傅立叶变换红外光谱仪

　　傅立叶变换红外光谱仪(Fourier Transform In-frared Spectrometer,FT-IR)是20世纪70年代问世的。它是基于光相干性原理而设计的干涉型红外分光光度计,不同于依据光的折射和衍射而设计的色散型红外分光光度计,被称为第三代红外光谱仪。

　　1　傅立叶变换红外光谱仪的构成

　　傅立叶变换红外光谱仪是由红外光源(硅碳棒和高压汞灯)、干涉仪(迈克尔逊干涉仪)、样品室、检测器、电子计算机和记录仪等部件构成,如图一:

　　2　工作原理

　　傅立叶变换红外光谱仪与色散型红外分光光度计的区别,主要在干涉仪和电子计算机部分,目前所用的干涉仪大多数都是迈克尔逊(Michelson)干涉仪,它将光源来的信号以干涉图的形式送往计算机进行Fourier变换的数学处理,最后将干涉图还原成光谱图。图二是干涉仪的示意图。迈克尔逊干涉仪主要由光源、固定反射镜、移动反射镜、分束器和检测器组成。图中M1和M2为两块相互垂直的平面镜,M1固定不动,M2则可沿图示方向作微小的移动,称为动镜。在M1和M2之间放置一呈45°角的半透膜分束器BS(BeamSplitter)它能将光源L来的光(波长为λ)分为相等两部分,光束I和光束II。检测器可以是TGS(硫酸三甘肽)或MCT(汞镉碲)。光束I穿过BS被动镜M2反射,沿原路回到BS并被反射到达检测器D;光束II则反射到固定镜M1,再由M1沿原路反射回来通过BS到达检测器D。这样,在检测器D上所得到的是I和II光的相干光。开始时,由于M1和M2与BS的距离相等,I光和II光到达检测器时位相相同,发生相长干涉,亮度最大。当动镜M2移动λ/4时,则I光的光程变化为λ/2,在检测器上两束光的位相差为180°,则发生相消干涉,亮度最小。当两光束的光程差为半波长λ/2的奇数倍时,都会发生这种相消干涉。同样,当两光束的光程差为半波长λ/2的偶数倍时,则都将发生相长干涉。而部分相消干涉则发生在上述两种位移之间。如果反射镜M2连续移动,在检测器D上将得到一个强度为余弦变化的讯号。如光源为单色光,则其数学表达式可用下式表示。

　　上式就是傅立叶变换光谱学的基本方程,由它记录干涉图并作出傅立叶余弦变换,就可得到任何波数的光强。但这一变换处理工作是非常复杂和麻烦的,必须由电子计算机来完成。这就是傅立叶变换红外仪,只有在电子计算机出现和发展以后,才可能投入实际使用的缘由。图三是光谱和干涉图的关系示意图。(a)和(b)分别是单色光的红外光谱及其干涉图;(c)和(d)分别是光源L的红外光谱(叠加有大气吸收峰)。

　　分别插入待测样品S和参考样品R时,(通常插在BS和D之间)可得BS(ν)和BR(ν)。样品相对于参考的透过率谱T(ν)(即红外吸收光谱)为: