傅立葉紅外光譜儀：從分子振動(dòng)指紋到現(xiàn)代分析化學(xué)的“眼睛”
更新時(shí)間：2026-01-20 點(diǎn)擊次數(shù)：52
一、從色散型到傅立葉變換：紅外光譜儀的技術(shù)演進(jìn)
紅外光譜儀通過檢測物質(zhì)在中紅外波段（約4000–400 cm?¹，對應(yīng)波長2.5–25μm）對特定波長紅外光的吸收，獲取與分子振動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)能級躍遷相關(guān)的信息，幾乎可以表征所有具有紅外活性的分子，被稱為分子的“指紋圖譜”工具。傳統(tǒng)色散型紅外分光光度計(jì)通過光柵或棱鏡分光，逐步掃描得到光譜，其光程受到狹縫限制、光能利用率低、掃描速度慢，難以滿足現(xiàn)代高通量、高精度分析需求。傅立葉變換紅外光譜儀（FTIR）采用邁克爾遜干涉儀等干涉系統(tǒng)，一次掃描即可獲得全波段干涉圖，再經(jīng)快速傅立葉變換（FFT）轉(zhuǎn)換為光譜，在信噪比、分辨率、掃描速度、波數(shù)精度等方面全面優(yōu)于色散型，被稱為第三代紅外光譜儀。
二、核心原理：干涉圖與傅立葉變換
FTIR的核心是將干涉儀記錄的“時(shí)間域”或“空間域”干涉圖，通過數(shù)學(xué)上的傅立葉變換轉(zhuǎn)換到“頻率域”（波數(shù)域）光譜：
光源：根據(jù)不同波段，常用鎢絲燈/碘鎢燈（近紅外）、硅碳棒（中紅外）、高壓汞燈等，提供穩(wěn)定紅外輻射。
干涉儀：通常為邁克爾遜干涉儀，光經(jīng)分束器分為兩束，分別反射自動(dòng)鏡與定鏡后重新疊加，形成光程差可控的干涉光束，干涉圖中包含所有波長的強(qiáng)度和相位信息。
樣品室：根據(jù)樣品形態(tài)（固體壓片、薄膜、液體池、氣體池）設(shè)計(jì)，可配ATR（衰減全反射）附件，實(shí)現(xiàn)無損或微量樣品測試。
檢測器：常見熱釋電、DTGS、MCT檢測器等，將干涉光強(qiáng)變化轉(zhuǎn)為電信號(hào)，前置放大后送入數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。
數(shù)據(jù)系統(tǒng)：控制干涉儀動(dòng)鏡運(yùn)動(dòng)和光源，采集干涉圖，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換和FFT計(jì)算得到以波數(shù)（cm?¹）為橫坐標(biāo)、透射率或吸光度為縱坐標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)紅外光譜。
與傳統(tǒng)逐點(diǎn)掃描相比，F(xiàn)TIR在一次完整干涉圖采集后即可重構(gòu)全譜，通常只需1–數(shù)秒，顯著提高分析速度，更利于不穩(wěn)定樣品及聯(lián)機(jī)分析。
三、關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)與性能優(yōu)勢
典型科研級FTIR的關(guān)鍵性能包括：
波數(shù)范圍：覆蓋中紅外4000–400 cm?¹，部分儀器可擴(kuò)展至近/遠(yuǎn)紅外。
分辨率：設(shè)備可達(dá)0.1–0.005 cm?¹，遠(yuǎn)高于色散型（約0.2–3 cm?¹），適合解析精細(xì)譜帶結(jié)構(gòu)。
波數(shù)精度與重復(fù)性：優(yōu)于0.01 cm?¹，有利于譜庫比對與定量分析。
信噪比：干涉儀無狹縫限制，光通量高，配合多次累加，可實(shí)現(xiàn)靈敏度，部分儀器檢測限可達(dá)10??–10?¹²g。
