红外光和远红外光谱技术的研究及发展简史

红外波谱法(，IR)是鉴定化合物和进行物质分子结构研究的重要手段之一，同时也是物质组分定量剖析的方式之一，是分子波谱法的一个重要分支。它是一种利用红外光被物质吸收情况，获得被测物质分子内部原子间相对震动和分子转动等信息，并依据所获得信息进行物质分子结构研究的剖析技巧。红外光谱仪是用于测定物质吸收红外光信息的仪器，是进行物质红外波谱测试和研究的基础。

一、红外光区的分类

依据红外光波长的范围，波长单位一般为μm，以符号λ表示。但在实际剖析工作中，更习惯采用波数表示吸收谱带位置，波数单位一般表示为cm-1，以符号可表示。当波长的单位为μm时，波数与波长存在以下关系：

ν=104/λ（cm-1）

红外光是一种电磁波，波长范围较宽，坐落可见光和微波波长之间，约0．75～1000μm，为易于研究工作，按照波长范围以及测定所获得信息的不同，可进一步将其细分为近红外区、中红外区和远红外区，具体界定如表所示。

相对于近红外光和远红外光，中红外光被物质吸收后的波谱给出该物质的分子结构特征信息最为丰富，是红外波谱中研究及应用最多的区域，一般所说的红外波谱大都指的是这一区域的波谱。近几六年来，经广大红外波谱工作者的努力，近红外波谱和远红外波谱技术的研究及应用也不断取得进展。

二、发展导论

红外波谱的研究早在19世纪后期就已开始，而红外波谱仪的研发可溯源至20世纪早期。1908制备和应用了以硝酸钠晶体为棱镜的红外波谱仪，1910年Wood和研发了小阶梯光栅红外波谱议，1918年和研发出高分辨仪器。直到20世纪40年代波谱工作者才开始研究双光束红外波谱议，1944年诞生了世界上第一台红外波谱仪(初期称红外分光光度计)。1950年开始商业化生产名为-Elmer21的双光束红外波谱议，其色散器件为硫酸钠(或氯化钾)晶体制成的棱镜，因而一般称为棱镜分光的红外波谱仪。与单光束波谱仪相比，双光束红外波谱仪不须要由经专门训练的波谱工作者操作才能获得较好的谱图，因而—E1mer21很快在英国畅销，它使红外剖析技术步入实际应用阶段，成为第一代红外波谱仪。但棱镜分光的红外波谱仪因为硫酸钠(或氯化钾)晶体等色散器件的折射率随环境湿度的变化而变化，仪器使用过程需恒温，且存在码率低、测量波长范围窄、实验结果重现性较差等缺陷。20世纪60年代，随着光栅技术的发展，光栅衍射分光技术代替棱镜分光技术被应用于红外波谱仪傅里叶红外光谱仪原理傅，形成第二代红外波谱仪——光栅分光红外波谱仪，其检测波长范围、分辨率等方面性能远优于棱镜分光红外波谱仪，但光栅分光红外波谱仪在远红外分辨出的光能量仍很弱，波谱质量较差，测定速率较慢，动态跟踪实验以及与其它仪器的联用技术一直未能实现。随着计算机技术的急速发展，第三代红外波谱仪——干涉分光傅里叶变换红外波谱仪(，FTIR)诞生于20世纪70年代，它无分光系统，一次扫描可得全范围波谱，因具有高光通量、测定快速灵敏、分辨率高、信噪比高等众多优点，迅速替代棱镜和光栅分光红外波谱仪。至80年代中后期，世界上生产红外波谱仪的主要厂商基本停止棱镜和光栅分光红外波谱仪的生产，集中精力于FTIR仪的研发傅里叶红外光谱仪原理傅，不断推出更为新型、先进的FTIR仪。

三、特点

相对于色散型或光栅型红外波谱仪，FTIR仪具有以下特性。

(1)检测速率快动镜扫描一次的时间约1s，也就是1s内即可完成所设定波谱范围内的扫描，计算机即时进行傅里叶变换产生FTIR谱，这一速率比色散型或光栅型红外波谱仪的检测速率快几百倍。可以在线检测色谱分离的样品，使色谱与红外波谱联用成为可能，可以有效跟踪快速的原位物理反应等，这种工作是色散型或光栅型红外波谱仪未能实现的。

(2)码率高按照FTIR仪的工作原理，FTIR的帧率近似等于最大光程差的倒数，也就是动镜联通有效距离2倍的倒数，理论上只要动镜联通有效距离越长，就可得到越高的帧率，而色散型或光栅型红外波谱仪的帧率与其波谱狭缝长度成正比，并且波谱狭缝间距越窄，光通量就越小，结果会牺牲波谱的灵敏度和杂讯，为此色散型或光栅型红外波谱仪的帧率不可能很高。

(3)杂讯好FTIR仪检测的原始数据是一整束混和光的干涉图，未经过波谱狭缝，因而讯号硬度大、信噪比优，同时因为样品的吸收讯号是一个确定的值，而噪音在一定范围内是随机的，因而可通过降低FTIR仪扫描次数，增加平均噪音讯号，又可达到提升帧率疗效的目的。

(4)波数确切度及重复性好FTIR仪对谱峰位置的精确校正是由其外置的激光器完成的，激光器发出的单一波长光十分稳定，由它检测确定的干涉仪动镜位置十分确切，所以用它得到的数据确定光源发出的红外光频度也是十分确切的，不同时间检测结果都是一样，因而波数确切度及重复性都挺好。

(5)测定范围宽许多FTIR仪只要更换合适的分束器、光源、检测器，就可检测近、中、远整个红外区的波谱。