那么這款紅外光譜儀為什么姓傅？傅里葉紅外到底是如何工作的，為什么會(huì)用到激光？下面和大家進(jìn)行簡單的介紹。

 

說起紅外光譜儀（IR）時(shí)大家很容易聯(lián)想到他的近親紫外可見分光光度計(jì)（UV），UV的原理大家應(yīng)該很熟悉了，通過光柵分光，轉(zhuǎn)動(dòng)光柵將不同波長的光穿過樣品得到樣品吸收譜圖。那么同樣的原理能不能制造紅外分光光度計(jì)呢？確實(shí)是可以的，但是就會(huì)存在很多問題：比起UV波長范圍窄（190~900nm），IR的波長范圍寬，僅中紅外區(qū)域就從2500nm到25000nm，掃描時(shí)間成倍加長，對(duì)于光柵、狹縫等部件的設(shè)計(jì)也會(huì)變得很復(fù)雜，可以說是又貴又不好用。于是就有腦洞大開的工程師獨(dú)辟蹊徑設(shè)計(jì)了傅里葉變換紅外光譜儀，巧妙的解決了上述問題。

 

傅里葉紅外到底奇特在哪里呢？

 

我們先從它的結(jié)構(gòu)說起：

 

一、IR的基本構(gòu)造

 

IR的基本構(gòu)造：干涉儀 激光  紅外光源  激光檢測器  紅外檢測器。

 

干涉儀由動(dòng)鏡、定鏡、分束器構(gòu)成：

 

二、光的干涉

 

光的干涉：同頻率的光相遇的時(shí)候，兩束光的正弦波就會(huì)疊加，形成了干涉現(xiàn)象，兩束光相位不同，疊加的圖也不一樣，下圖是兩個(gè)極端的相位疊加情況：

 

干涉儀的作用：讓紅外光和激光都形成干涉。

 

激光和紅外光源發(fā)出的光都被分束器拆分成兩束光，再經(jīng)過動(dòng)鏡定鏡的反射，兩束光又交匯在一起，而且由于動(dòng)鏡是來回移動(dòng)的，相位一直在變化，定鏡的相位固定不變，這樣就形成了一個(gè)連續(xù)的不同相位差的干涉圖譜。

 

激光和紅外的干涉圖分別被激光檢測器和紅外檢測器記錄得到信號(hào)。激光的波長是單一固定的，這樣激光的干涉信號(hào)就是一個(gè)簡單的正弦波。當(dāng)動(dòng)鏡每移動(dòng)一個(gè)激光波長時(shí)，就形成了一個(gè)波峰和波谷，激光檢測器計(jì)數(shù)這些波峰，就能知道動(dòng)鏡移動(dòng)了多遠(yuǎn)的距離（相位差）。

 

而紅外光就相對(duì)復(fù)雜了，紅外光是由不同頻率的紅外光混在一起的復(fù)合光，前面說過同頻才會(huì)干涉，因此每個(gè)頻率的光各自形成干涉，動(dòng)鏡每移動(dòng)一段距離時(shí)，不同頻率的光又處在不同的干涉相位上，大家波長不一樣，在某一個(gè)相位差時(shí)，有的頻率光處在波峰，有的處在波谷，形成的干涉圖都不一樣，紅外檢測器得到的是這些不同干涉圖相加的信號(hào)。

 

現(xiàn)在動(dòng)鏡每走一步（等于激光的波長），記錄一個(gè)紅外各頻率光干涉的匯總信號(hào)，每走一步記錄一個(gè)匯總信號(hào)，這樣的信號(hào)組連在一起就是干涉圖譜。

 

