傅里叶变换红外光谱（FTIR）仪 1. 基础概念与核心原理 傅里叶变换红外光谱（FTIR）是一种基于干涉测量而非色散分光的红外光谱技术。其核心原理是“干涉仪”和“傅里叶变换”的结合。它并不直接测量光强随波长的分布，而是首先获取一束红外光因光程差变化而产生的“干涉图”，然后通过数学上的傅里叶变换，将这个干涉图转换成我们熟悉的光强随波数（或波长）分布的光谱图。其核心优势在于高通量（高信噪比）、高精度和高速度。 2. 核心组件：迈克耳孙干涉仪 FTIR仪的心脏是一个精密的光学干涉仪，最常见的是迈克耳孙干涉仪。它主要由以下关键部件组成： 红外光源 ：发出覆盖中红外区（通常为4000-400 cm⁻¹）的宽谱连续红外光。 分束器 ：位于光源光路中，将入射光束一分为二，一半透射，一半反射。通常由特殊材料（如KBr上镀锗）制成，需在特定红外波段具有半透半反特性。 固定镜 ：一面位置精确固定的反射镜。 动镜 ：一面可以沿着光轴方向前后精密、匀速直线移动的反射镜。其移动的稳定性和直线性是仪器精度的关键。 探测器 ：用于接收最终干涉后光束的光强信号，常用有DTGS（氘代硫酸三甘肽）和更高灵敏度的MCT（汞镉碲）探测器。 光束在分束器处分成两路，分别射向固定镜和动镜，反射回来后重新在分束器汇合并发生干涉，最终射向样品和探测器。 3. 干涉图的产生 当动镜匀速移动时，两束光的光程差（δ）随时间线性变化。对于单一频率（波数σ）的光，探测器接收到的信号强度会随光程差呈现余弦函数变化。对于实际的红外宽谱光源，探测器接收到的信号是光源中所有频率（波数）的余弦波叠加后的总和——这个总信号强度随光程差变化的函数，就是“干涉图”。干涉图的中心（零光程差点）信号最强，向两边逐渐衰减。干涉图本身是时域（或光程差域）信号，其横坐标是光程差或时间，纵坐标是光强。 4. 傅里叶变换：从干涉图到光谱图 干涉图包含了所有入射红外光的频率和强度信息，但以一种编码的形式存在。为了将其解码为我们能读懂的“光谱图”（光强随波数变化的图），必须进行数学上的“傅里叶变换”。这一过程由仪器内置的计算机完成。傅里叶变换是一种数学运算，它能将一个时域（或空间域）信号分解为其所有组成频率的集合。对采集到的干涉图进行傅里叶变换，即可精确地还原出每个波数对应的光强值，从而得到红外吸收光谱或透射光谱。计算过程通常采用快速傅里叶变换（FFT）算法以提高速度。 5. 工作流程与测量模式 一次完整的FTIR测量包括以下步骤： 采集背景干涉图 ：在不放置样品（或放置空白参考）的情况下，扫描动镜，采集光源本身的干涉图（I₀(δ)）。 采集样品干涉图 ：将样品置于光路中（通常在干涉仪与探测器之间），再次扫描动镜，采集透过（或反射自）样品后的干涉图（I(δ)）。 傅里叶变换 ：对两个干涉图分别进行傅里叶变换，得到背景光谱B(σ)和样品光谱S(σ)。 计算透射率/吸收光谱 ：通常计算透射率谱T(σ) = S(σ)/B(σ)，或进一步计算吸光度谱A(σ) = -log₁₀[ T(σ) ]。最终的谱图横坐标为波数，纵坐标为透射率或吸光度。 除透射模式外，FTIR还常配备衰减全反射（ATR）、漫反射、镜面反射等附件，以应对固体、液体、薄膜等不同形态的样品。 6. 核心性能优势与典型应用 高通量（Jaquinot优势） ：无狭缝限制，光通量大，信噪比高。 高精度（Connes优势） ：动镜位置由激光干涉仪精确校准（通常使用He-Ne激光作为内标尺），波数精度极高（可达0.01 cm⁻¹）。 快速扫描（Fellgett优势） ：所有频率的光同时被测量，扫描速度快，适合动态过程研究和与色谱联用。 应用领域 ：广泛应用于化学、材料、生物、药学、环境等领域，用于化合物的定性鉴定（指纹区识别）、官能团分析、未知物剖析、定量分析、化学反应过程监控、表面涂层分析等。