傅里叶红外光谱仪：原理、结构、特点及应用

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傅里叶红外光谱仪：原理、结构、特点及应用

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https://m.yiqi.com/daogou/fuliyehongwaiguangpuyi.html

傅里叶红外光谱仪是七十年代发展起来的第三代红外光谱仪的典型代表。它是根据光的相干性原理设计的，是一种干涉型光谱仪，具有优良的特性，完善的功能，并且应用范围极其广泛，同样也有着广泛的发展前景。

傅里叶红外光谱仪简介

傅里叶红外光谱仪可以同时测定样品所有频率的信息，扫描速度快，分辨率和灵敏度高，也可和多种仪器联用，主要应用于跟踪化学反应过程，分析和鉴别各种化合物和化学键，高聚物的聚集态取向以及表面研究等。

傅里叶红外光谱仪原理

傅里叶红外光谱仪是一种干涉型红外光谱仪，由光学系统、电子电路、计算机数据处理、接口和显示系统等部分组成。其光学系统由光源、动镜、定镜、分束器、检测器等几个主要部分组成。

傅里叶红外光谱仪光源发出一束光，通过分束器、定镜、动镜后形成干涉光透过样品池进入检测器。由于动镜不断运动，使两束光线光程差随动镜移动距离不同，呈周期性变化。样品放在检测器前，由于某种样品对某些频率的红外光吸收，使检测器接收到的干涉光强度发生变化，从而得到各种样品的干涉图。借助傅里叶变换函数，将光强随动镜移动距离变化的干涉图转换为光强随频率变化的频域图，这一变化过程通过计算机完成，Z后得到红外吸收光谱图。

傅里叶红外光谱仪结构

傅里叶红外光谱仪主要由红外光源、分束器、干涉仪、样品池、探测器、计算机数据处理系统、记录系统等组成，是干涉型红外光谱仪的典型代表，不同于色散型红外仪的工作原理，它没有单色器和狭缝，利用迈克尔逊干涉仪获得入射光的干涉图，然后通过傅里叶数学变换，把时间域函数干涉图变换为频率域函数图。

光源：傅里叶红外光谱仪为测定不同范围的光谱而设置有多个光源。通常用的是钨丝灯或碘钨灯(近红外)、硅碳棒(中红外)、高压汞灯及氧化钍灯(远红外)。
分束器：分束器是迈克尔逊干涉仪的关键元件。其作用是将入射光束分成反射和透射两部分，然后再使之复合，如果可动镜使两束光造成一定的光程差，则复合光束即可造成相长或相消干涉。对分束器的要求是：应在波数v处使入射光束透射和反射各半，此时被调制的光束振幅Zda。根据使用波段范围不同，在不同介质材料上加相应的表面涂层，即构成分束器。
探测器：傅里叶红外光谱仪所用的探测器与色散型红外分光光度计所用的探测器无本质的区别。常用的探测器有硫酸三甘钛(TGS)、铌酸钡锶、碲镉汞、锑化铟等。
数据处理系统：傅里叶红外光谱仪数据处理系统的核心是计算机，功能是控制仪器的操作，收集数据和处理数据。

傅里叶红外光谱仪的特点

优势

多路优点，夹缝的废除大大提高了光能利用率。样品置于全部辐射波长下，因此全波长范围下的吸收必然改进信噪比，使测量灵敏度和准确度大大提高。
分辨率提高，分辨率决定于动镜的线性移动距离，距离增加，分辨率提高。
波数准确度高。由于引入激光参比干涉仪，用激光干涉条纹准确测定光程差，从而使波数更为准确。
测定的光谱范围宽。
扫描速度极快，在不到1s时间里可获得图谱，比色散型仪器高几百倍。

缺陷

样品制作比较麻烦，并且会破坏样品原本形态或表面污染。因此就不能应用在一些如对珠宝，钻石，纸币，邮票，笔迹等的真伪鉴定上了。针对这些缺陷，漫反射傅里叶变换红外光谱技术和衰减全反射傅里叶变换红外光谱技术很好的解决了这一问题。
红外光谱的定性分析时要将测得的图谱与已知样品图谱或标准图谱进行对比，而同一化合物在不同状态，不同溶剂中都会显出不同的光谱，此外，浓度、温度、样品纯度、仪器的分辨率等因素对分析结果也有影响。因此红外光谱的解析十分的复杂，并且工作量十分的大。随着计算机技术的发展，红外光谱定性分析实现了计算机检索和辅助光谱分析，但是，这种检索能力受到存储数据量的限制，因为新合成的化合物越来越多，建立图谱库的工作量越来越大。

