傅里葉轉(zhuǎn)換紅外光譜 (Fourier-transform infrared spectroscopy (FTIR))紅外吸收光譜和放射光譜是一種用于獲取固體、液體或氣體的技術(shù)。
傅立葉轉(zhuǎn)換紅外光譜儀同時(shí)收集廣泛的光譜數(shù)據(jù)。這給了色散光譜儀在小波長范圍內(nèi)測量強(qiáng)度的顯著優(yōu)勢。
FTIR它已經(jīng)能夠制作出優(yōu)秀的散紅外光譜，但它并不常用（有時(shí)接近紅外），并開啟了紅外光譜的新應(yīng)用。傅立葉轉(zhuǎn)換紅外光譜儀來自傅立葉轉(zhuǎn)換（一個(gè)數(shù)學(xué)過程），需要將原始數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為實(shí)際光譜。
基本概念
所有吸收光譜的目的(FTIR,紫外光－可見 ("UV-Vis") 光譜，等等)，是測量樣本在每個(gè)波長中吸收了多少光。
"分散光譜儀"技術(shù)是最簡單的方法，用單色光束照射樣本，測量吸收多少光，并在每個(gè)波長下重復(fù)。(這是紫外線－可見光譜儀的作用方法。
傅里葉轉(zhuǎn)換光譜是一種不直觀的方法。與樣本上照射一束單色光不同，該技術(shù)照射一束含有多種頻率的光，并測量樣本吸收了多少光。
接下來，該束光被修改為另一組的頻率，以提供第二個(gè)數(shù)據(jù)。這個(gè)過程重復(fù)了很多次。之后，計(jì)算機(jī)整合和分析所有數(shù)據(jù)，并推斷出每個(gè)光波長下的吸光值。
上述光束是寬帶光源的開始。該光源包含所有波長光譜，傅里葉轉(zhuǎn)換光譜用于測量。光照射到邁克耳孫干涉儀——由一定的鏡子組成，其中一面由電機(jī)驅(qū)動(dòng)。
當(dāng)鏡子移動(dòng)時(shí)，由于波干擾的影響，光束中的每個(gè)波長的光都會(huì)被干擾器定期阻斷和傳輸。不同的波長會(huì)有不同的速度，所以光束在通過干擾器后會(huì)產(chǎn)生不同的光譜。
正如前面提到的，計(jì)算機(jī)處理需要將原始數(shù)據(jù)（每個(gè)鏡位的吸光值）轉(zhuǎn)換為預(yù)期結(jié)果（每個(gè)波長下的吸光值）。所需的轉(zhuǎn)換是一種常見的算法，稱為傅立葉轉(zhuǎn)換（因此被命名為"紅外光譜由傅立葉改變")，原始數(shù)據(jù)也被稱為"干涉圖"。
FTIR中央峰位于干涉圖ZPD位 ("零路徑差異"或零相位差)光通過最大值的地方，通過干擾到達(dá)探測器。
發(fā)展背景
Perkin-Elmer Infracord它是1957年制造的，是第一臺(tái)低成本記錄紅外光譜的光譜儀。該儀器涵蓋波長2.5 μm to 15 μm (4000 cm?1 to 660 cm?1) 。
色散體是由巖鹽單晶體(氯化鈉)組成的棱鏡。上限的出現(xiàn)是因?yàn)樯Ⅲw的波長大于15 μm會(huì)變得渾濁；這種光譜范圍稱為巖鹽范圍。
后來，該儀器采用溴化鉀棱鏡，將波長范圍擴(kuò)大到25μm(400 cm?1)；碘化銫棱鏡則拓展到了50μm(200 cm?1)。在50 μm (200 cm?1)以下區(qū)域稱為遠(yuǎn)紅外光區(qū)；長于此波長的部分稱為微波區(qū)間。
在遠(yuǎn)紅外光的測量中，由于棱鏡在這些范圍內(nèi)不透明，需要發(fā)展能夠準(zhǔn)確刻出衍生光柵的能力，以取代棱鏡作為色散物質(zhì)。然而，由于能量輻射較低，需要比輻射熱計(jì)更敏感的探測器。
其中一個(gè)是格雷探測器。另一個(gè)問題是排除大氣中水蒸氣的需求，因?yàn)樵诖朔秶鷥?nèi)，水蒸氣具有強(qiáng)旋轉(zhuǎn)光譜。遠(yuǎn)紅外光譜儀操作繁瑣，工藝緩慢昂貴。
