红外光谱和FTIR光谱:FTIR光谱仪如何工作和FTIR分析

傅里叶变换红外光谱(FTIR)由于其独特的灵敏度、灵活性、特异性和鲁棒性的结合，是当今非常受欢迎的技术。它能够处理固体、液体和气体分析物，已成为科学中应用最广泛的分析仪器技术之一。尽管FTIR有许多已知的局限性，例如它对水的相对不耐受和对分析矩阵物理性质的敏感性，但它仍然非常受欢迎，并且广泛用于各行各业餐饮，¹化学、工程、环境，²制药^3.和生物量⁴而在临床设置。⁵现在合适的仪器形式包括台式、手持和在线实时设备。

人眼只能看到电磁辐射光谱的一小部分(图1)。在可见光谱的高能一侧是紫外线(UV)区域，而在低能量一侧是红外(IR)。对分析有机化合物最有用的红外区域往往是波长为2500 ~ 16000纳米。目前,米id-和近红外(NIR)被包括在“分子光谱”的保护伞下。

图1: 电磁波谱，插图显示了典型的红外光谱类型的子区域。

红外光谱是研究红外光与物质相互作用的学科，其中红外光的波数范围为12800到10厘米^－1．历史上，按照惯例，红外倾向于用“波数”来描述，其中任何波数都与其波长成反比。因此，更短的波长将有更大的波数，这意味着在给定的距离内可以容纳更多的波。远红外通常定义为500至20厘米的辐射^－1，中红外4000至500厘米^－1近红外(NIR)一般在~ 10000 ~ 4000 cm之间^－1．

红外光被分子以特定频率吸收，这是基于原子之间的分子键和键末端存在的原子类型。光子能量在红外区诱导共价键原子的振动激发。这些共价键通常被认为像坚硬的弹簧一样，可以拉伸、弯曲、旋转和剪刀(图2)。当能量被分子吸收时，高能量的中红外辐射激发基本振动，使分子从基态上升到第一振动态。相比之下，近红外光谱是由这些基本振动产生的“泛音”组合带组成的。读者也被引导到有用的附加信息介绍性的材料可从皇家化学学会获得。

图2:动画显示的三维运动，可以发生的分子原子键时，由红外光激发。这些运动导致了我们观察到的红外光谱吸收带。信贷:摘自YouTubehttps://www.youtube.com/watch?v=0S_bt3JI150

什么是FTIR光谱，FTIR和IR光谱有什么区别?

红外和红外之间的区别是后者是由一个干涉图作为原始信号。这表示光强度是干涉仪内部镜面位置的函数，而不是波长的函数(就像在色散仪器中发生的那样)。这是英国《金融时报》。信号必须首先进行傅立叶变换(FT)，以产生作为波数函数的强度。

按照惯例，当我们谈到FTIR时，我们认为它在中红外区域运行。然而，FT仪器可用于紫外和近红外光谱形式。FTIR和FT-NIR是潜在的互补技术，但通常分析人员必须在特定应用中选择使用哪一种技术，因此值得考虑它们的相对优缺点。

FTIR光谱的采集比传统色散仪器快得多。FT方法产生的光谱显示出更好的信噪比，并且由于波长尺度是用非常精确的参考激光校准的，因此提供了比IR更高的波长精度。

红外分光光度计是在20世纪40年代中期发展起来的。最初，它们的应用主要局限于有机化合物的研究工作，而且主要在石油化工领域。这些第一批仪器是色散扫描分光光度计(图3)和缓慢。分散仪器仍然存在，并在新的应用中找到了新的生命，因为它们可以更容易地小型化和更便宜地制造，以生产小型的掌上电脑包，在移动电话上运行简单的操作系统。

图3: 色散红外分光光度计的布局示意图。

今天，大多数研发级中红外仪器都是FT型。它们的发展可以追溯到19世纪90年代和阿尔伯特·迈克耳逊他在研究光速时发明了“干涉仪”，并因此获得了诺贝尔奖。FTIR仪器使用干涉仪(图4)，它由一个光源、分束器、两个镜子、一个激光器和一个探测器组成。能量从光源到达分束器，分束器将光束分成两部分。一部分被传送到移动的镜子上，另一部分被反射到固定的镜子上。由校准激光的响应控制，移动的镜子以恒定的速度来回移动。两束光从反射镜中反射回来，并在分束器中重新组合，产生干涉图案，通过样品室(如果存在吸光度发生的样品)传输到探测器。然后对该信号进行FT函数处理以生成频谱。

