傅里叶红外光谱分析

傅里叶红外光谱分析技术及应用综述

简介

傅里叶变换红外光谱（Fourier Transform Infrared Spectroscopy, FTIR）是一种基于分子振动和转动能级跃迁的现代分析技术，通过测量物质对红外光的吸收特性，获得样品的化学组成和结构信息。其核心原理是利用干涉仪将红外光源发出的光转化为干涉信号，再通过傅里叶变换将时域信号转换为频域光谱图。相较于传统色散型红外光谱，FTIR具有分辨率高、扫描速度快、灵敏度高及信噪比优异等特点，广泛应用于材料科学、环境监测、医药研发、食品安全等领域。

FTIR检测的适用范围

FTIR技术的适用性由其检测灵敏度和光谱特征决定，主要涵盖以下场景：

1. 有机化合物分析：包括聚合物、塑料、橡胶等高分子材料的结构表征。
2. 无机物检测：部分无机盐、金属氧化物可通过特征吸收峰进行识别。
3. 生物样品研究：蛋白质、核酸、脂类等生物大分子的二级结构分析。
4. 环境污染物监测：如大气颗粒物、水体有机污染物、土壤残留农药的定性定量分析。
5. 医药质量控制：原料药晶型鉴别、辅料相容性研究及制剂成分一致性验证。
6. 司法鉴定：未知物证（如纤维、涂料、毒品）的快速比对与溯源。

检测项目及简介

FTIR技术可实现多种检测目标，常见项目包括：

1. 官能团鉴定 通过特征吸收峰（如羟基-OH在3200-3600 cm⁻¹、羰基C=O在1700-1750 cm⁻¹）判断分子中特定基团的存在，辅助物质类别判定。
2. 材料成分定性分析 比对样品光谱与标准谱库（如NIST、HRAM），确定未知物的化学组成。例如，区分聚乙烯（PE）与聚丙烯（PP）的差异。
3. 定量分析 基于朗伯-比尔定律，通过峰面积或峰高计算目标成分浓度，适用于混合物中各组分含量测定。
4. 表面与界面研究 结合衰减全反射（ATR）附件，分析固体或液体表面化学状态，如涂层材料的老化程度。
5. 动态过程监测 通过时间分辨FTIR追踪化学反应、相变过程或材料降解的实时变化。

检测参考标准

FTIR分析需遵循国际或行业标准，确保数据准确性和可比性，典型标准包括：

1. ASTM E1252-98(2021) 《Standard Practice for General Techniques for Qualitative Infrared Analysis》 规定红外光谱定性分析的操作流程与谱图解析原则。
2. ISO 18373-1:2007 《Plastics — Differential scanning calorimetry (DSC) and Fourier transform infrared (FTIR) spectroscopy in the analysis of polymers — Part 1: General principles》 针对高分子材料的FTIR与DSC联合分析方法。
3. GB/T 6040-2019 《红外光谱分析方法通则》 中国国家标准，涵盖样品制备、仪器校准及数据报告要求。
4. USP <851> 《Spectrophotometry and Light-Scattering》 美国药典中关于红外光谱在药物分析中的应用指南。

检测方法及仪器

1. 样品前处理 根据物态选择制样方法：

• 固体样品：KBr压片法（需将样品与溴化钾粉末混合压制成透明薄片）；
• 液体样品：液膜法（夹于两片NaCl晶片之间）或ATR直接检测；
• 气体样品：充入气体池进行透射分析。

2. 仪器组成 典型FTIR系统包括以下模块：

• 红外光源：如陶瓷光源或硅碳棒，发射宽波段红外辐射；
• 干涉仪：核心部件，常用迈克耳孙干涉仪产生干涉信号；
• 检测器：液氮冷却的MCT（汞镉碲）检测器或常温DTGS（氘代硫酸三甘肽）检测器；
• 附件系统：ATR、漫反射、显微红外等扩展功能模块。

3. 操作流程

• 背景扫描：在无样品条件下采集背景光谱以消除环境干扰；
• 样品扫描：放置样品后获取干涉图；
• 数据处理：傅里叶变换生成透射率或吸光度光谱，通过基线校正、平滑处理优化谱图；
• 谱库比对：利用软件（如OMNIC、SpectraBase）匹配特征峰，输出分析结果。

4. 主流仪器型号

• Thermo Fisher Scientific：Nicolet iS20、iN10 MX显微红外系统；
• Bruker Optics：TENSOR II系列、VERTEX 70v真空型光谱仪；
• PerkinElmer：Spectrum Two、Frontier系列；
• Shimadzu：IRSpirit系列便携式FTIR。

技术局限性及发展趋势

尽管FTIR具备非破坏性、快速分析的优势，但其检测限较高（通常为ppm级），且难以区分同分异构体。近年来，联用技术（如TGA-FTIR、GC-FTIR）和人工智能辅助谱图解析成为发展方向，进一步提升了复杂体系的分析能力。此外，微型化与便携式设备的开发，正推动FTIR在野外现场检测和工业在线监测中的普及。

综上，傅里叶红外光谱技术凭借其高效、精准的特点，已成为现代分析化学不可或缺的工具。随着标准体系的完善和仪器性能的提升，其应用领域将持续扩展，为科学研究与工业生产提供强有力的技术支撑。