红外光谱仪的发展，根据单色器种类的不同，大体分为3个阶段。第一代仪器用棱镜作为单色器，这类仪器因岩盐棱镜易吸潮损坏及分辨率低等缺点，已被淘汰。第二代仪器用光栅作为单色器，这类仪器的分辨率超过棱镜型仪器，对安装环境要求不高且价格相对便宜，但扫描速度慢且分辨率和灵敏度有限，目前也已很少应用。这两代仪器均为色散型红外光谱仪。第三代仪器为傅里叶变换红外光谱仪(FTIR)，其光学系统的核心部件为迈克尔逊(Michelson)干涉仪，这类仪器分辨率高、波数精度高、灵敏度高、扫描速度快、光谱范围宽，且具有多种智能处理能力，已成为药品检验检测和药物研究分析中最常用的红外光谱仪。因此，本节就重点介绍FTIR的工作原理、结构组成和光谱联用等一些基本知识。

一、工作原理

FTIR的工作原理如图19-3所示，由红外光源R发出的红外光经准直系统变为一束平行光束后进入干涉仪系统，经干涉仪调制后得到一束干涉光。干涉光通过样品S后，获得含有光谱信息的干涉光到达检测器D，由检测器将于涉光信号变为电信号。此处的干涉信号是一时间函数，即是由干涉信号绘出的干涉图，其横坐标是动镜移动时间或动镜移动距离，这种含有光谱信息的时域干涉图难以进行光谱解析。将它通过模/数转换器(A/D)送入计算机，由计算机进行傅里叶变换的快速计算，即获得以波数为横坐标的红外光谱图，然后再通过数/模转换器(D/A)送入绘图仪，便得到我们熟悉的红外光谱图。

二、结构组成

FTIR由光源、单色器、样品室、检测器和计算机系统组成。

图19-3 FTIR工作原理示意图
R：红外光源；M₁：定镜；M₂：动镜；BS：分束器；S：样品；D：检测器；
A：放大器；F：滤光器；A/D：模数转换器；D/A：数模转换器

1．光源中红外光源既要能够提供较高的辐射能量，又要具有足够的使用寿命。因此，常用的中红外光源为加热时产生辐射的稳定固体，如能斯特(Nernst)灯、硅碳棒或炽热镍铬丝圈。能斯特灯是由粉末状氧化锆(ZrO₂)、氧化钍(ThO₂),氧化钇(Y₂O₃)等稀上元素氧化物的混合物加压成形，并在高温下烧制而成的空心或实心圆柱体，两端绕以铂丝导线，有很大的电阻负温度系数，因此要先从外部加热，通电之后则需控制电流强度，以免灯过热烧坏，使用寿命约2000小时。硅碳棒是由一定筛目的硅碳砂压制而成中间细、两端粗的实心棒，高温煅烧做成，两端绕以金属导线通电，长度一般为50mm，直径为5mm，具有电阻正温度系数，电触点需要水冷以防放电，通常在高分辨仪器中可见。白炽线圈一般由镍铬丝或铑丝做成，辐射能量略低于前两种光源。此外，空气冷却的陶瓷光源也在部分红外光谱仪中可以见到。

2．单色器FTIR的单色器是迈克尔逊干涉仪，是FTIR的核心部件。如图19-4所示，迈克尔逊干涉仪由定镜M₁、动镜M₂和分束器BS所组成。M₁和M₂相互垂直放置，M₁固定不动，M₂可沿图示方向平行移动，在M1和M2之间放置一个呈45^o角的分束器BS(中红外的分束器由半导体锗和单晶溴化钾组成，KBr-Ge),BS可让入射的红外光50％透过、其余50％反射。由光源S发出的光进入干涉仪后，透过BS的一半光束I要入射到M₂表面，另一半光束II被BS反射到定镜表面，光束I和II又被M2和M1反射回到分束器上。同样的原理，又被反射和透射到检测器上，可形成相干光。由于定镜的位置是固定的，而动镜的位置是变化的，因此可改变两束光的光程差。当光程差是波长的整数倍时，为相长干涉，亮度最大；当光程差是半波长的奇数倍时，为相消干涉，亮度最小。因此，当M2以匀速向BS移动时，即连续改变两光束的光程差，可得到干涉图。

3.样品室从干涉仪出来的干涉光透光样品后到达检测器。一般情况下，不同厂家的红外光谱仪的样品室的放置样品处都有一个标准插口，可以插入2mm厚度、76mm×50mm的长方形插板，但可根据标准插口制作各种样品支架，以满足不同样品制备方法的需要。为减少水蒸气对样品测定时的干扰和保护仪器元件，应在样品室内放置硅胶或分子筛等干燥剂，以保持样品室的干燥。

4．检测器红外光谱仪的检测器主要分为热检测器和量子检测器两大类。

(1)热检测器：物质吸收辐射后温度升高，可能伴随以电动势、电阻、体积等物理量的变化，通过这些变化的物理量可以测得检测单元温度的改变，从而得知照射其上光束的强度。

图19-4 迈克尔逊干涉仪工作原理示意图

傅里叶变换红外光谱仪在中红外区所使用的是热电测辐射热计检测器(pyroelectric bolometer)，如硫酸三甘氨酸酯(TGS)、氘代硫酸三甘氨酸酯(DTGS) ,L-丙氨酸掺杂氘代硫酸三甘氨酸酯(DLATGS)和钽酸锂(LiTaO₃)等，其中DTGS应用最为普遍。DTGS对水非常敏感，所以检测器中的DTGS元件前面要加上溴化钾等材料制成的窗片进行密封。

(2)量子检测器：半导体材料的价带(电子占据轨道)和导带(空轨道)之间有一定的能级间隔，当照射在半导体上的光子具有的能量超过这一能级间隔时，可以将价带上的电子激发到导带上，使价带和导带中都产生载流子，宏观表现为半导体电阻的降低；照射在半导体上的光子数量越多，被激发的价带电子也就越多，半导体的电阻下降也就越多。所以，使用半导体材料制成量子检测器，可以对光信号强度进行检测。半导体材料的成分不同，所能够检测的光波长范围也不同。中红外区最常用的量子检测器是由碲化镉和碲化汞所组成的混合物(mercury cadmium telluride, Hg1-x Cdx Te, MCT)，两者混合的比例不同，可以检测的波长范围也不同。现在的MCT检测器一般分为宽带(10000～400cm^-1)、中带(10000～600cm^-1)和窄带(10000～750cm^-1)3种，可以检测到的低波数端越低，价带和导带的能级间隔就越窄，因随机热扰动和漏电流产生的噪声就越大，检测灵敏度越低。为了降低前述噪声，MCT检测器需要用液氮进行冷却。与DTGS检测器相比，MCT检测器具有灵敏度高、响应速度快等优点，但是信号的线性响应范围小，不适合于定量分析。

选择何种检测器，不仅要考虑其灵敏度、信噪比，同时还要考虑其响应范围是否符合检测需要。

5．计算机系统使用计算机进行傅里叶转换计算，将带有光谱信号的时域干涉图转换成以波数为横坐标的红外光谱图。

相关链接：红外光谱的基础知识（二）

文章来源：《实用化学药品检验检测技术指南》

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