由FT仪器产生的干涉波形称为“干涉图”(稍后讨论)，将测量到的所有波长的所有信息进行编码。然而，为了产生一个可解释的频谱，信号必须首先受到一个计算密集的傅里叶变换数学函数。1966年开发出Coey-Tukey算法^6，7提供了一种简便的计算方法，即“快速傅里叶变换”或FFT。这与第一个商业计算系统的出现一起，使得第一个商业FTIR——FTS-14得以在1969年发射⁸(图5)。

图4: 显示干涉仪工作原理的示意图。

图5: FTIR光谱仪的工作原理示意图。数字表示下面讨论的FTIR分析步骤。

使用FTIR进行分析如下。

1. 来源:红外能量从一个发光的黑体光源发射，光束通过一个控制能量总量的孔径。
   
2. 干涉仪:红外光束进入干涉仪，如前所述，在干涉仪中进行“光谱编码”。干涉仪使用参考激光进行精确的波长校准。
   
3. 样品:红外光束进入样品室，在样品室通过或反射样品表面;样品所吸收的能量的特定频率是样品的唯一特征。
   
4. 探测器:光束最终通过探测器进行最终测量。
   
5. 计算机:将信号数字化，进行FFT计算，并将最终的红外光谱呈现给用户。

现在有一系列的FTIR仪器和通用的可互换附件，可以用相同的基本仪器分析不同大小和形式的气体、液体和固体样品。值得注意的是，普通玻璃不具有中红外透射性，因此所有仪器光学和采样附件必须由其他合适的红外光学材料制成。针对固体样品开发的早期技术要求将分析物研磨，并在高压下与可红外传输的底物(通常是溴化钾(KBr))混合成一个小的固体透明圆盘。然后将它们安装在一个支架中进行传输测量。液体(不含水)样品通常在两个具有小间隔的红外传输圆盘之间形成薄膜。这种方法的时间和重现性都是问题。

在过去的30年里，人们越来越多地采用替代方法，特别是现在普遍使用的“ATR”技术(衰减全反射)．该设备可以容纳少量的液体或固体样品放在晶体窗口上，不需要真正的样品准备，允许在几秒钟内收集光谱。当分析固体时，它们被顶部固定钳牢牢地压在晶体窗口上(图6)。现在大多数固体样品的已发表应用都使用这种形式的设备。其他类型的设备，如用于漫反射的反射半球或气体样品密封电池，也可用于特定的应用。甚至还有由金和其他红外兼容材料制成的96位微量滴度格式板，允许使用特别改装的FTIR附件单元进行高通量筛选。⁹

图6: ATR采样附件的使用。

典型的操作模式(图7)首先需要收集背景“空白”频谱。这将包含整个光束路径(光学和大气)的吸光度值。然后对样品进行分析，并从中减去空白光谱，以产生样品单独独有的光谱响应。两种波数分辨率(一般为4至16厘米)^－1)和共添加扫描(通常为8到64)需要特定于应用程序的优化，以实现可接受的信噪平衡。单个扫描速度很快，在现代仪器上通常不到1秒，因此通过共添加扫描和背景光谱减法，ATR设备上单个样品的分析工作流程可以在不到2分钟的时间内完成。这使得FTIR-ATR特别适合在制造或筛选应用中测量100或1000个样品，包括代谢组学指纹。¹⁰

图7: 用于生成典型频谱的工作流。

FTIR光谱信息丰富，但这一事实会使使用和解释它们具有挑战性。可以找到解释FTIR的有用引物在这里．即使是简单、纯净、单一的化合物样品，如香兰素(图8)，也具有多峰光谱。在这种情况下，与认证标准相匹配的库方法可以在单组分混合物中识别它，但这在其他化合物的复杂混合物中是不可能的。问题在于，大多数有机物都含有碳(C)、氢(H)、氮(N)或氧(O)原子在单键或双键上的组合，因此相同的多个吸收峰在化合物与化合物之间重叠。仅仅是试图“眼球”大量的光谱，试图判断它们来自的样品是否或如何在某种程度上不同，然后迅速成为一个巨大的挑战，即使对一个有经验的分析师来说也是如此。为了解决这一问题，FTIR数据经常与统计建模方法结合使用，例如多变量分析(MVA)，在化学中通常被称为“化学计量学”。

图8: 香兰素的红外光谱，显示了主峰波数。波数(cm^－1)在X轴上与Y轴上的吸光度对应。来源:作者。

FTIR光谱数据非常适合MVA技术，其核心只是需要从每个样品中收集多个光谱并构建到单个数据矩阵中。在这里，每个表行是单个样品的完整光谱，每列是所有样品中特定连续波数的对齐吸光度。在这种形式中，技术像主成分分析(PCA)可以通过不同样本组的得分图，有效地探索和可视化不同样本组的光谱响应之间可能的基于类别的关系。这提供了样本差异的直接“可解释性”，这很难从不同样本类别的简单叠加光谱中衡量。图9显示了一个PCA评分图的例子，用于原始和加工过的生物油样品的差异。

