傅里葉變換紅外光譜（FTIR）分析技術(shù)詳解

引言
傅里葉變換紅外光譜（Fourier Transform Infrared Spectroscopy, FTIR）是一種基于物質(zhì)對紅外光吸收特性進(jìn)行分子結(jié)構(gòu)與成分分析的關(guān)鍵技術(shù)。憑借其快速、無損、信息豐富等顯著優(yōu)勢，F(xiàn)TIR已成為化學(xué)、材料科學(xué)、制藥、環(huán)境監(jiān)測、生物醫(yī)學(xué)及食品科學(xué)等多個(gè)領(lǐng)域中不可或缺的分析工具。其核心在于識別分子中特定化學(xué)鍵或官能團(tuán)的振動(dòng)模式，提供物質(zhì)的“分子指紋”。

一、 基本原理：分子振動(dòng)與紅外吸收

• 分子振動(dòng)能級： 分子內(nèi)部的原子并非靜止，而是圍繞其平衡位置不停振動(dòng)。這些振動(dòng)具有特定的量子化能級（基態(tài)、激發(fā)態(tài)）。
• 紅外輻射吸收： 當(dāng)特定頻率的紅外光照射樣品時(shí)，若其能量（由頻率或波數(shù)決定）恰好等于分子中某種振動(dòng)模式（如鍵伸縮、彎曲振動(dòng)）的基態(tài)到激發(fā)態(tài)的能量差，該頻率的紅外光就會被分子吸收。吸收的能量導(dǎo)致相應(yīng)化學(xué)鍵振動(dòng)能級的躍遷。
• 偶極矩變化： 發(fā)生紅外吸收的必要條件是該振動(dòng)必須引起分子偶極矩的瞬時(shí)變化。非極性對稱分子（如O?、N?）的紅外吸收很弱或不發(fā)生。
• 光譜圖呈現(xiàn)： 儀器測量的是透射（或反射）光強(qiáng)度隨波數(shù)（cm?¹，通常范圍4000 - 400 cm?¹）變化的圖譜。縱坐標(biāo)常用透射率（%）或吸光度（A），橫坐標(biāo)為波數(shù)。吸收峰的位置、強(qiáng)度和形狀對應(yīng)著特定官能團(tuán)或化學(xué)鍵的存在及其化學(xué)環(huán)境。

二、 儀器核心構(gòu)造與工作原理
與傳統(tǒng)色散型紅外光譜儀不同，F(xiàn)TIR的核心革新在于引入了邁克爾遜干涉儀和傅里葉變換數(shù)學(xué)處理：

1. 光源： 通常使用能斯特?zé)簦∟ernst Glower）或硅碳棒（Globar），發(fā)射覆蓋中紅外區(qū)域的寬波段連續(xù)紅外光。
2. 干涉儀（核心部件 - 邁克爾遜型）： 這是FTIR區(qū)別于色散型儀器的關(guān)鍵。紅外光束被分束器分成兩束：
   • 一束射向固定反射鏡，
   • 另一束射向可移動(dòng)反射鏡（動(dòng)鏡）。
     兩束光反射回來再次在分束器匯合發(fā)生干涉，形成包含所有頻率信息但表現(xiàn)為強(qiáng)度隨時(shí)間（對應(yīng)動(dòng)鏡位置）變化的干涉圖。
3. 樣品室： 干涉后的紅外光聚焦后通過（或照射到）待測樣品。樣品吸收特定頻率的能量。
4. 檢測器： 常用熱電型檢測器（如氘代硫酸三甘肽，DTGS）或靈敏度更高的汞鎘碲檢測器（MCT）。檢測器接收經(jīng)過樣品吸收后的干涉光信號，將其轉(zhuǎn)化為電信號（時(shí)序域的干涉信號）。
5. 計(jì)算機(jī)與傅里葉變換： 檢測器輸出的原始信號是強(qiáng)度隨動(dòng)鏡移動(dòng)距離（或時(shí)間）變化的干涉圖（時(shí)域圖）。計(jì)算機(jī)通過強(qiáng)大的傅里葉變換（FT） 數(shù)學(xué)運(yùn)算，將復(fù)雜的時(shí)域干涉圖信息轉(zhuǎn)換成我們熟悉的、直觀的頻域圖譜——吸光度（或透射率）隨波數(shù)變化的標(biāo)準(zhǔn)紅外光譜圖。