傅里叶红外光谱仪发展趋势

由于傅里叶红外光谱仪应用的广泛性，得到了许多科技工作者以及各国厂家的关注及推崇。近年来他们对其光源、干涉仪、检测器及数据处理等各系统进行了大量的研究和改进，使之日趋完善。如仪器精密度的提高，红外光谱仪在分辨率和扫描速度等方面达到了很高的指标。红外光谱仪的调整、控制、测试及结果的分析大部分由计算机完成。虽然相对于之前的红外光谱仪而言，傅里叶红外变换红外光谱仪有了很大的提高。

现在人们开始研究一种称之为辅助红外光谱解析的方法，这是一种人工智能技术，它能根据未知物图谱中吸收带的特征频率、强度及形状等信息，利用计算机进行演绎推理，完成对未知物官能团的分析。目前仍处于研究阶段。相信不久的将来，会开发出在解析化学结构方面具有完善功能的计算机人工智能系统。

傅里叶红外光谱仪的应用

傅里叶红外光谱仪在临床医学和药学方面的应用

鉴于每个化合物都有自己独特的红外光谱，除特殊情况外，目前尚未发现两种不同的化合物具有相同的红外光谱，所以红外光谱为药品质量的监测提供了快速准确的方法。如药材天麻、阿胶，西药红霉素、环磷酰胺的监测和抗肝炎药联笨双酯同质异晶体的研究。傅里叶红外光谱仪在临床疾病检测方面也有广泛的应用，如利用红外光谱法对冠心病、动脉硬化、糖尿病、癌症的检测。

恶性肿瘤是一种严重危害人类身心健康并消耗大量YL卫生资源的疾病，由于目前缺乏有效的对晚期癌症的ZL手段，肿瘤的早期诊断对延长患者的生存时间和提高生活质量具有重要的意义。傅里叶红外光谱仪可以提供有关分子结构和变化的多种信息，能在分子水平对细胞组织的改变做出反映，是行之有效的肿瘤早期检测的手段，较传统的肿瘤手段而言，具有快速，准确，客观等特点；甚至可以通过光纤附件，实现肿瘤的原位、在体、实时检测和诊断。

化学、化工方面的应用

在该方面的应用又可分为表面化学、催化化学和石油化学方面的应用。

在表面化学研究中的应用
红外光谱技术在表面化学研究中的应用具有两个鲜明特征：
①继续不断地开发表面与薄膜的原位和实时红外分析技术。根据报道已有一种适用于原位和同时红外分析的傅里叶红外光谱仪扩散反射室。
②以红外吸附光谱(IRAS)，ATR FT-IR和IR反射光谱为代表的红外光谱技术广泛地应用于研究自组织膜和L-B膜。如应用IR反射光谱研究薄膜，测定组织薄膜的厚度、成分和结构。
在催化化学研究中的应用
①扩散反射红外光谱傅里叶变换光谱(DR IFTS)的应用报道特别突出，其次是IRAS。DR IFTS用于监控催化剂表面吸附化合物的分解动力学。IRAS的典型应用实例包括研究CO在Pd催化剂表面的氧化反应动力学，以及研究NO和CO在Pd和Pd-SiO2表面的共吸附现象。
②原位红外光谱技术除了依然应用普通的原位红外光谱技术研究催化反应过程外，还应用于原位反射/吸附红外光谱研究催化剂表面的点位阻塞效应。另外产生了大量新的与原位红外光谱技术相配合的附件装置。
在石油化学研究中的应用
傅里叶红外光谱仪在石油化学中的应用是一个十分广泛的领域，如在重油的组成、性质与加工方面，应用IR表面自硅胶色谱得到的胶质和沥青质。红外光谱仪在润滑油及其应用方面的进展体现在：用于鉴别未知油品和标定润滑油的经典物理性质(如粘度、总酸值、总碱值)；被纳入以设备状态监测为目的的油液分析计划，用于表征在用油液的降解和污染程度；油润滑表面摩擦化学过程及产物的原位监测与表征。
傅里叶红外光谱仪应用于轻质油品生产控制和性质分析方面的主要进展包括：应用红外光谱预测汽油的辛烷值，应用IR测定汽油中含氧化合物的含量。此外，还应用ATR FT-IR与GC联用测定汽油中的芳烃的含量。

环境分析中的应用

用气相色谱-傅里叶变换红外联用技术测定水中的污染物，结合了毛细管气相色谱的高分辨能力和傅里叶红外光谱快速扫描的特点，对GC-MS不能鉴别的异构体，提供了完整的分子结构信息，有利于化合物官能团的判定。

运用傅里叶变换红外遥感技术，可以测定工业大气空间的特性。由于控制汽油质量与保护环境密切相关，应用美国HP GC/IRP/MS测定汽油中的甲醇、乙醇、1-丙醇、2-丙醇、1-丁醇、2-丁醇、异丁醇、特丁醇、苯、甲苯、邻二甲苯、间二甲苯、对二甲苯等，其准确度为1%，相对偏差为0.155%。应用傅里叶红外光谱仪可以定量分析气态烃类混和物，对于测定水中的石油烃类，非色散红外法已成为我国环境监测的标准方法。