傅(fu)里(li)葉變換(huan)紅外光譜儀基本原理

傅(fu)里葉變(bian)換紅外光譜儀（Fourier Transform Infrared Spectrometer，簡寫為(wei)FTIR Spectrometer）,簡稱(cheng)為(wei)傅(fu)里葉紅(hong)(hong)外(wai)(wai)光(guang)譜儀(yi)（如圖1）。它不同于(yu)色散(san)型紅(hong)(hong)外(wai)(wai)分(fen)光(guang)的(de)原(yuan)理，是基于(yu)對干涉后的(de)紅(hong)(hong)外(wai)(wai)光(guang)進行傅(fu)里葉變換的(de)原(yuan)理而(er)開發(fa)的(de)紅(hong)(hong)外(wai)(wai)光(guang)譜儀(yi)， 主要由紅(hong)(hong)外(wai)(wai)光(guang)源、光(guang)闌、干涉儀(yi)（分(fen)束器(qi)、動鏡(jing)、定鏡(jing)）、樣品(pin)室、檢(jian)測(ce)器(qi)以(yi)及各種紅(hong)(hong)外(wai)(wai)反射鏡(jing)、激光(guang)器(qi)、控制(zhi)電路板和(he)電源組成。可以(yi)對樣品(pin)進行定性和(he)定量分(fen) 析，廣泛應用(yong)于(yu)醫藥化工、地(di)礦、石油(you)、煤炭(tan)、環保、海關(guan)、寶石鑒定、刑偵鑒定等領域。

工(gong)作原(yuan)理：

紅(hong)外(wai)線和(he)(he)可見光一樣都是電磁波(bo)，而紅(hong)外(wai)線是波(bo)長介于可見光和(he)(he)微波(bo)之間的(de)(de)一段(duan)電磁波(bo)。紅(hong)外(wai)光又可依(yi)據波(bo)長范圍(wei)分成近紅(hong)外(wai)、中(zhong)(zhong)紅(hong)外(wai)和(he)(he)遠紅(hong)外(wai)三個波(bo)區(qu)，其中(zhong)(zhong)中(zhong)(zhong)紅(hong)外(wai)區(qu)（2.5～25μm；4000～400cm-1）能很(hen)好地反映(ying)分子(zi)(zi)內部所(suo)進行的(de)(de)各種(zhong)物(wu)理(li)過(guo)程以及分子(zi)(zi)結(jie)構方面(mian)的(de)(de)特(te)征，對解(jie)決(jue)分子(zi)(zi)結(jie)構和(he)(he)化學組成中(zhong)(zhong)的(de)(de)各種(zhong)問題zui為有效，因而中(zhong)(zhong)紅(hong)外(wai)區(qu)是紅(hong)外(wai)光譜(pu)中(zhong)(zhong)應用(yong)zui廣的(de)(de)區(qu)域，一般所(suo)說(shuo)的(de)(de)紅(hong)外(wai)光譜(pu)大都是指這一范圍(wei)。

紅外光(guang)譜(pu)屬于(yu)吸(xi)收(shou)光(guang)譜(pu)，是(shi)(shi)由(you)于(yu)化合(he)物分子(zi)振動(dong)時吸(xi)收(shou)特(te)定波長的(de)紅外光(guang)而(er)產生的(de)，化學鍵振動(dong)所吸(xi)收(shou)的(de)紅外光(guang)的(de)波長取決于(yu)化學鍵動(dong)常數和連接在兩端的(de)原(yuan)子(zi)折合(he)質量(liang)，也就是(shi)(shi)取決于(yu)的(de)結構(gou)特(te)征(zheng)。這就是(shi)(shi)紅外光(guang)譜(pu)測定化合(he)物結構(gou)的(de)理論(lun)依(yi)據。