三、 FTIR分析流程

1. 樣品制備： 方法多樣，取決于樣品狀態(tài)和分析目的：
   • 透射法： 固體（KBr壓片、石蠟油研磨糊）、液體（液膜法、溶液池）、氣體（氣體池）。
   • 衰減全反射法（ATR）： 非常適合固體、粘稠液體、薄膜、表面分析。樣品直接與高折射率晶體（如鉆石、鍺、ZnSe）接觸，紅外光在晶體內(nèi)部發(fā)生全反射時(shí)，其倏逝波穿透樣品表面微小深度并被吸收。樣品制備極其簡便（通常只需壓緊）。
   • 漫反射法（DRIFT）： 用于粉末、不規(guī)則或不透明固體樣品。紅外光照射樣品表面發(fā)生漫反射，收集反射光進(jìn)行分析。
   • 鏡面反射法： 用于光滑表面、薄膜、涂層分析。
2. 背景掃描： 在相同條件下（除不含樣品外）采集空白背景（如空光路、干凈的ATR晶體）的光譜。這對于扣除儀器及環(huán)境噪聲至關(guān)重要。
3. 樣品掃描： 將制備好的樣品放入光路，采集樣品的單光束光譜。
4. 計(jì)算光譜： 儀器軟件自動(dòng)將樣品單光束光譜除以背景單光束光譜，得到樣品的最終透射光譜或吸光度光譜。
5. 數(shù)據(jù)處理與分析：
   • 譜圖解析： 根據(jù)特征吸收峰的位置（波數(shù)）、強(qiáng)度和形狀，識別樣品中存在的官能團(tuán)（如O-H、C=O、C-H、N-H等）。
   • 譜圖檢索比對： 利用儀器附帶的標(biāo)準(zhǔn)譜庫進(jìn)行相似性搜索，輔助化合物鑒定。
   • 定量分析： 根據(jù)朗伯-比爾定律，特定吸收峰的強(qiáng)度與其對應(yīng)的物質(zhì)濃度在一定范圍內(nèi)成正比關(guān)系。可選擇適當(dāng)?shù)姆澹ㄍǔＬ卣餍詮?qiáng)且干擾少）建立校準(zhǔn)曲線進(jìn)行定量。
   • 差譜分析： 將不同樣品的光譜相減，突出差異部分（如老化產(chǎn)物、污染物）。
   • 峰位/峰強(qiáng)/峰形分析： 提供分子結(jié)構(gòu)、構(gòu)型、氫鍵、結(jié)晶度、取向等信息。

四、 主要應(yīng)用領(lǐng)域

• 化合物鑒定與結(jié)構(gòu)解析： 有機(jī)、無機(jī)、高分子、藥物分子的官能團(tuán)分析與結(jié)構(gòu)確認(rèn)。
• 高分子材料表征： 聚合物種類鑒別（如PE, PP, PET, PVC）、添加劑分析、共聚物組分分析、氧化/降解研究、交聯(lián)度分析、取向分析。
• 無機(jī)材料分析： 礦物鑒定、無機(jī)填料分析、表面處理劑識別。
• 制藥行業(yè)： 原料藥、輔料、中間體、成品的鑒別；多晶型篩查；藥物溶出度研究；假藥檢測。
• 食品科學(xué)： 成分分析（蛋白質(zhì)、脂肪、糖類）、摻假鑒別、品質(zhì)控制、添加劑檢測。
• 環(huán)境監(jiān)測： 空氣顆粒物（PM）成分分析、水質(zhì)污染物（如油類）快速篩查、土壤有機(jī)質(zhì)分析。
• 生物醫(yī)學(xué)研究： 蛋白質(zhì)二級結(jié)構(gòu)分析、細(xì)胞/組織成分研究、疾病標(biāo)志物探測。
• 法醫(yī)檢驗(yàn)： 纖維、油漆、塑料、藥物殘留等微量物證分析。
• 表面與界面研究： ATR-FTIR廣泛應(yīng)用于涂層、薄膜、吸附物、表面改性層分析。

