傅里葉變換紅外光譜（FTIR）分析技術詳解

引言
傅里葉變換紅外光譜（Fourier Transform Infrared Spectroscopy, FTIR）是一種基于物質對紅外光吸收特性進行分子結構與成分分析的關鍵技術。憑借其快速、無損、信息豐富等顯著優勢，FTIR已成為化學、材料科學、制藥、環境監測、生物醫學及食品科學等多個領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鍵或官能團的振動模式，提供物質的“分子指紋”。

一、 基本原理：分子振動與紅外吸收

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

二、 儀器核心構造與工作原理
與傳統色散型紅外光譜儀不同，FTIR的核心革新在于引入了邁克爾遜干涉儀和傅里葉變換數學處理：

1. 光源： 通常使用能斯特燈（Nernst Glower）或硅碳棒（Globar），發射覆蓋中紅外區域的寬波段連續紅外光。
2. 干涉儀（核心部件 - 邁克爾遜型）： 這是FTIR區別于色散型儀器的關鍵。紅外光束被分束器分成兩束：
   • 一束射向固定反射鏡，
   • 另一束射向可移動反射鏡（動鏡）。
     兩束光反射回來再次在分束器匯合發生干涉，形成包含所有頻率信息但表現為強度隨時間（對應動鏡位置）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）。檢測器接收經過樣品吸收后的干涉光信號，將其轉化為電信號（時序域的干涉信號）。
5. 計算機與傅里葉變換： 檢測器輸出的原始信號是強度隨動鏡移動距離（或時間）變化的干涉圖（時域圖）。計算機通過強大的傅里葉變換（FT） 數學運算，將復雜的時域干涉圖信息轉換成我們熟悉的、直觀的頻域圖譜——吸光度（或透射率）隨波數變化的標準紅外光譜圖。

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，紅外光在晶體內部發生全反射時，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、不規則或不透明固體樣品。紅外光照射樣品表面發生漫反射，收集反射光進行分析。
   • 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境噪聲至關重要。
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. 計算光譜： 儀器軟件自動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. 數據處理與分析：
   • 譜圖解析： 根據特征吸收峰的位置（波數）、強度和形狀，識別樣品中存在的官能團（如O-H、C=O、C-H、N-H等）。
   • 譜圖檢索比對： 利用儀器附帶的標準譜庫進行相似性搜索，輔助化合物鑒定。
   • 定量分析： 根據朗伯-比爾定律，特定吸收峰的強度與其對應的物質濃度在一定范圍內成正比關系。可選擇適當的峰（通常特征性強且干擾少）建立校準曲線進行定量。
   • 差譜分析： 將不同樣品的光譜相減，突出差異部分（如老化產物、污染物）。
   • 峰位/峰強/峰形分析： 提供分子結構、構型、氫鍵、結晶度、取向等信息。

四、 主要應用領域

• 化合物鑒定與結構解析： 有機、無機、高分子、藥物分子的官能團分析與結構確認。
• 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、交聯度分析、取向分析。
• 無機材料分析： 礦物鑒定、無機填料分析、表面處理劑識別。
• 制藥行業： 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： 成分分析（蛋白質、脂肪、糖類）、摻假鑒別、品質控制、添加劑檢測。
• 環境監測： 空氣顆粒物（PM）成分分析、水質污染物（如油類）快速篩查、土壤有機質分析。
• 生物醫學研究： 蛋白質二級結構分析、細胞/組織成分研究、疾病標志物探測。
• 法醫檢驗： 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廣泛應用于涂層、薄膜、吸附物、表面改性層分析。

五、 技術優勢與局限

• 顯著優勢：
  • 高信噪比（Fellgett優點）： 動鏡掃描一次即可獲得全光譜信息，顯著優于色散型儀器的逐點掃描。
  • 高波數精度（Connes優點）： 激光參考校準動鏡位置，提供極高的波數精度和重復性。
  • 速度快： 單次掃描通常在幾秒到幾十秒內完成。
  • 靈敏度高（Jacquinot優點）： 干涉儀通光量大。
  • 多功能性： 多種采樣附件適應各類樣品（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： 提供分子結構、官能團、化學環境的詳細信息。
• 主要局限：
  • 水峰干擾： 水（O-H伸縮和彎曲振動）在紅外區有強吸收，對含水樣品分析構成挑戰（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（如HPLC, GC），FTIR的定量精度通常略低，尤其在復雜混合物中峰重疊時。
  • 樣品制備要求： 透射法（如壓片）有時需要較精細的樣品制備。
  • 光譜解析難度： 復雜樣品光譜重疊嚴重，解析需要專業知識和經驗。譜庫匹配有時存在不確定性。
  • 空間分辨率限制： 傳統宏觀FTIR空間分辨率一般在幾十微米量級（顯微鏡附件可提高）。

注意事項與最佳實踐

• 選擇合適的采樣技術： 根據樣品物理狀態和分析深度要求（表面還是體相）明智選擇。
• 保證樣品均勻性： 樣品不均勻會導致光譜失真。
• 嚴格控制樣品厚度： 透射法中樣品過厚會導致吸收過強（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和氛圍下采集。
• 定期維護與校準： 保持儀器清潔（尤其光路），定期進行波數和強度校準（常用聚苯乙烯薄膜）。
• 結合其他技術： 當FTIR提供的信息不足以完全解決問題時，常需結合元素分析、質譜、核磁共振、色譜等進行更全面的表征。

結語
傅里葉變換紅外光譜（FTIR）憑借其獨特的干涉測量原理和強大的數據處理能力，實現了對物質分子振動信息的快速、靈敏、全面采集。其廣泛的應用范圍和相對友好的操作特點，使其成為現代實驗室中解析物質化學組成與分子結構不可或缺的“眼睛”。深入理解其基本原理、熟練掌握樣品制備與數據分析技巧，并清晰認識其優勢與局限性，是有效利用FTIR解決實際科學問題和工業挑戰的關鍵所在。