紅(hong)(hong)外(wai)光(guang)譜(pu)(pu)(pu)作為“分(fen)子(zi)的(de)(de)指紋”廣(guang)泛的(de)(de)用(yong)于(yu)分(fen)子(zi)結(jie)構(gou)(gou)和(he)物質化(hua)(hua)(hua)學(xue)組成的(de)(de)研究。根據分(fen)子(zi)對紅(hong)(hong)外(wai)光(guang)吸收(shou)后得到譜(pu)(pu)(pu)帶(dai)頻率(lv)的(de)(de)位置、強(qiang)度、形狀以及(ji)(ji)吸收(shou)譜(pu)(pu)(pu)帶(dai)和(he)溫度、聚(ju)集狀態(tai)等的(de)(de)關系(xi)便可(ke)以確(que)定分(fen)子(zi)的(de)(de)空間構(gou)(gou)型(xing)，求出化(hua)(hua)(hua)學(xue)建的(de)(de)力常數、鍵(jian)長和(he)鍵(jian)角。從(cong)光(guang)譜(pu)(pu)(pu)分(fen)析的(de)(de)角度看主要是利用(yong)特(te)征(zheng)吸收(shou)譜(pu)(pu)(pu)帶(dai)的(de)(de)頻率(lv)推斷(duan)分(fen)子(zi)中存(cun)在某一基團或(huo)鍵(jian)，由特(te)征(zheng)吸收(shou)譜(pu)(pu)(pu)帶(dai)頻率(lv)的(de)(de)變化(hua)(hua)(hua)推測臨近(jin)的(de)(de)基團或(huo)鍵(jian)，進(jin)而確(que)定分(fen)子(zi)的(de)(de)化(hua)(hua)(hua)學(xue)結(jie)構(gou)(gou)，當(dang)然也(ye)可(ke)由特(te)征(zheng)吸收(shou)譜(pu)(pu)(pu)帶(dai)強(qiang)度的(de)(de)改變對混(hun)合物及(ji)(ji)化(hua)(hua)(hua)合物進(jin)行(xing)定量分(fen)析。而鑒于(yu)紅(hong)(hong)外(wai)光(guang)譜(pu)(pu)(pu)的(de)(de)應用(yong)廣(guang)泛性(xing),繪出紅(hong)(hong)外(wai)光(guang)譜(pu)(pu)(pu)的(de)(de)紅(hong)(hong)外(wai)光(guang)譜(pu)(pu)(pu)儀也(ye)成了科學(xue)家們(men)的(de)(de)重點研究對象. 

傅(fu)立葉變(bian)(bian)換(huan)紅(hong)外（FT-IR）光(guang)(guang)(guang)譜(pu)(pu)儀(yi)(yi)(yi)是(shi)根據(ju)光(guang)(guang)(guang)的(de)(de)相干(gan)(gan)性(xing)原理設計(ji)(ji)的(de)(de)，因(yin)此是(shi)一(yi)種干(gan)(gan)涉型光(guang)(guang)(guang)譜(pu)(pu)儀(yi)(yi)(yi)，它主要由光(guang)(guang)(guang)源（硅碳棒，高(gao)壓汞(gong)燈），干(gan)(gan)涉儀(yi)(yi)(yi)，檢測(ce)器，計(ji)(ji)算(suan)機(ji)和記錄系統組成，大多(duo)數傅(fu)立葉變(bian)(bian)換(huan)紅(hong)外光(guang)(guang)(guang)譜(pu)(pu)儀(yi)(yi)(yi)使用了邁克爾遜（Michelson）干(gan)(gan)涉儀(yi)(yi)(yi)，因(yin)此實驗測(ce)量(liang)的(de)(de)原始光(guang)(guang)(guang)譜(pu)(pu)圖(tu)是(shi)光(guang)(guang)(guang)源的(de)(de)干(gan)(gan)涉圖(tu)，然后通過計(ji)(ji)算(suan)機(ji)對(dui)干(gan)(gan)涉圖(tu)進行(xing)快速傅(fu)立葉變(bian)(bian)換(huan)計(ji)(ji)算(suan)，從而得到以波(bo)長或波(bo)數為(wei)函數的(de)(de)光(guang)(guang)(guang)譜(pu)(pu)圖(tu)，因(yin)此，譜(pu)(pu)圖(tu)稱為(wei)傅(fu)立葉變(bian)(bian)換(huan)紅(hong)外光(guang)(guang)(guang)譜(pu)(pu)，儀(yi)(yi)(yi)器稱為(wei)傅(fu)立葉變(bian)(bian)換(huan)紅(hong)外光(guang)(guang)(guang)譜(pu)(pu)儀(yi)(yi)(yi)。

