傅里叶变换红外光谱仪概述

红外光谱法 (infrared spectroscopy，IR) 是鉴别化合物和进行物质分子结构研究的重要手段之一，同时也是物质组分定量分析的方法之一，是分子光谱法的一个重要分支。它是一种借助红外光被物质吸收情况，获得被测物质分子内部原子间相对振动和分子转动等信息，并根据所获得信息进行物质分子结构研究的分析方法。红外光谱仪是用于测定物质吸收红外光信息的仪器，是进行物质红外光谱测试和研究的基础。

一、红外光区的分类

根据红外光波长的范围，波长单位通常为μm，以符号λ表示。但在实际分析工作中，更习惯采用波数表示吸收谱带位置，波数单位通常表示为cm-1，以符号可表示。当波长的单位为μm时，波数与波长存在以下关系：

ν=10⁴/λ（cm^-1）

红外光是一种电磁波，波长范围较宽，位于可见光和微波波长之间，约0．75～1000μm，为便于研究工作，根据波长范围以及测定所获得信息的不同，可进一步将其细分为近红外区、中红外区和远红外区，具体划分如表所示。

相对于近红外光和远红外光，中红外光被物质吸收后的光谱给出该物质的分子结构特征信息最为丰富，是红外光谱中研究及应用最多的区域，通常所说的红外光谱大都指的是这一区域的光谱。近几十年来，经广大红外光谱工作者的努力，近红外光谱和远红外光谱技术的研究及应用也不断取得进展。

二、发展简史

红外光谱的研究早在19世纪后期就已开始，而红外光谱仪的研制可追溯至20世纪初期。1908 Cobleltz制备和应用了以氯化钠晶体为棱镜的红外光谱仪，1910年Wood和Trowbridge研制了小阶梯光栅红外光谱议，1918年Sleator和Randall研制出高分辨仪器。直至20世纪40年代光谱工作者才开始研究双光束红外光谱议，1944年诞生了世界上第一台红外光谱仪(早期称红外分光光度计)。1950年开始商业化生产名为Perkin-Elmer 21的双光束红外光谱议，其色散元件为氯化钠 (或溴化钾) 晶体制成的棱镜，因此通常称为棱镜分光的红外光谱仪。与单光束光谱仪相比，双光束红外光谱仪不需要由经专门训练的光谱工作者操作就能获得较好的谱图，因此Perkin—E1mer 21很快在美国畅销，它使红外分析技术进入实际应用阶段，成为第一代红外光谱仪。但棱镜分光的红外光谱仪由于氯化钠 (或溴化钾) 晶体等色散元件的折射率随环境温度的变化而变化，仪器使用过程需恒温，且存在分辨率低、测量波长范围窄、实验结果再现性较差等缺陷。20世纪60年代，随着光栅技术的发展，光栅衍射分光技术取代棱镜分光技术被应用于红外光谱仪，产生第二代红外光谱仪——光栅分光红外光谱仪，其测量波长范围、分辨率等方面性能远优于棱镜分光红外光谱仪，但光栅分光红外光谱仪在远红外区分出的光能量仍很弱，光谱质量较差，测定速度较慢，动态跟踪实验以及与其它仪器的联用技术仍然无法实现。随着计算机技术的飞速发展，第三代红外光谱仪——干涉分光傅里叶变换红外光谱仪 (Fourier transform infrared spectrometer，FTIR) 诞生于20世纪70年代，它无分光系统，一次扫描可得全范围光谱，因具有高光通量、测定快速灵敏、分辨率高、信噪比高等诸多优点，迅速取代棱镜和光栅分光红外光谱仪。至80年代中后期，世界上生产红外光谱仪的主要厂商基本停止棱镜和光栅分光红外光谱仪的生产，集中精力于FTIR仪的研制，不断推出更为新型、先进的FTIR仪。

三、特点

相对于色散型或光栅型红外光谱仪，FTIR仪具有以下特点。

(1) 测量速度快 动镜扫描一次的时间约1s，也就是1s内即可完成所设定光谱范围内的扫描，计算机即时进行傅里叶变换形成FTIR谱，这一速度比色散型或光栅型红外光谱仪的测量速度快几百倍。可以在线监测色谱分离的样品，使色谱与红外光谱联用成为可能，可以有效跟踪快速的原位化学反应等，这些工作是色散型或光栅型红外光谱仪无法实现的。

(2) 分辨率高 根据FTIR仪的工作原理，FTIR的分辨率近似等于最大光程差的倒数，也就是动镜移动有效距离2倍的倒数，理论上只要动镜移动有效距离越长，就可得到越高的分辨率，而色散型或光栅型红外光谱仪的分辨率与其光谱狭缝宽度成反比，但是光谱狭缝宽度越窄，光通量就越小，结果会牺牲光谱的灵敏度和信噪比，因此色散型或光栅型红外光谱仪的分辨率不可能很高。

(3) 信噪比好 FTIR仪测量的原始数据是一整束混合光的干涉图，未经过光谱狭缝，因此信号强度大、信噪比优，同时由于样品的吸收信号是一个确定的值，而噪声在一定范围内是随机的，因此可通过增加FTIR仪扫描次数，降低平均噪声信号，又可达到提高信噪比效果的目的。

(4) 波数准确度及重复性好 FTIR仪对谱峰位置的精确校准是由其内置的激光器完成的，激光器发出的单一波长光非常稳定，由它监测确定的干涉仪动镜位置非常准确，所以用它得到的数据确定光源发出的红外光频率也是非常准确的，不同时间测量结果都是一样，因此波数准确度及重复性都很好。

(5) 测定范围宽 许多FTIR仪只要更换合适的分束器、光源、检测器，就可测量近、中、远整个红外区的光谱。