傅立葉紅外光譜儀FTIR的具體原理？

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傅立葉紅外光譜儀是通過動鏡移動產生不一樣的光程差進行干涉，然後進行傅立葉變換，具體是怎麼樣的。問題已得到詳細解答。

先簡單介紹下紅外的基本知識：

1. 什麼是光譜技術？有哪些分類，紅外屬於哪一類？

光譜分析是一種根據物質的光譜來鑒別物質及確定它的化學組成，結構或者相對含量的方法。按照分析原理，光譜技術主要分為吸收光譜，發射光譜和散射光譜三種；按照被測位置的形態來分類，光譜技術主要有原子光譜和分子光譜兩種。紅外光譜屬於分子光譜，有紅外發射和紅外吸收光譜兩種，常用的一般為紅外吸收光譜。

2. 紅外吸收光譜的基本原理是什麼？

分子運動有平動，轉動，振動和電子運動四種，其中後三種為量子運動。分子從較低的能級E1，吸收一個能量為hv的光子，可以躍遷到較高的能級E2,整個運動過程滿足能量守恆定律E2-E1=hv。能級之間相差越小，分子所吸收的光的頻率越低，波長越長。

紅外吸收光譜是由分子振動和轉動躍遷所引起的, 組成化學鍵或官能團的原子處於不斷振動(或轉動)的狀態，其振動頻率與紅外光的振動頻率相當。所以，用紅外光照射分子時，分子中的化學鍵或官能團可發生振動吸收，不同的化學鍵或官能團吸收頻率不同，在紅外光譜上將處於不同位置，從而可獲得分子中含有何種化學鍵或官能團的信息。

紅外光譜法實質上是一種根據分子內部原子間的相對振動和分子轉動等信息來確定物質分子結構和鑒別化合物的分析方法。

分子的轉動能級差比較小，所吸收的光頻率低，波長很長，所以分子的純轉動能譜出現在遠紅外區（25~300 μm）。振動能級差比轉動能級差要大很多，分子振動能級躍遷所吸收的光頻率要高一些，分子的純振動能譜一般出現在中紅外區（2.5~25 μm）。（註：分子的電子能級躍遷所吸收的光在可見以及紫外區，屬於紫外可見吸收光譜的範疇）

值得注意的是，只有當振動時，分子的偶極矩發生變化時，該振動才具有紅外活性（註：如果振動時，分子的極化率發生變化，則該振動具有拉曼活性）。

3. 分子的主要振動類型

在中紅外區，分子中的基團主要有兩種振動模式，伸縮振動和彎曲振動。伸縮振動指基團中的原子沿著價鍵方向來回運動（有對稱和反對稱兩種），而彎曲振動指垂直於價鍵方向的運動（搖擺，扭曲，剪式等），如上圖所示。

4. 紅外光譜和紅外譜圖的分區

通常將紅外光譜分為三個區域：近紅外區(0.75~2.5 μm)、中紅外區(2.5~25 μm)和遠紅外區(25~300 μm)。一般說來，近紅外光譜是由分子的倍頻、合頻產生的；中紅外光譜屬於分子的基頻振動光譜；遠紅外光譜則屬於分子的轉動光譜和某些基團的振動光譜。（註：由於絕大多數有機物和無機物的基頻吸收帶都出現在中紅外區，因此中近紅外光譜儀

紅外區是研究和應用最多的區域，積累的資料也最多，儀器技術最為成熟。通常所說的紅外光譜即指中紅外光譜)

按吸收峰的來源，可以將中紅外光譜圖(2.5~25 μm)大體上分為特徵頻率區（2.5~7.7 μm，即4000-1330 cm-1）以及指紋區（7.7~16.7μm,即1330-400 cm-1）兩個區域。其中特徵頻率區中的吸收峰基本是由基團的伸縮振動產生，數目不是很多，但具有很強的特徵性，因此在基團鑒定工作上很有價值，主要用於鑒定官能團。如羰基，不論是在酮、酸、酯或醯胺等類化合物中，其伸縮振動總是在5.9μm左右出現一個強吸收峰，如譜圖中5.9μm左右有一個強吸收峰，則大致可以斷定分子中有羰基。

指紋區的情況不同，該區峰多而複雜，沒有強的特徵性，主要是由一些單鍵C-O、C-N和C-X(鹵素原子)等的伸縮振動及C-H、O-H等含氫基團的彎曲振動以及C-C骨架振動產生。當分子結構稍有不同時，該區的吸收就有細微的差異。這種情況就像每個人都有不同的指紋一樣，因而稱為指紋區。指紋區對於區別結構類似的化合物很有幫助。