光學原理：

    傅立葉(xie)變換紅外光譜儀的(de)典型光路系統(tong)，來(lai)自紅外(wai)光源(yuan)的(de)輻(fu)射(she)(she)，經(jing)過(guo)凹面反(fan)射(she)(she)鏡(jing)使成平行光后進入邁克爾遜干(gan)涉儀，離開干(gan)涉儀的(de)脈動光束投射(she)(she)到一(yi)擺(bai)(bai)動的(de)反(fan)射(she)(she)鏡(jing)B，使光束交替通(tong)過(guo)樣品池或(huo)參比池，再(zai)經(jing)擺(bai)(bai)動反(fan)射(she)(she)鏡(jing)C（與B同(tong)步），使光束聚焦到檢測(ce)器上。

傅立葉變換紅外光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)譜(pu)儀無色散元件，沒有夾縫，故來自(zi)光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)源的(de)(de)光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)有足夠(gou)的(de)(de)能量經(jing)過干(gan)(gan)涉后(hou)(hou)照(zhao)射到(dao)(dao)樣品上(shang)然后(hou)(hou)到(dao)(dao)達檢(jian)測(ce)(ce)器(qi)，傅立葉變換紅外光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)譜(pu)儀測(ce)(ce)量部分的(de)(de)主要(yao)核心(xin)部件是干(gan)(gan)涉儀，圖(tu)3是單(dan)束(shu)光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)照(zhao)射邁克爾(er)遜(xun)干(gan)(gan)涉儀時(shi)的(de)(de)工作原理圖(tu)，干(gan)(gan)涉儀是由固定不動(dong)的(de)(de)反(fan)(fan)(fan)射鏡(jing)(jing)M1（定鏡(jing)(jing)），可移(yi)動(dong)的(de)(de)反(fan)(fan)(fan)射鏡(jing)(jing)M2（動(dong)鏡(jing)(jing)）及分光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)束(shu)器(qi)B組(zu)成，M1和M2是互相(xiang)垂直的(de)(de)平(ping)面反(fan)(fan)(fan)射鏡(jing)(jing)。B以(yi)45°角置于M1和M2之間，B能將來自(zi)光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)源的(de)(de)光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)束(shu)分成相(xiang)等的(de)(de)兩(liang)(liang)部分，一(yi)半光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)束(shu)經(jing)B后(hou)(hou)被反(fan)(fan)(fan)射，另一(yi)半光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)束(shu)則(ze)(ze)透(tou)射通(tong)過B。在邁克爾(er)遜(xun)干(gan)(gan)涉儀中，當(dang)來自(zi)光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)源的(de)(de)入射光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)經(jing)光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)分束(shu)器(qi)分成兩(liang)(liang)束(shu)光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)，經(jing)過兩(liang)(liang)反(fan)(fan)(fan)射鏡(jing)(jing)反(fan)(fan)(fan)射后(hou)(hou)又匯聚在一(yi)起，再(zai)投射到(dao)(dao)檢(jian)測(ce)(ce)器(qi)上(shang)，由于動(dong)鏡(jing)(jing)的(de)(de)移(yi)動(dong)，使兩(liang)(liang)束(shu)光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)產(chan)生了光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)程差，當(dang)光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)程差為半波(bo)長(chang)(chang)的(de)(de)偶(ou)數倍時(shi)，發生相(xiang)長(chang)(chang)干(gan)(gan)涉，產(chan)生明線；為半波(bo)長(chang)(chang)的(de)(de)奇(qi)數倍時(shi)，發生相(xiang)消(xiao)干(gan)(gan)涉，產(chan)生暗(an)線，若光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)程差既不是半波(bo)長(chang)(chang)的(de)(de)偶(ou)數倍，也不是奇(qi)數倍時(shi)，則(ze)(ze)相(xiang)干(gan)(gan)光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)強度(du)介于前(qian)兩(liang)(liang)種(zhong)情況(kuang)之間，當(dang)動(dong)鏡(jing)(jing)移(yi)動(dong)，在檢(jian)測(ce)(ce)器(qi)上(shang)記錄(lu)的(de)(de)信號(hao)余(yu)弦變化(hua)，每移(yi)動(dong)四分之一(yi)波(bo)長(chang)(chang)的(de)(de)距離，信號(hao)則(ze)(ze)從明到(dao)(dao)暗(an)周期性的(de)(de)改變一(yi)次。