3.3　傅里葉變換紅外光譜儀

20世紀60年代末發展起來的傅里葉變換紅外光譜儀不再是采用棱鏡和光柵分光，而是采用邁克爾遜（Michelson）干涉儀得到干涉圖，即采用傅里葉變換將以時間為變量的干涉圖轉變為以頻率為變量的光譜圖。目前，基于計算機的發展以及干涉儀的快速、靈敏和高分辨率等優點，傅里葉變換紅外光譜法逐漸成了紅外光譜分析研究中的主流方法。

3.3.1　儀器的工作原理

傅里葉變換紅外光譜儀稱第三代紅外光譜儀，其工作原理與棱鏡和光柵光譜儀的工作原理截然不同。如圖3-7所示是傅里葉變換紅外光譜儀的典型光路系統。在傅里葉變換紅外光譜儀中沒有色散元件，沒有狹縫，是將來自紅外光源的、具有足夠能量的輻射經干涉后照射到樣品上然后到達檢測器。傅里葉變換紅外光譜儀的核心部件是干涉儀。圖3-8是單束光照射邁克爾遜干涉儀時的工作原理，干涉儀是由固定不動的反射鏡M₁（定鏡），可移動的反射鏡M₂（動鏡）以及分光器B組成，M₁和M₂是互相垂直的平面反射鏡。分光器B以45°角置于M₁和M₂之間能將來自光源的光束分成相等的兩部分，一半光束經B后被反射，另一半光束透射通過B。兩束光產生了光程差，當光程差為半波長的偶數倍時，發生相長干涉，產生明線；當光程差為半波長的奇數倍時，發生相消干涉，產生暗線，若光程差既不是半波長的偶數倍，也不是奇數倍，則相干光強度介于前兩種情況之間，在檢測器上記錄的信號將呈余弦變化，每移動四分之一波長的距離，信號則從明到暗周期性地改變一次。

如果是兩種頻率的光一起進入干涉儀，則產生圖3-9（b）的曲線。當很多種頻率的光進入干涉儀后疊加，就產生了極其復雜的干涉圖，它包括了輻射源提供的所有光譜信息，如圖3-9（c）所示。

因此，在實際的傅里葉變換光譜測量中，主要由兩步完成：其一，測量紅外干涉圖，該干涉圖是一種非常復雜的譜，難以解釋。其二，通過計算機對該干涉圖進行快速傅里葉變化計算，從而得到以波長或波數為橫坐標，以透射光強度為縱坐標的紅外光譜圖，故將這種干涉型紅外光譜儀稱為傅里葉變換紅外光譜儀，其工作原理如圖3-10所示。

3.3.2　儀器的主要部件

3.3.2.1　光源

紅外光譜儀中所用的光源有能斯特燈和硅碳棒。隨著科技的發展，一種黑體空腔光源被研制出來，它的輸出能量遠遠高于傳統的紅外光源。

3.3.2.2　邁克爾遜干涉儀

邁克爾遜干涉儀的作用是將光源發出的紅外輻射轉變成干涉光，特點是輸出能量大、分辨率高、波數精度高（它采用激光干涉條紋準確測定光差，故使其測定的波數更為精確）、掃描重現性好。

3.3.2.3　檢測器

檢測器作用是將光信號轉變為電信號，特點是掃描速度快（一般在1s內可完成全譜掃描）、靈敏度高。用于紅外輻射的檢測器可分為兩大類：熱檢測器和量子檢測器。前者是將大量入射光子的累積能量，經過熱效應，轉變成可測的響應值。后者為一種半導體裝置，利用光導效應進行檢測。

3.3.2.4　壓模組件及壓片器

壓模的構造如圖3-11所示，它是由壓桿和壓舌組成。壓舌的直徑為13mm，兩個壓舌的表面光潔度很高，以保證壓出的薄片表面光滑。因此，使用時要注意樣品的粒度、濕度和硬度，以免損傷壓舌表面的光潔度。

將其中一個壓舌放在底座上，光潔面朝上，并裝上壓片套圈，將研磨后的樣品放在這個壓舌上，將另一個壓舌光潔面向下輕輕轉動以保證樣品平面平整，順序放壓片套筒、彈簧和壓桿，置于壓片器（圖3-12）下，加壓至45MPa，持續30s。拆片時，將底座換成取樣器（形狀與底座相似），將上、下壓舌及其中間的樣品片和壓片套圈一起移到取樣器上，再分別裝上壓片套筒及壓桿，稍加壓后即可取出壓好的薄片。

3.3.2.5　樣品池

用能透過紅外光的透光材料（通常用KBr或NaCl）制作樣品池的窗片。傅里葉變換光譜儀的特點：

（1）測量速度快　一次掃描約需1s，而一次掃描中包含了光源發出的所有中紅外光的信息（通常測定樣品的紅外光譜信息多為20次掃描的結果）。它可以跟蹤快速的原位化學反應，可以在線檢測氣相色譜以及液相色譜分離的樣品，實現色譜和紅外光譜的聯用。

（2）分辨率高　相鄰峰之間的分辨能力強，分辨率可以達到波數0.5cm^-1以下。