图9: 生物油样品显示原始(红色)与加工(绿色)材料的比较。FTIR光谱(左)和推导的PCA评分图(右)显示。来源:作者。

当定量是目标(例如，浓度值)，MVA接近，如部分最小二乘回归，可用于建立基于定量值的属性校准预测，如化学浓度，使用之前从其他检测技术收集的每个样品组成的数据。然后将这些已知值输入算法计算，以确定与感兴趣的外部值最相关的光谱特征。后一种方法非常受欢迎，因为如果进行了适当的规划和验证，它可以使FTIR有效地取代湿法化学分析新的未知样品(相同类型)，节省时间和金钱。构建MVA模型的一个有用结果是，除了样本图之外，所产生的统计输出表还允许识别用于构建模型的最重要波长。从这些信息中，往往可以解释一些直接的化学见解。

FTIR几乎总是被假定为“中”FTIR。非ft中红外色散仪器无法产生如此广谱，因为扫描速度慢，功率(信噪比)也差得多。然而，近红外有更多的能量，非傅立叶变换色散仪器可以产生类似于中傅立叶变换仪器的光谱。但它会花费更长的时间，因此分辨率(实际测量的波数)往往更低。

下图(图10)显示了主要官能团(1500厘米)产生的带^－1及以上)。面积500-1500厘米^－1在中红外区域，它被称为指纹区域，提供了特定化合物所特有的无法伪造的分子指纹。

图10: 图表显示了主要官能团产生的红外波段和每个化合物特定的指纹区域。

中红外光谱和近红外光谱的形状和结构有很大的不同，对于有机物种，中红外光谱包含更清晰和更明确的光谱吸收带(图11)，因此有助于结构说明和化合物鉴定。此外，多年来已经整理和发表了特征分子函数群波数区域的详细数据表，其中许多是在特定的应用领域。有机分子强烈吸收中红外辐射，因此可以从相对较少的样品材料(例如少量粉末颗粒)中获得良好的光谱。缺点包括它不耐水(即使只有百分之几的水也会熄灭红外信号)。此外，有机物通常能很好地吸收中红外，这意味着所得到的光谱将只来自几微米的样品穿透，并代表有限的同质性。因此，需要更仔细的样品制备或分析复制。

近红外的优点包括对样品的化学和物理属性的强烈响应(例如，使其适用于整体样品分级应用)。近红外辐射可获得更多的样品穿透，因为它的吸收很弱，因此增加采样体积可以提高灵敏度，获得更好的均匀性，并且在进行测量时需要更少的样品制备。近红外的主要缺点与化学特异性有关。大多数近红外分子响应是一阶(或更高)泛音，表现出信号重叠的程度，潜在地限制了鉴别能力。然而，所考虑的优势与劣势完全是具体的应用，因此中红外和近红外仪器都广泛用于不同的应用。

图11 ：典型的近红外光谱(左)和中红外光谱(右)的例子。请注意，额外的光谱特征在中红外中被解析。样本是干燥的蚊子，旨在识别疟疾媒介中的脊椎动物血食，按蚊arabiensis。图片来源:转载自姆旺加，e.p.，马普亚，s.a.，西里亚，D.J.等。2019下国际知识共享归因4.0许可证。

就设备成本、易用性和所能产生的信息而言，FTIR处于相当独特的“最佳位置”。它的灵活性使得它被应用到更多的领域，超出了本文讨论的范围。一系列制药和医疗应用正变得越来越普遍。¹¹

此外，在过去的20年里，一个特别有趣的技术发展是用于显微镜的基于FTIR视频芯片(焦点位置阵列，“FPA”)的化学成像的出现和发展。虽然FTIR显微镜早在20世纪70年代就已经有了标准格式，但它们只使用单点红外探测器，任何成像都只能通过将大量的单一空间测量数据拼接在一起来实现。这样的图像，即使是一厘米大小的纸巾^－2要花几个小时才能收集到。现代中红外成像芯片，如典型尺寸的128 x 128像素阵列(但分辨率可以更高)，现在已经成为标准。一个128x128阵列在一次扫描中产生16,000个空间分辨率光谱。图像可以在30-60秒内获得，并已被广泛使用，这使得空间分辨率应用，如法医，考古文物，物理污染物等塑料微粒、药物压片检测¹²组织活检筛查疾病状态和诊断预测可能。^13.，14FTIR-FPA可以有效地应用于化学信号需要在广阔的空间背景下解释的情况。^15，16

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