傅立葉轉換紅外線光譜儀分析原理(FTIR)

2023-01-04

關鍵字:化學分析

傅立葉轉換紅外線光譜儀分析原理(FTIR)

無線電波、紅外線、微波、可見光、紫外光等,都是電磁波的一種,是構成世界的一部分,過去在科安知識庫中我們曾分享過微波技術的應用,今天則要換個主題,跟各位談談紅外線技術的應用。

紅外線的起源

紅外線於1800年被Friedrich Wilhelm Herschel爵士所提出,這位多才多藝的天文學家兼音樂家發現,如果把溫度計放在太陽光譜的紅光外側區域(太陽光譜是太陽光在散射後所產生的光譜,天空中的彩虹就是個例子),儘管該處並未出現任何顏色的光,但溫度計的溫度上升最顯著,這種肉眼不可見,但卻落在紅光外側區域的光,就是現在大家稱呼的紅外線(或紅外光)。 紅外線除了可以應用於加熱、遙控器與物理治療外,它還能用於物質鑑定。研究者們發現,分子的化學鍵會吸收紅外線(這牽扯到振動能階基態與激發態),且特定化學鍵會吸收特定波長的紅外線,所以藉由判讀被吸收掉的紅外線波長,便能做定性分析(物質鑑定),將這原理轉化為實體儀器後,紅外線光譜儀誕生了。

紅外線光譜儀的基本結構

圖一是紅外線光譜儀基本結構,由紅外線燈源(IR source)發射出紅外線,紅外線穿透樣品(Sample)後,部分波長的紅外線會被吸收掉,沒被吸收的紅外線穿過樣品,抵達偵測器(Detector),最後藉由電腦軟體將訊號轉換成圖二中的「紅外線吸收光譜」。

圖1:紅外線光譜基本原理
圖2:紅外線吸收光譜範例

早期紅外線光譜儀出現時,當時的機械技術不像現在這麼完善,必須要使用單光器(monochromator)進行分光,藉由單光器中的光柵、面鏡或透鏡將紅外線光源的波長分開,讓紅外線偵測器一次只接收一種波長的紅外線,一個波長記錄一筆強度資料,最後繪製成紅外線吸收光譜,你再把這個吸收光譜拿去跟資料庫中的光譜圖做比對(就像比對指紋一樣),你就可以知道這個未知物是什麼,這樣的紅外線光譜儀現在被稱為分光式紅外線光譜儀(dispersive infrared spectrometer),運作原理可參考圖三。

圖3:分光式紅外線光譜儀式意圖

紅外線吸收光譜有什麼限制嗎?首先並不是所有的物質都能產生紅外線吸收光譜,這個技術主要用於具有共價鍵的分子;此外,它也有一些使用上的限制,像是水會有紅外線吸收,因此水氣會干擾到分析結果。儘管如此,紅外線光譜已經廣泛應用於有機化學與無機化學分析領域。

FTIR的出現

在1950年代,儘管市面上已經有了實驗室用的分光式紅外線光譜儀,仍有學者認為麥克森干涉儀(Michelson interferometer)、傅立葉轉換以及紅外線光譜技術的結合,應該能夠建構出解析度更高、訊號更強、掃描速度更快的紅外線光譜儀,但礙於電腦運算能力不足,當時未能轉化為實用的儀器,後來在快速傅立葉轉換演算法(FFT)出現後,配合電腦運算能力的提升,傅立葉轉換紅外線光譜儀(Fourier-transform infrared spectroscopy,FTIR,如圖四)終於正式出現在世人面前,現在已經幾乎取代了傳統光譜儀。

圖4:傅立葉轉換紅外線光譜儀(Fourier-transform infrared spectroscopy,FTIR)

FTIR光譜儀的優點

  1. 多重波長掃描:

分光式紅外線光譜儀必須依靠單光器來分光,裡面內部的光柵轉動,使光打在狹縫上,讓單一波長的光通過狹縫,所以偵測器一次只會接收一個波長,FTIR譜儀則使用麥克森干涉儀取代了單光器,可同時接收所有波長訊號,能在更短時間內擷取光譜,或是在同樣的時間掃描到更多光譜,提升訊雜比(S/N)。

  1. 靈敏度高:

FTIR不使用單光器進行分光,所以光通量不會因為通過狹縫而變低,光通量會遠大於必須進行分光的傳統紅外線光譜儀,使偵測器得到的訊號大幅增加,靈敏度因此大幅提升。

  1. 波長準確度高:

傳統的分光式光譜儀依靠光柵的轉動進行波長切換,所以光柵轉動的穩定性會影響到波長準確度,必須定期做波長校正;FTIR則以麥克森干涉儀取代了單光器,干涉儀使用雷射作為波長基準,可精準確認干涉儀的光程差,讓光譜準確度提升到0.005cm-1或更低。

  1. 解析度高:

一般分光式紅外線光譜儀的解析度約為0.1cm-1,FTIR的解析度則主要與干涉儀的光程差有關,使用長光程差的FTIR,其解析度甚至可以低於0.0009cm-1

結語

與傳統的分光式紅外線光譜儀相比,結合了麥克森干涉儀(Michelson interferometer)與傅立葉轉換技術(Fourier-transform)的FTIR光譜儀提供了全面性的提升,速度也好、解析度也好、準確度也好、靈敏度也好,都超越分光式光譜儀,現在說到紅外線光譜儀,八成都是指FTIR光譜儀了,紅外線光譜的應用隨著科技的演進,也越來越廣用,除了定性分析外,只要收集足夠的資料並建立模型,紅外線技術亦可用於定量分析,例如藥廠或生技產業的PAT (Process Analytical Technology,製程分析技術)便是近年來越來越受重視的一種應用。 在介紹完FTIR的基本原理後,下次我再跟各位分享如何根據樣品類型(固體、液體、氣體或是塑膠微粒樣品等)來選擇不同的紅外線光譜儀,並說明穿透式(Transmission)、反射式(Reflectance)與衰減式全反射(Attenuated total reflectance, ATR)等常見量測方式。

欲了解更多的FTIR光譜儀相關資訊,歡迎來電洽詢 02-2728-2767或 來信與我們聯繫

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