一、从色散型到傅立叶变换：红外光谱仪的技术演进

红外光谱仪通过检测物质在中红外波段（约4000–400 cm⁻¹，对应波长2.5–25μm）对特定波长红外光的吸收，获取与分子振动和转动能级跃迁相关的信息，几乎可以表征所有具有红外活性的分子，被称为分子的“指纹图谱”工具。传统色散型红外分光光度计通过光栅或棱镜分光，逐步扫描得到光谱，其光程受到狭缝限制、光能利用率低、扫描速度慢，难以满足现代高通量、高精度分析需求。傅立叶变换红外光谱仪（FTIR）采用迈克尔逊干涉仪等干涉系统，一次扫描即可获得全波段干涉图，再经快速傅立叶变换（FFT）转换为光谱，在信噪比、分辨率、扫描速度、波数精度等方面全面优于色散型，被称为第三代红外光谱仪。

二、核心原理：干涉图与傅立叶变换

FTIR的核心是将干涉仪记录的“时间域”或“空间域”干涉图，通过数学上的傅立叶变换转换到“频率域”（波数域）光谱：

光源：根据不同波段，常用钨丝灯/碘钨灯（近红外）、硅碳棒（中红外）、高压汞灯等，提供稳定红外辐射。

干涉仪：通常为迈克尔逊干涉仪，光经分束器分为两束，分别反射自动镜与定镜后重新叠加，形成光程差可控的干涉光束，干涉图中包含所有波长的强度和相位信息。

样品室：根据样品形态（固体压片、薄膜、液体池、气体池）设计，可配ATR（衰减全反射）附件，实现无损或微量样品测试。

检测器：常见热释电、DTGS、MCT检测器等，将干涉光强变化转为电信号，前置放大后送入数据处理系统。

数据系统：控制干涉仪动镜运动和光源，采集干涉图，经A/D转换和FFT计算得到以波数（cm⁻¹）为横坐标、透射率或吸光度为纵坐标的标准红外光谱。

与传统逐点扫描相比，FTIR在一次完整干涉图采集后即可重构全谱，通常只需1–数秒，显著提高分析速度，更利于不稳定样品及联机分析。

三、关键技术指标与性能优势

典型科研级FTIR的关键性能包括：

波数范围：覆盖中红外4000–400 cm⁻¹，部分仪器可扩展至近/远红外。

分辨率：设备可达0.1–0.005 cm⁻¹，远高于色散型（约0.2–3 cm⁻¹），适合解析精细谱带结构。

波数精度与重复性：优于0.01 cm⁻¹，有利于谱库比对与定量分析。

信噪比：干涉仪无狭缝限制，光通量高，配合多次累加，可实现灵敏度，部分仪器检测限可达10⁻⁹–10⁻¹²g。

扫描速度：一次全谱1–数秒，适合动力学反应在线监测、与GC/FTIR或LC/FTIR联用。

四、典型应用场景

有机与高分子化学

通过官能团吸收峰位（C=O、O–H、N–H、C–H、C≡N等），可以快速判断化合物的结构类型，鉴定原料与中间体，监测聚合反应进程；对于聚合物，可解析结晶度、链取向和老化特征。

制药与生命科学

用于原料药（API）的晶型、盐型、溶剂化物鉴别，配方中辅料与主药相互作用研究，以及药物多晶型定量分析；在生物领域，可用于蛋白质二级结构（α-螺旋、β-折叠）研究及药物–蛋白结合等。

环境与食品安全

监测水体、土壤、大气中的有机污染物（如油类、溶剂残留、农药），快速筛查食品中的掺假、非法添加、油脂品质等。

材料与工业过程

无机矿物、矿物填料、塑料、橡胶、涂料的成分鉴定与质量控制；在线FTIR可实时监测反应釜中中间体浓度，实现过程分析与质量控制（PAT）。

五、样品制备与测量技术

传统透射法：KBr压片、薄膜、液体池等，适合实验室定量与标准谱图建立。

ATR附件：钻石或ZnSe晶体表面进行衰减全反射测量，样品无需特殊制备，特别适合液体、膏体和粉末，极大提升了测试效率和重现性。

气体池与高温附件：用于烟气分析、催化剂反应过程的原位监测等。

六、定性、定量与chemometrics

定性：通过与标准谱库（如商用谱库、自建库）比对峰位、峰形与相对强度，实现物质“指纹”匹配，是鉴定未知物的手段之一。

定量：在特定吸收峰处采用朗伯–比尔定律，结合基线校正与多元校正方法，可准确计算组分含量，适合混合物多组分同时定量。

化学计量学：主成分分析（PCA）、偏最小二乘（PLS）等方法，可从复杂光谱中提取有效信息，用于分类判别、质量控制建模等。

七、未来发展趋势

智能化与自动化：自动采样、自动识别样品、内置方法包与AI辅助解析，降低对操作人员经验的要求。

小型化与现场化：便携/手持FTIR不断涌现，用于现场原料识别、环境应急检测、食品现场筛查等。

多维联用：与TGA-GC、显微镜、成像系统结合，实现空间分布与热行为与结构信息的一体化获取。

八、选型与使用要点

根据应用选择分辨率、波数范围与探测器类型（如需要高灵敏度可选MCT）。

考虑样品形态与测试频率，评估是否需ATR、高温/低温附件或气体池。

注意环境控制：温湿度、振动会影响干涉仪稳定度，定期进行波数与透射率校准，使用标准聚苯乙烯薄膜进行验证。

总之，傅立叶红外光谱仪以干涉+傅立叶变换为核心，将红外光谱法推向了高速度、高灵敏度、高精度的新高度，是有机合成、药物研发、材料科学和环境监测等领域的通用分析工具。