五、 技術(shù)優(yōu)勢與局限

• 顯著優(yōu)勢：
  • 高信噪比（Fellgett優(yōu)點(diǎn)）： 動(dòng)鏡掃描一次即可獲得全光譜信息，顯著優(yōu)于色散型儀器的逐點(diǎn)掃描。
  • 高波數(shù)精度（Connes優(yōu)點(diǎn)）： 激光參考校準(zhǔn)動(dòng)鏡位置，提供極高的波數(shù)精度和重復(fù)性。
  • 速度快： 單次掃描通常在幾秒到幾十秒內(nèi)完成。
  • 靈敏度高（Jacquinot優(yōu)點(diǎn)）： 干涉儀通光量大。
  • 多功能性： 多種采樣附件適應(yīng)各類樣品（固體、液體、氣體、表面）。
  • 無損/微損： ATR、漫反射等方法尤其適合無損或微損分析。
  • 信息豐富： 提供分子結(jié)構(gòu)、官能團(tuán)、化學(xué)環(huán)境的詳細(xì)信息。
• 主要局限：
  • 水峰干擾： 水（O-H伸縮和彎曲振動(dòng)）在紅外區(qū)有強(qiáng)吸收，對含水樣品分析構(gòu)成挑戰(zhàn)（ATR法影響相對較小）。
  • 非極性分子/對稱分子靈敏度低： 如O?、N?、CCl?、對稱炔烴。
  • 定量精度限制： 相對色譜技術(shù)（如HPLC, GC），F(xiàn)TIR的定量精度通常略低，尤其在復(fù)雜混合物中峰重疊時(shí)。
  • 樣品制備要求： 透射法（如壓片）有時(shí)需要較精細(xì)的樣品制備。
  • 光譜解析難度： 復(fù)雜樣品光譜重疊嚴(yán)重，解析需要專業(yè)知識和經(jīng)驗(yàn)。譜庫匹配有時(shí)存在不確定性。
  • 空間分辨率限制： 傳統(tǒng)宏觀FTIR空間分辨率一般在幾十微米量級（顯微鏡附件可提高）。

注意事項(xiàng)與最佳實(shí)踐

• 選擇合適的采樣技術(shù)： 根據(jù)樣品物理狀態(tài)和分析深度要求（表面還是體相）明智選擇。
• 保證樣品均勻性： 樣品不均勻會導(dǎo)致光譜失真。
• 嚴(yán)格控制樣品厚度： 透射法中樣品過厚會導(dǎo)致吸收過強(qiáng)（峰切頂），過薄則信號弱。
• 確保良好接觸（ATR）： 樣品必須與晶體緊密均勻接觸，壓力適中。
• 背景采集條件一致： 背景和樣品光譜必須在相同儀器參數(shù)和氛圍下采集。
• 定期維護(hù)與校準(zhǔn)： 保持儀器清潔（尤其光路），定期進(jìn)行波數(shù)和強(qiáng)度校準(zhǔn)（常用聚苯乙烯薄膜）。
• 結(jié)合其他技術(shù)： 當(dāng)FTIR提供的信息不足以完全解決問題時(shí)，常需結(jié)合元素分析、質(zhì)譜、核磁共振、色譜等進(jìn)行更全面的表征。

結(jié)語
傅里葉變換紅外光譜（FTIR）憑借其獨(dú)特的干涉測量原理和強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力，實(shí)現(xiàn)了對物質(zhì)分子振動(dòng)信息的快速、靈敏、全面采集。其廣泛的應(yīng)用范圍和相對友好的操作特點(diǎn)，使其成為現(xiàn)代實(shí)驗(yàn)室中解析物質(zhì)化學(xué)組成與分子結(jié)構(gòu)不可或缺的“眼睛”。深入理解其基本原理、熟練掌握樣品制備與數(shù)據(jù)分析技巧，并清晰認(rèn)識其優(yōu)勢與局限性，是有效利用FTIR解決實(shí)際科學(xué)問題和工業(yè)挑戰(zhàn)的關(guān)鍵所在。