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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)，是測量樣本在每個波長中吸收了多少光。

"分散光譜儀"技術(shù)是的方法，用單色光束照射樣本，測量吸收多少光，并在每個波長下重復(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，以提供第二個數(shù)據(jù)。這個過程重復(fù)了很多次。之后，計算機(jī)整合和分析所有數(shù)據(jù)，并推斷出每個光波長下的吸光值。

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。

當(dāng)鏡子移動時，由于波干擾的影響，光束中的每個波長的光都會被定期阻斷和傳輸。不同的波長會有不同的速度，所以光束在通過后會產(chǎn)生不同的光譜。

正如前面提到的，計算機(jī)處理需要將原始數(shù)據(jù)（每個鏡位的吸光值）轉(zhuǎn)換為預(yù)期結(jié)果（每個波長下的吸光值）。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峰位于干涉圖ZPD位 ("零路徑差異"或零相位差)光通過值的地方，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，是臺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會變得渾濁；這種光譜范圍稱為巖鹽范圍。

后來，該儀器采用棱鏡，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，需要比輻射熱計更敏感的探測器。

其中一個是格雷探測器。另一個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)是的，但商用儀器必須克服相當(dāng)大的困難。同時，還需要執(zhí)行傅立葉變換計算機(jī)。

微型計算機(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%的光會反射到固定鏡上，另外50%會送到移動鏡上。兩鏡反射的光會回到光分束器，50%的原光會進(jìn)入樣本槽。

在樣品槽中，光會聚焦在樣品上。離開樣品室的光會再次聚焦在探測器上。從兩個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")，導(dǎo)致這個階段的值。零相位的位置可以通過找出干涉圖上強(qiáng)度的點(diǎn)來確定。當(dāng)樣本出現(xiàn)噪聲時，干涉圖會通過樣本中的吸收譜進(jìn)行修改。

與掃描(色散)分光光度計相比，F(xiàn)T分光光度計有兩個主要優(yōu)點(diǎn)：

多重或稱Fellgetts advantage。同時收集所有波長的信號。這導(dǎo)致在一定的掃描時間內(nèi)獲得更高的信號－噪聲比或更低的識別率。

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的電子濾波技術(shù)無法使用，導(dǎo)致信號－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)的光譜分辨率等于相位差的倒數(shù)(單位為cm)?！?/p>

因此，4 cm?1分辨率為0.25 cm相位差；這是典型的廉價FTIR儀器。通過增加相位差，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 ?，F(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)的計算機(jī)。這促進(jìn)了巖鹽地區(qū)的發(fā)展FTIR分光光度計的發(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)計越來越復(fù)雜，但基本原理仍然相同。如今，干涉儀上的移動鏡以相同的速度移動，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，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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