邁克耳孫干涉儀的優(yōu)點(diǎn)是眾所周知的，但商用儀器必須克服相當(dāng)大的困難。同時(shí)，還需要執(zhí)行傅立葉變換計(jì)算機(jī)。
微型計(jì)算機(jī)出現(xiàn)后才開始發(fā)展，比如1965年出現(xiàn)的PDP-8。
邁克耳孫干涉儀
來自多色紅外光源的光大致是黑體，用于校準(zhǔn)和定向分束器。理想情況下，50%的光會(huì)反射到固定鏡上，另外50%會(huì)送到移動(dòng)鏡上。兩鏡反射的光會(huì)回到光分束器，50%的原光會(huì)進(jìn)入樣本槽。
在樣品槽中，光會(huì)聚焦在樣品上。離開樣品室的光會(huì)再次聚焦在探測器上。從兩個(gè)鏡臂到干涉儀的光學(xué)路徑長度的差異稱為相位差。干涉圖是由不同的相位差和記錄探測器上測量的不同相位差的信號(hào)獲得的。
在沒有樣本的情況下，干涉圖受到光源強(qiáng)度和分光器波長變化效率等多種因素的影響。零相位因?yàn)樗胁ㄩL都有建設(shè)性干擾(通過一系列)"擺動(dòng)")，導(dǎo)致這個(gè)階段的最大值。零相位的位置可以通過找出干涉圖上最大強(qiáng)度的點(diǎn)來確定。當(dāng)樣本出現(xiàn)噪聲時(shí)，干涉圖會(huì)通過樣本中的吸收譜進(jìn)行修改。
與掃描(色散)分光光度計(jì)相比，F(xiàn)T分光光度計(jì)有兩個(gè)主要優(yōu)點(diǎn)：
多重或稱Fellgetts advantage。同時(shí)收集所有波長的信號(hào)。這導(dǎo)致在一定的掃描時(shí)間內(nèi)獲得更高的信號(hào)－噪聲比或更低的識(shí)別率。
生產(chǎn)量或稱Jacquinots advantage。在色散儀器中，單色器有入口和出口狹縫，限制了光穿越。干涉儀的處理能力只受光源校準(zhǔn)光束直徑的影響。
其他較小的優(yōu)點(diǎn)包括對(duì)離散光的敏感性和敏感性"Connes"優(yōu)點(diǎn)(波長精度更好)；缺點(diǎn)是FTIR先進(jìn)的電子濾波技術(shù)無法使用，導(dǎo)致信號(hào)－噪聲比不如色散測量。
分辨率
干涉圖屬于長度領(lǐng)域。傅里葉轉(zhuǎn)換 (FT)翻轉(zhuǎn)空間維度，干涉圖FT屬于長度域的倒數(shù)，即波數(shù) 域。每厘米波數(shù)的光譜分辨率等于最大相位差的倒數(shù)(單位為cm)。
因此，4 cm?1分辨率為0.25 cm最大相位差；這是典型的廉價(jià)FTIR儀器。通過增加最大相位差，可以實(shí)現(xiàn)更高的分辨率。但在幾乎完整的直線上移動(dòng)鏡子并不容易。角立方體鏡取代了平面鏡，幫助從角立方體射出的光平行于數(shù)入射光，無論入射光束是否垂直于反射鏡。
在1966年，Connes記錄金星上的二氧化碳0.1 cm?1的分辨率振動(dòng)旋轉(zhuǎn)光譜測量金星的大氣溫度。邁克爾遜試圖用自己的干涉儀在氫原子光譜上解決兩個(gè)重量Hα放出波段p25。
0.001 cm?1分辨率光譜儀可商業(yè)化。高分辨率處理能力的優(yōu)點(diǎn)FTIR同分辨率的色散儀器中的單色器會(huì)有非常狹窄的入口和出口狹縫。
分束器
由于波長大于2，分束器不能由普通玻璃制成.5 μm紅外線是不透明的 。現(xiàn)在它通常被塑料薄膜所取代。然而，任何物質(zhì)都有其范圍限制的透光率，因此必須使用各種分束器來覆蓋廣泛的光譜范圍。
傅立葉變換
