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，為什么會用到激光？下面和大家進行簡單的介紹。

 

說起紅外光譜儀（IR）時大家很容易聯想到他的近親紫外可見分光光度計（UV），UV的原理大家應該很熟悉了，通過光柵分光，轉動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呢？確實是可以的，但是就會存在很多問題：比起UV波長范圍窄（190~900nm），IR的波長范圍寬，僅中紅外區域就從2500nm到25000nm，掃描時間成倍加長，對于光柵、狹縫等部件的設計也會變得很復雜，可以說是又貴又不好用。于是就有腦洞大開的工程師獨辟蹊徑設計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？

 

我們先從它的結構說起：

 

一、IR的基本構造

 

IR的基本構造：干涉儀 激光  紅外光源  激光檢測器  紅外檢測器。

 

干涉儀由動鏡、定鏡、分束器構成：

 

二、光的干涉

 

光的干涉：同頻率的光相遇的時候，兩束光的正弦波就會疊加，形成了干涉現象，兩束光相位不同，疊加的圖也不一樣，下圖是兩個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。

 

激光和紅外光源發出的光都被分束器拆分成兩束光，再經過動鏡定鏡的反射，兩束光又交匯在一起，而且由于動鏡是來回移動的，相位一直在變化，定鏡的相位固定不變，這樣就形成了一個連續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。激光的波長是單一固定的，這樣激光的干涉信號就是一個簡單的正弦波。當動鏡每移動一個激光波長時，就形成了一個波峰和波谷，激光檢測器計數這些波峰，就能知道動鏡移動了多遠的距離（相位差）。

 

而紅外光就相對復雜了，紅外光是由不同頻率的紅外光混在一起的復合光，前面說過同頻才會干涉，因此每個頻率的光各自形成干涉，動鏡每移動一段距離時，不同頻率的光又處在不同的干涉相位上，大家波長不一樣，在某一個相位差時，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。

 

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

 

如何將干涉信號轉化成我們平時看到的T%透過率譜圖信號呢？先假設有N個頻率光混在一起，我們知道每個頻率光的強度，也知道當前所處的干涉相位差（通過計算激光的信號），這時我們可以對每個頻率的光進行分別計算，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，這樣正著去計算，相信大家都會。問題是現在我們只知道匯總信號，能不能倒推出單個頻率的強度呢？答案是只要有足夠多的匯總信號是可以倒推出來的！早在幾百年前，有一個叫傅里葉的大神就為了解熱傳導問題，寫出了大名鼎鼎的傅里葉方程。通過傅里葉方程變換，能夠實現上面提到的信號轉換，得到不同頻率紅外光的強度，把這些強度作為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%。就是我們平時看到的樣品紅外吸收圖譜：

 

三、特點總結

 

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計驚嘆到？下面敲黑板劃重點，關于傅里葉紅外的特點總結一下：

 

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下紅外光強度值，在已知激光波長等條件下，計算機根據傅里葉方程計算出來的，而不是傳統分光光度計通過光柵分光，逐個波長進行掃描得到的譜圖。

 

2、 激光在IR儀器中起到標尺的作用，用來定位動鏡移動的距離，也就是波數的計算，只要激光波長沒有變，算出來的波數就永遠是準的，所以IR儀器對于激光的要求很高，激光波長單一，頻率穩定，大多采用氦-氖激光（632.8nm），比如島津的型號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就采用了半導體激光。

 

3、 IR圖譜的精確度取決得到的動鏡走了多少步，動鏡來回擺動的越遠（激光計數越多）圖譜分辨率越高。這也是為什么我們用分辨率數值越小分辨率越高的時候，掃描時間越長。

 

4、 我們經常看到某個紅外圖譜標峰結果是XXXX.XX cm -1，并不是說這個圖譜的波數精度達到0.01cm-1，而是因為這些波數都是計算出來的，所以不像紫外一樣是整數采樣點，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，就是說前一個點是426.27 cm-1，而后一個點不是426.28cm-1，而是428.20 cm-1。也正是因為這個原因，我們經常看到某產品多次掃描的圖譜標峰結果都是426.27 cm-1，連小數點后兩位都一樣，其實是因為同樣的方法掃描時，采樣間隔都一樣，掃出來要么426.27 cm-1要么428.20 cm-1，不會出現426.28 cm-1這樣的結果。