傅里葉變換紅外光譜儀

傅里葉變換紅外（Fourier Transform Infrared，FTIR）光譜儀主要由紅外光源、分束器、干涉儀、樣品池、探測器、計算機數據處理系統、記錄系統等組成，是干涉型紅外光譜儀的典型代表，不同於色散型紅外儀的工作原理，它沒有單色器和狹縫，利用邁克爾遜干涉儀獲得入射光的干涉圖，然後通過傅里葉數學變換，把時間域函數干涉圖變換為頻率域函數圖（普通的紅外光譜圖）。 ^[3] 

（1）光源：傅里葉變換紅外光譜儀為測定不同範圍的光譜而設置有多個光源。通常用的是鎢絲燈或碘鎢 燈（近紅外）、硅碳棒（中紅外）、高壓汞燈及氧化釷燈（遠紅外）。

（2）分束器：分束器是邁克爾遜干涉儀的關鍵元件。其作用是將入射光束分成反射和透射兩部分，然後 再使之複合，如果可動鏡使兩束光造成一定的光程差，則複合光束即可造成相長或相消干涉。

對分束器的要求是：應在波數v處使入射光束透射和反射各半，此時被調製的光束振幅最大。根據使用 波段範圍不同，在不同介質材料上加相應的表面塗層，即構成分束器。

（3）探測器：傅里葉變換紅外光譜儀所用的探測器與色散型紅外分光光度計所用的探測器無本質的區 別。常用的探測器有硫酸三甘鈦（TGS）、鈮酸鋇鍶、碲鎘汞、銻化銦等。

（4）數據處理系統：傅里葉變換紅外光譜儀數據處理系統的核心是計算機，功能是控制儀器的操作，收集 數據和處理數據。 ^[1] 

光譜儀按照光學系統的不同可以分為色散型和干涉型，色散型光譜儀根據分光元件的不同，又可分為稜鏡式和光柵式，干涉型紅外光譜儀即傅里葉變換紅外光譜儀（FTIR）。其中光柵式的優點是可以重複光譜響應，機械性能可靠，缺點是效率偏低，對偏振敏感；干涉型光譜儀的優點在於可以提供很高的光譜分辨率以及很高的光譜覆蓋範圍，同時其需要高精度的光學組件及機械組件作為支持。干涉型紅外光譜儀憑藉其高分辨率、高波數精度、高靈敏度等優點，迅速成為的分析儀器中的研究熱點。 ^[4] 

傅里葉變換紅外光譜儀根據使用場景不同可分為專業型與多用途型。專業型傅里葉變換紅外光譜儀包括了大氣環境傅里葉紅外光譜儀、太空星載傅里葉光譜儀、化學分析傅里葉紅外光譜儀、車載遙感傅里葉變換紅外光譜儀等；多功能傅里葉變換光譜儀可以實現多種物質的分析，通常用於實驗室對相應樣品進行分析。 ^[4] 

傅里葉紅外光譜儀的產生是一次革命性的飛躍。與傳統的分光光譜儀相比，傅里葉紅外光譜儀具有以下優勢：

傅里葉變換紅外光譜儀的掃描速度比色散型儀器快數百倍，而且在任何測量時間內都能獲得輻射源的所有頻率的全部信息,即所謂的“多路傳輸”。掃描速度的快慢主要由動鏡的移動速度決定的，動鏡移動一次即可採集所有信息。這一優點使它特別適合與氣相色譜、高壓液相色譜儀器聯機使用，也可用於快速化學反應過程的跟蹤及化學反應動力學的研究等等。對於穩定的樣品,在一次測量中一般採用多次掃描、累加求平均法得到干涉圖，這就改善了信噪比。在相同的總測量時間和相同的分辨率條件下，FTIR的信噪比比色散型的要提高數十倍以上。這也是快速掃描帶來的優點。

分辨率是紅外光譜儀的主要性能指標之一，是指光譜儀對兩個靠得很近的譜線的辨別能力。一般稜鏡式紅外分光光度計的分辨率在1000cm^-1處為3cm^-1。光柵式儀器在1000cm^-1處可達0.2cm^-1，而傅里葉變換紅外光譜儀在整個光譜範圍內可達0.1cm^-1~0.005cm^-1。它的分辨率與儀器的光程差有關，光程差越大，儀器的分辨率越高，即動鏡掃描的距離越長，分辨率越高，但掃描時間也隨之增加。利用其高分辨率的特性，可以研究因振動和轉動吸收帶重疊而導致的氣體混合物的複雜光譜。在一般材料分析中，不需要高分辨率。相應地，FTIR光譜儀均有多檔分辨率供用户據實際需要隨用隨選。

波數是紅外定性分析的關鍵參數，因此儀器的波數精度非常重要。因為干涉儀的動鏡可以被很精確地驅動，所以干涉圖的變化很準確，同時動鏡的移動距離是由He-Ne激光器的干涉條紋來測量的，從而保證了所測的光程差很準確。而現代He-Ne激光器的頻率穩定度和強度穩定度都是非常高的，頻率穩定度優於5*10^-10，因此在計算的光譜中有很高的波數精度和準確度,通常可達到0.01cm^-1。

