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
- 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光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)。
- 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。
- 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。
- 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。
