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揭開FTIR的神秘面紗 (上)：傅立葉紅外光譜學簡介
- 发布日期：2025-01-04 18:57 点击次数：185 傅立葉式紅外光譜儀（Fourier Transform Infrared Spectrometer, FTIR）是一種在分析儀器領域廣泛應用的工具，適用於研究固體、液體和氣體樣品分析，主要透過觀察分子對紅外光的吸收特性，可以獲得關於分子結構、功能基團和化學環境的重要訊息。該儀器基於傅立葉轉換原理，能夠將物質吸收、散射或穿透的紅外光信號轉換為能量和頻率之間的關係圖譜。 紅外光譜的本質在於物質分子內部的振動和轉動模式。每個官能團都有其特定的振動頻率和能量，這些特徵能夠在光譜圖上被量化並解釋。透過觀察紅外光譜中的吸收峰，可以識別和鑒定分子中存在的不同官能團，進而確定其化學結構和組成。相較於傳統的分散式光譜儀 (Dispersive Spectrometer)，傅立葉式紅外光譜儀具有多項優勢。首先，它能夠提供高分辨率的光譜，使得可以檢測到微弱的紅外特徵。其次，傅立葉轉換技術使得測量速度更快，同時具有較高的光譜積分度，進一步提高了測量的準確性和靈敏度。此外，傅立葉式紅外光譜儀還具有可調的解析度，可以根據不同應用需求調整解析度的選擇。 由於其優越的性能和廣泛的應用性，透過傅立葉式紅外光譜技術，可以獲得關於化學結構、物質組成和相互作用的重要信息，為材料科學、藥物研發、環境監測等領域的研究提供有力的工具和支持。 FTIR 光譜學的歷史 早期的紅外光譜儀起源於20世紀40年代中期，當時主要應用於有機化合物的研究和開發工作。直到1954年，日本應用光學研究所（JASCO的前身）成功製造了第一台紅外光譜儀。圖一為JASCO IR-G色散紅外光譜儀的光學設置。 圖一、色散紅外光譜儀的光學設置，JASCO IR-G （1966）。 隨著時間的推移，紅外光譜儀經歷了許多技術改進，在20世紀70年代出現了第一台商用的傅立葉轉換紅外光譜儀（FTIR）。在FTIR光譜儀中，透過追蹤移動鏡的位置和相位差干涉的原理，生成光譜訊號的時域表示，然後利用快速傅立葉轉換（FFT）將信號從時域轉換到頻域。隨著電腦性能的提升和體積的縮小，商用光譜儀的發展速度不斷加快。到了20世紀80年代，傳統的分散式紅外光譜儀逐漸被更理想的干涉儀型光譜儀所取代。1982年，JASCO推出了第一台商用的FTIR光譜儀。 現今傅立葉式紅外光譜儀有幾個主要優點，首先是Fellgett的優勢，能夠同時獲取整個光譜範圍的信息，從而大大減少測量所需的時間。第二是Jaquinot的優勢，由於使用的光學元件較少且無需狹縫，具有較高的光通量。最後是Conne的優勢，FTIR光譜儀具有比傳統的分散式光譜儀更高的分辨率，這使得光譜扣除、濃度曲線和庫搜索等功能得以實現。另外，需要注意的是，在使用傅立葉式紅外光譜儀時，一些分散式光譜儀中的功能，例如固定波長測量和雙光束光學配置，是無法於FTIR光譜儀中使用。 FTIR 光譜原理 電磁波譜由不同區域組成，對應不同的能量 (E)、頻率 (ѵ) 和波長 (λ) 範圍，其關係公式如圖二所示，其中波長倒數定義為波數，單位為 cm-1 。各區段主要分為X射線、紫外光、可見光、紅外光與無線微電波，而FTIR主要工作區段在紅外光範圍，細分為近紅外、中紅外和遠紅外光。 圖二、電磁頻譜圖。 紅外光子透過吸收激發分子的過程，是紅外光譜學中的重要現象。當分子與紅外光交互作用時，其能量能夠匹配並吸收光子的能量，使得分子處於一個較高的能態 (圖三)。這個能量差通常對應於分子中化學鍵的振動運動。 圖三、紅外光子透過吸收激發分子的過程。 圖四、紅外光子透過吸收激發分子的過程。 在紅外光的作用下，分子能夠進行各種振動的能態轉換，其中包括對稱伸縮（Symmetric Stretch）、非對稱伸縮（Asymmetric Stretch）、剪刀式擺動（Scissoring）、左右擺動（Rocking）、前後擺動（Wagging）以及扭擺（Twisting）等不同模式。這些振動模式對應於分子中不同的振動頻率和振幅，並且可以透過紅外光譜學來觀察和分析 (圖五)。 圖五、分子內各種振動的能態轉換振動模式。 FTIR光譜利用紅外光來改變分子的偶極矩，進而觀察對應於特定振動能量的分子振動。這些振動能量主要由兩個因素影響，即μ 折合質量 （reduced mass）和k 鍵力常數（bond strength）（圖六a）。對於鍵力常數 k，我們可以觀察 C-C、C=C 和 C≡C 系列，發現整個系列的波數增加了 800 cm⁻¹（圖六b）。