中红外光谱仪主要原理

分子振动的能级跃迁：中红外光谱的物理本质

中红外（Mid-Infrared, MIR）通常指代波长在 2.5 μm 至 25 μm（波数 4000 cm⁻¹ 至 400 cm⁻¹）之间的电磁波。对于实验室及工业分析而言，这一区域被称为“分子指纹区”。其核心原理建立在分子振动能级跃迁的基础上。

当一束连续波长的红外光照射样品时，如果光子的能量（$E=h\nu$）与分子中某个化学键的振动能级差相匹配，且该振动伴随着分子偶极矩（Dipole Moment）的变化，分子就会吸收该能量。这种吸收具有高度的选择性，不同的官能团（如 C=O, -OH, -NH₂）因其键能和原子质量的不同，会在特定的波数位置产生特征吸收峰。从业者通常利用虎克定律（Hooke's Law）的简化模型来估算这些频率，即分子的振动频率与键能的平方根成正比，与原子的折合质量的平方根成反比。

迈克尔逊干涉仪：傅里叶变换红外（FTIR）的技术核心

现代中红外光谱仪早已告别了早期的色散型设计，转而采用以迈克尔逊干涉仪（Michelson Interferometer）为核心的傅里叶变换技术。这一转变极大提升了检测的灵敏度和速度（即 Fellgett 优势和 Jacquinot 优势）。

干涉仪由分束器、定镜和动镜组成。光源发出的复合光经分束器分为两路，分别射向定镜和动镜。由于动镜的往复运动，两路光在重新汇合时产生了光程差（Optical Path Difference, OPD）。这种相位差导致了相长干涉或相消干涉，产生了一种包含所有频率信息的时域信号——干涉图（Interferogram）。随后，通过快速傅里叶变换（FFT）数学运算，将这一复杂的时域信号转换为我们终看到的频域光谱图。

中红外光谱仪关键组件与性能参数对比

• 光源（Source）：
  • 碳化硅棒（Globar）：最常用的宽带光源，工作温度约 1200K - 1500K，稳定性高。
  • 陶瓷光源：适用于紧凑型仪器，启动速度快。
  
  
• 分束器（Beam Splitter）：
  • 溴化钾（KBr）基底：透过范围 40,000 - 400 cm⁻¹，易吸潮，需严格控湿。
  • 硒化锌（ZnSe）：抗腐蚀、不吸潮，但长波截止点在 600 cm⁻¹ 左右。
  
  
• 检测器（Detector）：
  • DTGS（氘代甘氨酸硫酸三乙酯）：常温检测器，响应范围宽，线性度好。
  • MCT（碲镉汞）：光子型检测器，需液氮冷却，灵敏度比 DTGS 高 1-2 个数量级，适用于显微红外或高速扫描。
  
  
• 参考激光器（Reference Laser）：
  • 通常使用 He-Ne 激光器，用于精确校准动镜位置，确保波数的重复性和准确度（Connes 优势）。
  
  

信号处理与数据质量控制

在获取干涉图后，除了傅里叶变换，信号处理过程还包括 apodization（切趾）和相位校正。由于干涉仪在实际运行中无法实现无限长的行程，干涉图会被强行截断，这会导致光谱峰出现“旁瓣”。通过选择合适的切趾函数（如 Happ-Genzel 或 Triangular），可以平滑这些由于数学处理带来的伪影，平衡分辨率与谱图质量。

大气中的水蒸气和二氧化碳在中红外区有强烈的吸收，这通常是干扰背景的主要来源。实验人员会通过高纯氮气吹扫或采用闭环真空光路来消除这些背景噪音，确保在 3600-3800 cm⁻¹（水蒸气）和 2350 cm⁻¹（CO₂）区域获得纯净的样品信号。

工业与科研应用中的演进趋势

随着半导体技术的发展，中红外光谱正向两个极端演进：一是基于量子级联激光器（QCL）的高亮度、窄带检测方案，适用于微量气分析；二是基于 MEMS 技术的微型光谱仪，其将迈克尔逊干涉仪集成在硅片上，实现了现场快速检测的可能。

对于从业者而言，深入理解干涉仪的光学补偿机制以及分束器的物理极限，不仅有助于设备的日常维护，更能判读复杂基质下的微弱光谱信号，为定量分析和结构鉴定提供坚实的理论支撑。