迄今为止，最常用的红外光谱仪类型是傅里叶变换红外（FTIR）光谱仪。 它几乎在所有应用中都取代了旧式的色散型仪器，从工业质量控制到学术研究。这种主导地位归功于其在数据采集方面的根本上更优越的方法，该方法在速度、准确性和信号质量方面提供了显著优势。
FTIR 光谱仪占据主导地位的核心原因不仅仅是硬件升级，而是测量范式的转变。FTIR 不是一次测量一个波长，而是同时收集所有波长的数据，然后使用一种数学过程——傅里叶变换——来生成光谱，从而带来速度更快、质量更高的结果。
从色散型到傅里叶变换型：一次技术飞跃
要理解为什么 FTIR 是标准，首先了解它所取代的技术会有所帮助。从色散型仪器到傅里叶变换型仪器的演变标志着化学分析历史上的一个关键时刻。
旧方法：色散光谱仪
较旧的红外光谱仪是色散型的。它们使用棱镜或衍射光栅等组件，将红外光物理地分离成其组成频率。
然后，仪器会旋转这个光栅，在任何给定时刻只允许一小段频率通过狭缝和样品到达检测器。为了生成完整的频谱，它必须一次只扫描整个频率范围。这个过程非常缓慢且效率低下。
新标准：傅里叶变换光谱仪
FTIR 光谱仪的工作原理完全不同。它将包含所有频率的整个红外辐射束一次性导过样品。这种“魔力”发生在一个称为干涉仪的组件内部。
这种收集所有数据方式的根本性改变，赋予了 FTIR 其决定性的优势。
FTIR 光谱仪的实际工作原理
FTIR 的核心是迈克尔逊干涉仪。理解其功能是理解该技术能力的关键。
核心组件：干涉仪
干涉仪将一束光分成两束，将它们沿着不同的路径发送，然后将它们重新组合。在 FTIR 中，分束器将大约一半的光发送到一个固定反射镜，另一半发送到一个移动反射镜。
这两束光分别从它们的反射镜反射回来，并在分束器处重新组合。由于一个反射镜的路径长度在变化，这两束光会相互发生建设性干涉（产生强信号）或破坏性干涉（相互抵消）。
捕获干涉图
随着移动反射镜的移动，检测器记录一个复杂的信号，显示强度与反射镜位置的关系。这个信号被称为干涉图，它不是一个光谱。相反，它是一个包含所有光谱信息的复合波形。
在两条路径长度完全相同时（零光程差或 ZPD），所有频率都处于同相状态，信号达到最大值。随着反射镜的移动，不同的频率会进入和离开同相状态，从而产生独特的干涉图。
傅里叶变换的力量
然后，使用计算机和称为傅里叶变换的数学算法，将干涉图（一个在距离或“时间”域中的信号）转换为熟悉的频谱（强度与波数的关系，即频率域）。
这个过程在数字上“解开”了编码的干涉图，计算出穿过样品的所有单个频率光的强度。
FTIR 的决定性优势
转向 FTIR 方法比旧的色散技术提供了三个公认的、变革性的好处。
费尔盖特优势（多路复用优势）
这是最显著的好处。由于 FTIR 是同时测量所有频率而不是逐个扫描它们，它可以在几秒钟内获取完整的频谱。色散仪器可能需要几分钟才能完成相同的任务。这种速度允许进行信号平均，即收集多个扫描并取平均值，从而极大地提高了信噪比。
雅奎诺优势（通量优势）
色散仪器需要狭窄的狭缝，以确保只有一小部分频率到达检测器，这严重限制了通过仪器的光（能量）量。FTIR 没有这样的狭缝，允许更高的光通量。这带来了更清晰、更强的信号和更好的整体灵敏度。
康内斯优势（波长准确性优势）
FTIR 中移动反射镜的位置由精确的氦氖（HeNe）激光器连续监测。这种内部激光校准确保了光谱的频率轴在每次扫描和不同仪器之间都极其准确和可重复。这使得 FTIR 光谱高度可靠，非常适合与光谱库一起使用。
理解权衡
尽管 FTIR 占据主导地位，但了解其作为分析工具的背景和局限性至关重要。
更高的复杂性
精密移动光学元件（干涉仪）与傅里叶变换的计算需求相结合，使得 FTIR 本质上比简单的光度仪器更复杂。然而，现代工程已使其在日常使用中异常坚固和可靠。
对环境的敏感性
由于干涉仪依赖于以光波长分数计量的光程，它可能对物理振动敏感。现代仪器集成了复杂的阻尼系统，但稳定的实验台仍然是必需的。
不适用于某些样品
主要限制通常与红外光谱技术本身有关，而不仅仅是 FTIR 仪器。该技术在分析水溶液中的样品时效果不佳，因为水是非常强的红外吸收剂，其宽泛的信号会压倒分析物的信号。同样，它无法检测单个原子（如惰性气体）或同核双原子分子（如 N₂ 或 O₂），因为它们在振动过程中没有偶极矩的变化。
根据您的目标做出正确的选择
FTIR 的主导地位是其卓越性能的直接结果。在考虑红外光谱时，选择的关键不在于是否应该使用 FTIR，而在于如何使用它。
- 如果您的主要重点是常规化学鉴定或质量控制： 由于其速度、可靠性以及与庞大的商业光谱库进行比较的能力，FTIR 是您的主力工具。
- 如果您的主要重点是定量分析： FTIR 的高信噪比和可重复性使其成为准确测量混合物中组分浓度的绝佳工具。
- 如果您的主要重点是研究化学反应或瞬态： FTIR 的快速扫描能力对于在几秒钟甚至几毫秒的时间尺度上捕获光谱变化至关重要。
- 如果您的主要重点是教授现代分析化学： 一台坚固、用户友好的 FTIR 是行业标准，也是为学生未来的职业生涯做准备的正确工具。
最终，理解 FTIR 光谱仪背后的原理，将使您能够针对您的特定应用充分利用其分析能力。
总结表：
| 特性 | 色散光谱仪 | FTIR 光谱仪 |
|---|---|---|
| 速度 | 慢（每次扫描数分钟） | 快（每次扫描数秒） |
| 信号质量 | 较低的信噪比 | 高信噪比（费尔盖特优势） |
| 光通量 | 受狭缝限制 | 高（雅奎诺优势） |
| 波长准确性 | 较低 | 高（康内斯优势） |
| 现代应用 | 基本被取代 | 行业标准 |
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