红外光谱仪

  红外分为近红外、中红外和远红外区，红外光谱仪跟红外分区一样，也对应有近红外光谱仪、中红外光谱仪和远红外光谱仪。中红外光谱仪是最常见的，应用也最广泛，近红外光谱仪因不伤害原有设备的检测而成一个分析热点，远红外光谱仪可能会在理论和技术发展提升后成为热点。

  FT-IR 傅里叶变换红外光谱仪的缩写，红外的常见光源有硅碳棒和高压汞灯等，从光源发出的红外光，照射到干涉仪，然后对光进行调制，经过干涉以后，光再经过样品，取后聚焦在检测器上，测量到的信号被称为干涉图。

  红外光首先通过一个像放映机的装置，那是光阑。3D动画为了效果，把红外光塑造成红色，其实红外光肉眼是没办法识别的。红外光谱仪不同于紫外，整个光路是处于密封仓里，不但有分子筛除湿，另外有的红外还有气体吹扫装置，总之一点，就为了防潮。

  干涉仪是 FT-IR 光谱仪的心脏。从光源发出的准直光照射到分束器上，一半的光透过，其余被反射。经过光程 L 后光被定镜 M1 反射，反射回来的光再次射到分束器上，这时整个光程为 2L。透过的光射到动镜 M2 上，由于动镜在 L 附近前后移动 Dx 的距离，整个的光程为 2(L + Dx) 。从两个镜子回来的光在分束器复合在一起，两束光的光程差为 2Dx 。这两束光在空间上是相干的，复合时会出现干涉。

  从动画可以看，反射和透射的光复合在一起后，因为光程差的原因，出现相消和相加，所以能看到明暗交替的场景。分束器是红外核心的核心，是由两片溴化钾夹一片金属锗，如果吸潮损坏，红外将面临大修。

  干涉仪将两束光按相应的相位差（根据镜子的位置或光程差）分成两束又复合到一起。如果光程差是波长 λ 的整数倍，两束光是相互增强的干涉，在检测器产生最大的信号。如果是半波长 λ/2 的整数倍，产生相消干涉，检测到最小的信号。以频率表示的强度称为光谱，对是光程差函数的信号进行傅里叶变换能够获得光谱图。

  1、光栅型红外光谱仪：采用光栅进行分光，光谱是通过直接记录连续波长范围光的强度得到的。

  2、傅里叶变换红外光谱仪：采用了干涉仪，首先得到的是干涉波，然后经傅里叶变换后得到红外光谱。相比光栅型红外，FT-IR 光谱仪波数精度高，具有更高的光通量，信噪比也明显高于光栅型红外。

  红外检测器得到的是干涉图，类似十字峰，记录空白十字峰的强度，能判断仪器的性能。干涉波经傅里叶数学变换（FT）后转变成光谱图，这样的一个过程由计算机软件自动完成，并不是特别需要我们人为的计算，我们大家可以简单的了解一下它的变换过程。

  傅里叶变换的基本方程适用于连续信号，如果信号由N个等间隔的离散点组成，一定要使用离散傅里叶变换（DFT）公式： S(k.Δ ) =ΣI(n · Δx) · exp (i2πk · n/N)

  连续变量 x 和 被 n · Dx 和 k · D （代表 n 个离散干涉图数据点和 k 个离散光谱图数据点）替代。事实上离散的函数，只计算了有限范围的 n 个数据点，这就导致了重要的 picket-fence 和 leakage 效应。

  在干涉图后面填加零（填零）能够更好的降低 picket-fence 效应，实际上就是在后期增加每波数的数据点。右边的对比图能够准确的看出，增加填零因子后，谱线、去趾：

  才能满足傅里叶方程，而实际上红外光谱仪测量区间是有限的，采集的数据点也是有限的。不去趾，峰两边就出现振荡，如同脚趾一样，这就是leakage 效应。右边图示就是采用了不同的去趾函数后，红外吸收峰的一个对比 。3、相位校正：

  由于光路和电路上的效应，不同波长的正弦干涉条纹相互之间有稍微的变化，这些相位的移动导致干涉图不对称，在做离散傅里叶变换时，使用相位校正算法对非对称干涉图进行校正。

  分辨率的红外谱图明显优8cm^{-1}的，药典《药品红外光谱集》中推荐原料药测红外，分辨率采用 2cm^{-1}。

  1、首先以空气为背景，或空白样为背景，测量干涉图，然后傅里叶变换后，得到背景单通道光谱图 R(n) 。

  2、再将样品置于光路中，测量样品单通道，经过傅里叶变换，得到样品单通道光谱图 S(n)。 S(n) 看上去同背景光谱相似，但是在样品有吸收的区域强度会减少。

  3、最后将样品光谱扣除背景光谱，从而得到红外透射光谱。T(n) : T(n) = S(n)/R(n)