傅里葉變換紅外光譜儀如何“聽(tīng)”見(jiàn)分子的聲音？

　　在分析化學(xué)與材料科學(xué)領(lǐng)域，有一種強(qiáng)大的工具能幫助我們“解碼”物質(zhì)的分子結(jié)構(gòu)信息，傅里葉變換紅外光譜儀就是基于干涉調(diào)頻原理的光譜設(shè)備。其核心工作過(guò)程，可以形象地理解為先為復(fù)雜的紅外光“錄制”一段干涉“聲音”，再通過(guò)數(shù)學(xué)變換將其“翻譯”成我們可讀的光譜圖。
 

　　它的基本工作原理獨(dú)樹(shù)一幟，與傳統(tǒng)色散型儀器截然不同。其核心是一個(gè)稱為邁克爾遜干涉儀的光學(xué)系統(tǒng)。工作時(shí)，光源發(fā)出的寬帶紅外光被分束器分為兩束：一束射向固定鏡，另一束射向可精密移動(dòng)的動(dòng)鏡。兩束光分別被反射回來(lái)，在分束器處重新匯合，發(fā)生干涉。由于動(dòng)鏡的勻速運(yùn)動(dòng)，兩束光的光程差持續(xù)變化，探測(cè)器接收到的便是一個(gè)強(qiáng)度隨光程差變化的信號(hào)，即包含所有入射紅外光頻率信息的干涉圖。這就像錄制了一段包含所有音符混合的“交響曲”。綜合來(lái)看，這個(gè)干涉圖信號(hào)被送入計(jì)算機(jī)，通過(guò)快速傅里葉變換(FFT)這一數(shù)學(xué)算法，將時(shí)域干涉圖轉(zhuǎn)換為我們熟悉的頻域光譜圖——即強(qiáng)度隨波數(shù)(或波長(zhǎng))變化的圖譜，從而清晰地展現(xiàn)出樣品對(duì)不同頻率紅外光的吸收特征，揭示其分子“指紋”。
 

　　傅里葉變換紅外光譜儀賦予了該技術(shù)一系列較為明顯優(yōu)點(diǎn)。通常，它具有較高的信噪比和測(cè)量速度。得益于其“多路傳輸”特性，在一次掃描中就能獲取所有頻率的信息，且光通量大，使得它在短短一兩秒內(nèi)便能完成一次高質(zhì)量掃描，非常適合快速檢測(cè)與動(dòng)態(tài)過(guò)程研究。此外，分辨率高且精度良好。其光譜分辨率主要取決于動(dòng)鏡的移動(dòng)距離，理論上可以實(shí)現(xiàn)很高的分辨率，并且由于使用激光進(jìn)行較為準(zhǔn)確的波長(zhǎng)定標(biāo)，波數(shù)精度非常可靠。再次，光譜范圍寬。通過(guò)更換光源、分束器和探測(cè)器，可以方便地覆蓋從遠(yuǎn)紅外到近紅外的廣闊光譜區(qū)域。綜合來(lái)看，穩(wěn)定性與可靠性強(qiáng)。內(nèi)部結(jié)構(gòu)堅(jiān)固，不易受環(huán)境雜散光影響，長(zhǎng)期穩(wěn)定性好。
 

　　這種通過(guò)干涉測(cè)量和傅里葉變換獲取紅外光譜的技術(shù)，以其高速、高信噪比、高分辨率及高精度等核心優(yōu)勢(shì)，已成為現(xiàn)代實(shí)驗(yàn)室較為重要的分析利器，在化學(xué)鑒定、材料分析、環(huán)境監(jiān)測(cè)乃至生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域發(fā)揮著至關(guān)重要的作用，持續(xù)推動(dòng)著科學(xué)研究的進(jìn)步。