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为什么叫傅立叶变换红外光谱仪(FT-IR)?

发布时间:2021-11-10      点击次数:222
     红外光谱仪已经是珠宝实验室的标配大型仪器之一,大家都不陌生,但我们现在总是会在这个仪器加一个前缀“傅立叶变换”,全称“傅立叶变换红外光谱仪”,或“FT-IR”,这又是为什么?
  红外光谱仪
  红外光谱仪的发展历史
  到目前为止红外光谱仪已发展了三代。第一代是最早使用的棱镜式色散型红外光谱仪,用棱镜作为分光元件,分辨率较低,对温度、湿度敏感,对环境要求苛刻。上世纪六十年代出现了第二代光栅型色散式红外光谱仪,采用先进的光栅刻制和复制技术,提高了仪器的分辨率,拓宽了测量波段,降低了环境要求。然后在上世纪七十年代又发展起来第三代的干涉型红外光谱仪,傅立叶变换红外光谱仪既是干涉型的代表,它具有宽的测量范围、高测量精度、极高的分辨率以及极快的测量速度。
  红外光谱仪基本原理
  红外线和可见光一样都是电磁波,红外光又可依据波长范围分成近红外、中红外和远红外三个波区,其中中红外区(2.5~25μm;4000~400cm-1)能反映分子内部所进行的各种物理过程以及分子结构方面的特征,对解决分子结构和化学组成中的各种问题最为有效,因而中红外区是红外光谱中应用最广的区域。
  红外光谱属于吸收光谱,是由于化合物分子中成键原子振动能级跃迁时吸收特定波长的红外光而产生的,只有引起分子偶极矩变化的振动才能产生红外吸收。红外吸收光谱主要用于结构分析、定性鉴别及定量分析。
  分子中各种对称与不对称的伸缩振动、弯曲振动
  红外图谱中吸收峰与对应的分子振动
  红外光谱研究的大致顺序:
  红外辐射-引起材料的分子振动能级跃迁-产生红外光谱-分析光谱中的官能团-得出分子结构。
  红外光谱在宝石鉴定中的应用
  1.鉴定宝玉石种属
  2.区分钻石的类型
  3.分析宝石中水分子的存在及类型,并以此鉴别某些合成宝石
  4.鉴别人工优化处理宝玉石
  傅立叶变换红外(FT-IR)光谱仪工作过程
  傅立叶变换红外(FT-IR)光谱仪是根据光的相干性原理设计的,因此是一种干涉型光谱仪,它主要由光源,干涉仪,检测器,计算机和记录系统组成。大多数傅立叶变换红外光谱仪使用了迈克尔逊(Michelson)干涉仪,这是光谱仪中的核心部件,而实验测量的原始光谱图是也是光源的干涉图,然后再通过计算机对干涉图进行快速傅立叶变换计算,从而得到以波长或波数为函数的光谱图。
  傅立叶变换红外光谱仪结构
  迈克尔逊(Michelson)干涉仪
  傅立叶是谁?
  让·巴普蒂斯·约瑟夫·傅立叶(BaronJeanBaptisteJosephFourier,1768-1830),男爵,法国数学家、物理学家,1768年3月21日生于欧塞尔,1830年5月16日卒于巴黎。1817年当选为科学院院士,1822年任该院终身秘书,后又任法兰西学院终身秘书和理工科大学校务委员会主席。
  主要贡献是在研究《热的传播》和《热的分析理论》时创立了一套数学理论,即傅立叶级数,对19世纪的数学和物理学的发展都产生了深远影响。而傅里叶变换在物理学、数论、组合数学、信号处理、概率、统计、密码学、声学、光学等领域都有着广泛的应用。
  让·巴普蒂斯·约瑟夫·傅立叶而有关傅立叶级数,傅立叶变换的理论也不详细阐述了,简而言之,它可以把难以看懂的时域谱变换成能看懂的频域谱。
  傅立叶变换红外光谱测量的全过程:光谱仪发射红外线通过宝石,在红外线通过宝石时,会引起宝石中分子的振动,同时分子振动吸取特定的能量(不同波长的红外线),干涉仪测量出原始的干涉图,该图是一种时域谱,它是一种极其复杂的谱,难以解释,最后一步,计算机对该干涉图进行快速傅立叶变换计算,从而得到以波长或波数为函数的频域谱,即红外光谱图,纵坐标为透过率,横坐标为波长λ(μm)或波数(cm-1)。因此,谱图称为傅立叶变换红外光谱,仪器称为傅立叶变换红外光谱仪。
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