事實(shí)上，干涉圖值得用一系列光強(qiáng)度測量相位差離散值。連續(xù)相位差之間的差值是固定的。因此，有必要轉(zhuǎn)換離散傅里葉，快速轉(zhuǎn)換傅里葉(FFT)使用算法。
遠(yuǎn)紅外光FTIR
一開始，F(xiàn)TIR分光光度計(jì)用于遠(yuǎn)紅外光。這是因?yàn)榭紤]到良好光學(xué)性能所需的機(jī)械耐久性，這也與光波長的選擇有關(guān)。
遠(yuǎn)紅外光FTIR典型維數(shù)據(jù)干涉儀組成的典型儀器NPL并通過開發(fā)Grubb Parsons銷售。它使用步進(jìn)式電機(jī)驅(qū)動(dòng)鏡子，并在完成每一步后記錄檢測器的反應(yīng)。
中紅外光FTIR
隨著廉價(jià)微機(jī)的出現(xiàn)，可以出現(xiàn)專門用于控制光譜儀、收集數(shù)據(jù)、傅里葉轉(zhuǎn)換和光譜呈現(xiàn)的計(jì)算機(jī)。這促進(jìn)了巖鹽地區(qū)的發(fā)展FTIR分光光度計(jì)的發(fā)展。然而，必須克服制造超高精度光學(xué)零件和機(jī)械零件的問題。
廣泛使用的設(shè)備現(xiàn)在可以在市場上購買。雖然儀器的設(shè)計(jì)越來越復(fù)雜，但基本原理仍然相同。如今，干涉儀上的移動(dòng)鏡以相同的速度移動(dòng)，干涉圖的取樣將位于氦－氖激光所點(diǎn)燃的二次干涉的邊緣發(fā)現(xiàn)通過零交叉點(diǎn)所觸發(fā)。這賦予了高波數(shù)下從紅外光譜上所得到結(jié)果的精確度并避免波數(shù)校準(zhǔn)錯(cuò)誤。
近紅外光FTIR
近紅外光區(qū)域從巖鹽區(qū)域波長到可見光(約750 nm)。該區(qū)域可以從基本振動(dòng)的泛頻中觀察到。主要用于化學(xué)影像、工藝控制等工業(yè)。
相關(guān)應(yīng)用
FTIR它可以應(yīng)用于色散光譜儀可以應(yīng)用的所有應(yīng)用程序（請(qǐng)參考外部鏈接）。此外，它的多重性和生產(chǎn)優(yōu)勢開啟了一個(gè)新的應(yīng)用領(lǐng)域。
GC-IR (氣態(tài)層析－紅外光譜)。氣態(tài)色譜儀可用于分離混合物成分。它含有一個(gè)接收器FTIR提供紅外光譜樣本的光譜儀原件。
此技術(shù)與GC-MS (氣態(tài)色譜－質(zhì)量光普法)是互補(bǔ)的。GC-IR該方法特別有效地識(shí)別異構(gòu)物（指自然質(zhì)量相同的物質(zhì)）。GC-IR成功運(yùn)用的關(guān)鍵是其干涉圖可以在很短的時(shí)間內(nèi)被捕獲，通常小于一秒。FTIR也應(yīng)用于分析液相層析。
TG-IR (熱重-紅外光譜)。氣體紅外光譜的發(fā)展是熱解時(shí)獲得的溫度函數(shù)。
微樣本。微樣本，如法醫(yī)分析，可在樣本室用紅外顯微鏡檢查。掃描可以獲得表面圖像。另一個(gè)例子是使用它FTIR表現(xiàn)古老 ** 繪畫中藝術(shù)材料的特點(diǎn)。
發(fā)射光譜。與記錄光穿透樣本的光譜相比，F(xiàn)TIR光譜儀可以用來獲得樣本發(fā)出光的光譜。通過各種方法誘導(dǎo)樣本發(fā)出光，最常見的是冷光和拉曼色散。
紅外光吸收光譜儀需要一些小的修改來記錄發(fā)射光譜，因此許多商業(yè)紅外光吸收光譜儀結(jié)合了吸收和發(fā)射/拉曼模式。
光電流光譜。使用標(biāo)準(zhǔn)的紅外光吸收光譜儀。研究的樣本以紅外光檢測儀代替，其經(jīng)由光譜儀寬帶光源所引起的光電流是用來記錄干涉圖，然后將其轉(zhuǎn)換成樣本的光電流光譜。
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