掃描速度：一次全譜1–數(shù)秒，適合動(dòng)力學(xué)反應(yīng)在線監(jiān)測、與GC/FTIR或LC/FTIR聯(lián)用。
四、典型應(yīng)用場景
有機(jī)與高分子化學(xué)
通過官能團(tuán)吸收峰位（C=O、O–H、N–H、C–H、C≡N等），可以快速判斷化合物的結(jié)構(gòu)類型，鑒定原料與中間體，監(jiān)測聚合反應(yīng)進(jìn)程；對于聚合物，可解析結(jié)晶度、鏈取向和老化特征。
制藥與生命科學(xué)
用于原料藥（API）的晶型、鹽型、溶劑化物鑒別，配方中輔料與主藥相互作用研究，以及藥物多晶型定量分析；在生物領(lǐng)域，可用于蛋白質(zhì)二級結(jié)構(gòu)（α-螺旋、β-折疊）研究及藥物–蛋白結(jié)合等。
環(huán)境與食品安全
監(jiān)測水體、土壤、大氣中的有機(jī)污染物（如油類、溶劑殘留、農(nóng)藥），快速篩查食品中的摻假、非法添加、油脂品質(zhì)等。
材料與工業(yè)過程
無機(jī)礦物、礦物填料、塑料、橡膠、涂料的成分鑒定與質(zhì)量控制；在線FTIR可實(shí)時(shí)監(jiān)測反應(yīng)釜中中間體濃度，實(shí)現(xiàn)過程分析與質(zhì)量控制（PAT）。
五、樣品制備與測量技術(shù)
傳統(tǒng)透射法：KBr壓片、薄膜、液體池等，適合實(shí)驗(yàn)室定量與標(biāo)準(zhǔn)譜圖建立。
ATR附件：鉆石或ZnSe晶體表面進(jìn)行衰減全反射測量，樣品無需特殊制備，特別適合液體、膏體和粉末，極大提升了測試效率和重現(xiàn)性。
氣體池與高溫附件：用于煙氣分析、催化劑反應(yīng)過程的原位監(jiān)測等。
六、定性、定量與chemometrics
定性：通過與標(biāo)準(zhǔn)譜庫（如商用譜庫、自建庫）比對峰位、峰形與相對強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)物質(zhì)“指紋”匹配，是鑒定未知物的手段之一。
定量：在特定吸收峰處采用朗伯–比爾定律，結(jié)合基線校正與多元校正方法，可準(zhǔn)確計(jì)算組分含量，適合混合物多組分同時(shí)定量。
化學(xué)計(jì)量學(xué)：主成分分析（PCA）、偏最小二乘（PLS）等方法，可從復(fù)雜光譜中提取有效信息，用于分類判別、質(zhì)量控制建模等。
七、未來發(fā)展趨勢
智能化與自動(dòng)化：自動(dòng)采樣、自動(dòng)識(shí)別樣品、內(nèi)置方法包與AI輔助解析，降低對操作人員經(jīng)驗(yàn)的要求。
小型化與現(xiàn)場化：便攜/手持FTIR不斷涌現(xiàn)，用于現(xiàn)場原料識(shí)別、環(huán)境應(yīng)急檢測、食品現(xiàn)場篩查等。
多維聯(lián)用：與TGA-GC、顯微鏡、成像系統(tǒng)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)空間分布與熱行為與結(jié)構(gòu)信息的一體化獲取。
八、選型與使用要點(diǎn)
根據(jù)應(yīng)用選擇分辨率、波數(shù)范圍與探測器類型（如需要高靈敏度可選MCT）。
考慮樣品形態(tài)與測試頻率，評估是否需ATR、高溫/低溫附件或氣體池。
注意環(huán)境控制：溫濕度、振動(dòng)會(huì)影響干涉儀穩(wěn)定度，定期進(jìn)行波數(shù)與透射率校準(zhǔn)，使用標(biāo)準(zhǔn)聚苯乙烯薄膜進(jìn)行驗(yàn)證。
總之，傅立葉紅外光譜儀以干涉+傅立葉變換為核心，將紅外光譜法推向了高速度、高靈敏度、高精度的新高度，是有機(jī)合成、藥物研發(fā)、材料科學(xué)和環(huán)境監(jiān)測等領(lǐng)域的通用分析工具。