色散型紅外分光光度計大部分的光源能量都損失在入口狹縫的刀口上，而傅里葉變換紅外儀沒有狹縫的限制，輻射通量只與干涉儀的平面鏡大小有關，在同樣的分辨率下，其輻射通量比色散型儀器大得多，從而使檢測器接受的信噪比增大，因此具有很高的靈敏度，可達10^-9~10^-12g。由於此優點，使傅里葉變換紅外光譜儀特別適合測量弱信號光譜。例如遙測大氣污染物車輛、火箭尾氣及煙道氣等和水污染物例如水面油污染等。此外，在研究催化劑表面的化學吸附也具有很大潛力。

傅里葉變換紅外儀只要能實現測量儀器的元器件（不同的分束器和光源等）的自動轉換，就可以研究整個近紅外、中紅外和遠紅外10000cm^-1~10cm^-1的光譜。這對測定無機化合物和金屬有機化合物十分有利。 ^[5] 

邁克爾遜干涉儀是根據光的干涉原理製成的精密測量儀器,它可精密地測量長度及長度的微小改變等。在現代科學技術中有着廣泛的應用。

邁克爾遜干涉儀光學結構如圖（1）所示，M1和M2是精密磨光的平面反射鏡，相互垂直安裝構成干涉儀的兩臂，M1是動鏡，在直線運動機構的驅動下沿軸向前後移動,如圖中箭頭所示，M2是定鏡。G1是分束器，在G1的後表面上鍍有分束膜，這就是所謂的介質膜分束器。分束膜由一種半透半反的光學材料製成。圖中入射光線在分束膜處通過反射和透射被分成兩束光，用深淺不同黑色和灰色的線段表示。G2是補償板，其和分束器的區別是沒有鍍分束膜，這是為了使透過分束器的光束也同反射光束一樣地三次通過透明光學平板，以保證兩光束間無相位差。 ^[5] 

不同產地的葡萄酒具有不同的質量與風格，市場上葡萄酒以假亂真、以次充好現象頗多，尋找簡單有效地鑑別葡萄酒產區的方法，有利於葡萄酒市場的健康發展。向伶俐等人採用近、中紅外光譜的貝葉斯信息融合技術對葡萄酒原產地進行快速識別，建模集準確率為87.11 %，檢驗集準確率為90.87 %，提高判別的準確度，為葡萄酒原產地真偽識別提供了一種高效低成本的新方法。

此外，利用紅外光譜對白酒年份與香型鑑別也有十分效。因不同香型白酒的成分有所差異，其紅外光譜也不盡相同，可根據紅外光譜差異鑑別不同年份的白酒。

我國蜂蜜質量參差不齊，摻假現象也較為嚴重。孫燕等利用中紅外圖譜分析儀結合化學計量軟件建立饒河黑蜂蜂蜜產地真假判別模型判別饒河本地的蜂蜜樣品和其它地區蜂蜜樣品，準確率達90.3 %，為蜂蜜真偽鑑別提供了一種有效的方法。

近年來，少數造假者頻頻在陳舊大米中塗抹摻加植物油、礦物油，增加其亮度和光澤，冒充優質新鮮大米銷售，嚴重危害消費者身心健康。張耀武等利用紅外光譜對塗有和摻有礦物油的大米進行定性鑑別。將分離出含有礦物油的試樣進行紅外光譜測試，未出現 1745 cm^-1脂 C=O 的伸縮振動吸收和1000~1300 cm^-1伸縮振動吸收，證明該試樣中含有直鏈烷烴的礦物油。文中指出該方法可用於對大米、餅乾、瓜子和食用油中是否摻加工業礦物油的鑑定。

糧食在高温高濕條件下極易發黴變質，不僅造成經濟損失還嚴重威脅人畜健康。劉凌平等利用傅里葉變換衰減全反射紅外光譜技術結合化學計量學方法（ART-FTIR），對稻穀中7 種常見有害黴菌進行了快速鑑定，建立的線性判別分析和偏最小二乘判別分析模型對7種不同類別菌株的留一交互驗證整體正確率分別達到 87.1 %和87.3 %，表明ART-FTIR 技術技術可用於穀物中黴菌不同屬間的快速鑑別，尤其對不同菌屬的黴菌具有良好的判別效果。

果蔬中農藥殘留快速、高效的檢測技術是當前食品安全控制關注的重大問題。朱春豔用傅里葉紅外光譜技術對敵百蟲和辛硫磷兩種農藥的紅外光譜進行了測量和分析，驗證了FTIR/ATR技術快速檢測蔬菜中有機磷農藥殘留的可行性，測定敵百蟲的最低的檢測限為0.2×10^-6（體積分數），相關係數為0.9141，辛硫磷的最低檢測限為0.02×10^-6，相關係數為0.9036，為果蔬農藥殘留檢測提供了一種方便、快捷、準確的方法。 ^[3]