ftir红外光谱仪原理,基于干涉原理的分子结构与化学组成分析技术

红外光谱仪，特别是傅里叶变换红外光谱仪（FTIR），是现代分析化学中不可或缺的工具。它通过探测物质对红外光的吸收特性，揭示分子结构和化学组成。FTIR的工作原理复杂而精妙，涉及光学、物理和化学等多个领域。本文将深入探讨FTIR红外光谱仪的原理，带你领略这一科学仪器的魅力。

红外光谱仪的基本概念

红外光谱仪是一种利用物质对不同波长的红外辐射吸收特性进行结构和化学组成分析的仪器。它的工作基础是分子振动和转动能级跃迁。当红外光照射样品时，分子中的化学键会吸收特定波长的光，导致振动或转动能级跃迁，形成特征吸收峰。这些吸收峰反映了分子内部原子间的相对振动和分子转动信息，可用于研究分子的结构和化学键。

红外光谱仪通常由光源、单色器、探测器和计算机处理信息系统组成。根据分光装置的不同，分为色散型和干涉型。傅立叶变换红外光谱仪（FTIR）属于干涉型，具有信噪比高、重现性好、扫描速度快等优势，广泛应用于医药化工、地矿、石油、煤炭、环保、海关、宝石鉴定、刑侦鉴定等领域。

傅里叶变换红外光谱仪的工作原理

FTIR光谱仪的核心是迈克尔逊干涉仪。它将光源发出的红外辐射转变成干涉光，通过试样后得到含试样信息的干涉图。电子计算机采集这些干涉图，并经过快速傅立叶变换，得到吸收强度或透光度随频率或波数变化的红外光谱图。

具体来说，FTIR光谱仪主要由以下几个部分组成：

1. 红外光源：通常使用钨丝灯或碘钨灯（近红外）、硅碳棒（中红外）、高压汞灯及氧化钍灯（远红外）等光源产生宽带的红外光。

2. 分束器：分束器是迈克尔逊干涉仪的关键元件，将入射光束分成反射和透射两部分，然后使之复合。如果可动镜使两束光造成一定的光程差，则复合光束即可造成相长或相消干涉。

3. 干涉仪：干涉仪的核心是迈克尔逊干涉仪，包括分束器、动镜和定镜。动镜在移动过程中，采集数据点，形成干涉图。

4. 样品室：样品室用于放置待测样品，样品的光学路径需要尽可能短，以减少光程误差。

5. 检测器：检测器用于检测透过样品的红外吸收信号，并将光信号转换成电信号传送给计算机的采集卡。

6. 计算机数据处理系统：计算机采集检测器检测到的信号，并将信号存储、处理成光谱。通过傅立叶变换，将时间域函数干涉图变换为频率域函数图（普通的红外光谱图）。

红外光谱的生成与解读

红外光谱的生成过程可以概括为以下几个步骤：

1. 光源发出红外光：红外光源产生宽带的红外光，照射到样品上。

2. 干涉图的形成：红外光通过迈克尔逊干涉仪，形成干涉图。干涉图中包含了样品的吸收信息。

3. 信号采集与处理：检测器检测到含有样品信息的红外干涉光的干涉图信号，计算机采集这些信号，并进行快速傅立叶变换。

4. 光谱图的生成：经过傅立叶变换，得到吸收强度或透光度随频率或波数变化的红外光谱图。

红外光谱图的横坐标通常以波数（cm-1）表示，纵坐标可以是透射率（%）或吸光度（A）。吸光度光谱的吸光度值在一定范围内与样品的厚度和样品的浓度成正比关系，因此大都以吸光度表示红外光谱图。

FTIR红外光谱仪的应用

FTIR红外光谱仪在多个领域有着广泛的应用：

1. 医药化工：FTIR可用于药物分子的结构鉴定、杂质分析、反应机理研究等。

2. 地矿：地质样品中的矿物成分可以通过FTIR进行分析，帮助地质学家了解地球的组成和演化。

3. 石油：石油产品的组分分析、炼油过程中的监控等都可以利用FTIR进行。

4. 煤炭：煤炭的灰分、挥发分、硫分等指标可以通过FTIR进行分析，帮助评估煤炭的质量。

5. 环保：环境样品中的污染物，如水体中的有机物、大气中的有害气体等，可以通过FTIR进行检测。

6. 海关：FTIR可用于进出口商品的成分鉴定，防止假冒伪劣产品的流通。

7. 宝石鉴定：宝石的真伪、成分可以通过FTIR进行分析，帮助珠宝商和消费者识别宝石。

8. 刑侦鉴定：犯罪现场留下的微量物证，如毒品、爆炸