如何將干涉信號(hào)轉(zhuǎn)化成我們平時(shí)看到的T%透過率譜圖信號(hào)呢？先假設(shè)有N個(gè)頻率光混在一起，我們知道每個(gè)頻率光的強(qiáng)度，也知道當(dāng)前所處的干涉相位差（通過計(jì)算激光的信號(hào)），這時(shí)我們可以對(duì)每個(gè)頻率的光進(jìn)行分別計(jì)算，得到他們的干涉圖，再把這些干涉圖加在一起就能得到匯總信號(hào)，這樣正著去計(jì)算，相信大家都會(huì)。問題是現(xiàn)在我們只知道匯總信號(hào)，能不能倒推出單個(gè)頻率的強(qiáng)度呢？答案是只要有足夠多的匯總信號(hào)是可以倒推出來的！早在幾百年前，有一個(gè)叫傅里葉的大神就為了解熱傳導(dǎo)問題，寫出了大名鼎鼎的傅里葉方程。通過傅里葉方程變換，能夠?qū)崿F(xiàn)上面提到的信號(hào)轉(zhuǎn)換，得到不同頻率紅外光的強(qiáng)度，把這些強(qiáng)度作為Y軸，頻率作為X軸，就得到了能量圖譜：

 

先掃描空白的能量圖譜，再掃描樣品的能量圖譜。樣品能量圖譜除以空白能量圖譜就得到了樣品的透過率圖譜T%。就是我們平時(shí)看到的樣品紅外吸收圖譜：

 

三、特點(diǎn)總結(jié)

 

傅里葉紅外的大概原理就是這樣，大家有沒有被其巧妙的設(shè)計(jì)驚嘆到？下面敲黑板劃重點(diǎn)，關(guān)于傅里葉紅外的特點(diǎn)總結(jié)一下：

 

1、 傅里葉紅外得到的紅外圖譜是通過紅外檢測器讀取不同干涉狀態(tài)下紅外光強(qiáng)度值，在已知激光波長等條件下，計(jì)算機(jī)根據(jù)傅里葉方程計(jì)算出來的，而不是傳統(tǒng)分光光度計(jì)通過光柵分光，逐個(gè)波長進(jìn)行掃描得到的譜圖。

 

2、 激光在IR儀器中起到標(biāo)尺的作用，用來定位動(dòng)鏡移動(dòng)的距離，也就是波數(shù)的計(jì)算，只要激光波長沒有變，算出來的波數(shù)就永遠(yuǎn)是準(zhǔn)的，所以IR儀器對(duì)于激光的要求很高，激光波長單一，頻率穩(wěn)定，大多采用氦-氖激光（632.8nm），比如島津的型號(hào)IR-Affinity-1S和Trace-100，也有部分儀器采用別的激光，比如最新款紅外IRSPIRIT-T就采用了半導(dǎo)體激光。

 

3、 IR圖譜的精確度取決得到的動(dòng)鏡走了多少步，動(dòng)鏡來回?cái)[動(dòng)的越遠(yuǎn)（激光計(jì)數(shù)越多）圖譜分辨率越高。這也是為什么我們用分辨率數(shù)值越小分辨率越高的時(shí)候，掃描時(shí)間越長。

 

4、 我們經(jīng)�？吹侥硞�(gè)紅外圖譜標(biāo)峰結(jié)果是XXXX.XX cm -1，并不是說這個(gè)圖譜的波數(shù)精度達(dá)到0.01cm-1，而是因?yàn)檫@些波數(shù)都是計(jì)算出來的，所以不像紫外一樣是整數(shù)采樣點(diǎn)，以島津IR-Affinity-1S為例，2cm-1分辨率掃描采樣間隔約是0.96cm-1，4cm-1分辨率掃描采樣間隔約是1.93cm-1，就是說前一個(gè)點(diǎn)是426.27 cm-1，而后一個(gè)點(diǎn)不是426.28cm-1，而是428.20 cm-1。也正是因?yàn)檫@個(gè)原因，我們經(jīng)常看到某產(chǎn)品多次掃描的圖譜標(biāo)峰結(jié)果都是426.27 cm-1，連小數(shù)點(diǎn)后兩位都一樣，其實(shí)是因?yàn)橥瑯拥姆椒⊕呙钑r(shí)，采樣間隔都一樣，掃出來要么426.27 cm-1要么428.20 cm-1，不會(huì)出現(xiàn)426.28 cm-1這樣的結(jié)果。