此外，當用氮和氧取代 C-C 鍵中的原子時，會導致100 cm⁻¹的波數位移（圖六c）。透過觀察這兩個系列，我們可以得出鍵結強度對波數的影響大於質量的影響。 圖六、特定振動能量的偶極矩變化。 使用 FTIR 光譜鑑定分子 由於每個官能團由不同的原子和鍵強度組成，因此其振動模式對於每個官能團和官能團類別而言是獨特的。例如，羥基（-OH）和甲基（-CH）的拉伸振動分別在約3,200 cm⁻¹和2,900 cm⁻¹附近出現。圖七展示了各種官能團的振動頻譜。 分子中所有官能團振動能帶的集合對於每個分子來說都是獨特的，因此，這些振動峰可以通過比對綜合樣本數據庫進行識別。 圖七、傅立葉式轉換紅外光譜官能團相關表 近紅外光譜 近紅外光譜是電磁波譜的一個部分，位於4,000至12,800 cm⁻¹之間。該區域由泛音 (overtones) 和組合光譜 (combinations) 組成。泛音是指兩種相同的振動模式同時發生，而組合則是指兩種不同的振動模式同時發生。然而，泛音和組合模式由於其特殊性質，能量變化在量子力學 (quantum mechanics) 上較不常見或不容許，因此其光譜強度相對較低。，使得這些光譜變得複雜。然而，透過使用化學計量技術，如多變量分析，這些光譜可以被解讀和應用。 儘管近紅外光譜存在一些缺點，但它仍然有明顯的優點。首先，光的路徑長度使得可以在幾乎不需要樣品製備的情況下分析大量樣品。這對於進/出貨物的化學和批量分析來說具有巨大價值，因為節省了時間和成本。 其次，相較於中紅外光譜，近紅外光譜在水的存在下不容易受到影響。這是因為水通常會對光譜產生強烈的吸收峰，影響測量結果，但在近紅外光譜中，這種影響較小。因此，對於涉及水含量的樣品或樣品中存在水的情況下，近紅外光譜有更優勢的應用。 遠紅外光譜 遠紅外光譜是位於10 cm⁻¹和700 cm⁻¹之間的區域。在這個範圍內，可以觀察到鍵結3+原子官能團的光譜，例如像-C-C-C-彎曲和晶體材料中的晶格振動。這些光譜在很大程度上依賴於構象或晶體結構，因此可以使用遠紅外光譜來區分具有相同化學結構但不同晶體結構的材料。 然而，遠紅外光譜也有兩個缺點需要注意。首先，這個區域的光譜會受到水吸收的強烈干擾，因此在測量時通常需要進行吹掃或抽空系統來排除水的影響。其次，這些模式的光譜強度相對較弱，因此在進行測量時需要使用靈敏的檢知器和高功率光源來獲得足夠的信號強度。 儘管有這些缺點，遠紅外光譜仍然是一個重要的分析工具，特別是在研究材料的晶體結構和構象變化方面，並有助於區分具有相似化學結構但不同晶體結構的樣品。 傅立葉式轉換紅外顯微鏡 FTIR 還用於顯微鏡檢查，對使用宏觀紅外測量研究的同類材料進行微量分析。FTIR 顯微鏡使用反射光學器件來觀察紅外光並將其聚焦到樣品上。穿透、反射、衰減全反射和掠射角物鏡用於將紅外能量傳輸和收集到感興趣樣品上的小點（5-50 μm）。選定的點、線或 3D 網格中的多次測量可用於生成化學圖。可以使用成像分析、化學計量學和庫搜索來增強這種映射，以自動識別樣品中的成分及其分佈。 傅立葉式轉換紅外顯微鏡是一種強大的分析工具，不僅可以進行宏觀紅外測量，還可用於微量分析和顯微鏡檢查。這種顯微鏡使用反射光學器件來觀察紅外光，並將其聚焦到感興趣的微小區域樣品上。這些微小區域通常在5-50 μm的大小範圍內。 傅立葉轉換式紅外顯微鏡的應用包括穿透 (Transmission)、反射 (Reflection)、衰減全反射 (Attenuated Total Reflectance) 和掠射角物鏡 (Grazing Angle objectives)，這些物件能夠將紅外能量傳輸並收集到微小的樣品點上。經過選定的點、線或3D網格中的多次測量，可以生成有關樣品的化學圖，這些圖像可用於對樣品進行化學成分和分佈的分析。 這種顯微鏡不僅可以進行成像分析，還可以應用化學計量學和庫搜索等技術，進一步增強這種映射，甚至能自動識別樣品中的成分及其分佈。總的來說，傅立葉轉換紅外顯微鏡是一個非常有用的工具，特別是在微小樣品的紅外分析和顯微鏡觀察方面，為研究同類材料的微量分析提供了強有力的手段。 以上相關資訊參考自 : JASCO原廠官網 如果您對傅立葉紅外光譜儀 ( FTIR4X、6X、8X系列 ) 有任何其他問題，歡迎洽詢尚偉股份有限公司。 公司網址：https://sun-way.com.tw 公司電話：02-27718337 公司傳真：02-27414646 公司信箱：[email protected]
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