（如棱镜或光栅分光）相比，FTIR 具有以下显著优点：

高分辨率：通过精确控制动镜移动距离，可实现 0.1~0.01 cm⁻¹ 的分辨率（色散型仪器通常为 1~2 cm⁻¹）。

高灵敏度：干涉仪可同时采集所有频率的光信号，信噪比更高，适合微量样品分析。

快速扫描：一次扫描即可获得全波段光谱（约 1 秒内完成），而色散型仪器需逐点扫描，耗时较长。

宽光谱范围：可覆盖从远红外到近红外的宽波段（通过更换分束器和检测器实现）。

五、典型应用场景

化学结构分析：鉴别有机物、聚合物、无机物的官能团（如醇类的 O-H 峰、酮类的 C=O 峰）。

质量控制与纯度检测：药品、高分子材料、石油产品的杂质分析。

环境监测：大气污染物（如 CO、NO₂）、水体有机物的定性定量检测。

动态过程研究：通过快速扫描追踪化学反应或材料相变的实时光谱变化。