下表所示為一些特徵基團的振動頻率，後面幾期我們會結合實例進行具體分享。

5. 紅外光譜是定性分析手段還是定量分析手段？有何應用？

紅外吸收光譜主要用於定性分析分子中的官能團，也可以用於定量分析（較少使用，特別是多組分時定量分析存在困難）。紅外光譜對樣品的適用性相當廣泛，固態、液態或氣態樣品都能應用，無機、有機、高分子化合物都可檢測。

常見的，對於未知產物進行分析時，紅外能夠給出官能團信息，結合質譜，核磁，單晶衍射等其他手段有助於確認產物的結構（應用最廣泛）；在催化反應中，紅外，特別是原位紅外有著重要的作用，可以用於確定反應的中間產物，反應過程中催化劑表面物種的吸附反應情況等；通過特定物質的吸附還可以知道材料的性質，比如吡啶吸附紅外可以測試材料的酸種類和酸量等，CO吸附的紅外可以根據其出峰的情況判斷材料上CO的吸附狀態，進而知道催化劑中金屬原子是否是以單原子形式存在等。

6. 紅外光譜的解析一般通過什麼方法？有哪些重要的資料庫？

光譜的解析一般首先通過特徵頻率確定主要官能團信息。單純的紅外光譜法鑒定物質通常採用比較法，即與標準物質對照和查閱標準譜的方法，但是該方法對於樣品的要求較高並且依賴於譜圖庫的大小。如果在譜圖庫中無法檢索到一致的譜圖，則可以用人工解譜的方法進行分析，這就需要有大量的紅外知識及經驗積累。大多數化合物的紅外譜圖是複雜的，即便是有經驗的專家，也不能保證從一張孤立的紅外譜圖上得到全部分子結構信息，如果需要確定分子結構信息，就要藉助其他的分析測試手段，如核磁、質譜、紫外光譜等。

重要的紅外譜圖資料庫主要有：

Sadtler紅外光譜資料庫：http://www.bio-rad.com/zh-cn/product/ir-spectral-databases

日本NIMC有機物譜圖庫：http://sdbs.db.aist.go.jp/sdbs/cgi-bin/direct_frame_top.cgi

上海有機所紅外譜圖資料庫：http://chemdb.sgst.cn/scdb/main/irs_introduce.asp

ChemExper化學品目錄CDD：http://www.chemexper.com/

FTIRsearch：http://www.ftirsearch.com/

NIST Chemistry WebBook：http://webbook.nist.gov/chemistry

聲明：本文轉自微信公眾號「研之成理」

動鏡來回掃描采數據點，然後做傅里葉變換獲得實際的光譜信號。動鏡在採集過程中要求實現等間距採集數據，一般通過激光干涉儀再構建一個邁克爾遜干涉儀來實現，也就是實際的傅里葉變換光譜儀內部有兩個邁克爾遜干涉儀系統。今天有點晚，明天有時間再詳細討論。

其實傅里葉變換光譜儀的理論基礎很簡單，就是簡單的複數

變換：

至於具體的結構，可以看下圖

想詳細了解傅里葉光譜儀的話，推薦閱讀下面這本書，上圖就是來自於這本書。

就我們實驗室的裝置來說，進入邁克爾遜干涉儀的光分為已知波長的參考光和未知波長的待測光，調整以後兩束光走同一光路進行干涉（兩束光互相之間不影響，自己和自己干涉，只是走同一光路）然後用二向色鏡分開，分別用兩個PD接收。其中動鏡使用MEMS微鏡實現等間距採樣，使PD得到空間域的強度變化信號，然後採用動鏡行程中的勻速段進行傅立葉變換，得到參考光的光譜，根據它重建出信號光的光譜。

我沒有做過相關工作，根據樓上回答我猜想，其中一個干涉儀是為了實現等距離移動，這個干涉儀中使用的單波長的激光；第二個麥乾的一個反射鏡雙面鍍膜，與上一個麥干共用。在第一個麥干中通過吞吐衍射條紋數來計算這個雙面反射鏡移動的距離，移動的這些距離使第二個麥干剛好匹配某一波長的光程差，實現該波長零級干涉最大。探測器探測零級干涉強度，這樣就確定了不同波長的零級干涉光強譜線。