揭開FTIR的神秘面紗 (中)：傅立葉紅外光譜儀設備

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揭開FTIR的神秘面紗 (中)：傅立葉紅外光譜儀設備

在傅立葉紅外光譜儀（FTIR）中，一個邁克爾遜干涉儀 (Michelson interferometer) 將一準直的多色紅外光分為兩個不同的光學路徑，並基於靜止鏡和移動鏡的位置產生建設性和破壞性干涉。這種干涉波形（干涉圖）通過快速傅立葉轉換（FFT）從時間域轉換為頻率域。最終光譜通過使用定確知的定時激光器的波長，將廣譜的紅外輻射分離為個別的頻率來獲得。

干涉儀工作原理

單色光是同一頻率的波的疊加，當這些波進行疊加時，它們的強度可能增強或相互抵消，這取決於它們的相對相位。在圖一a中，當個別波具有相同的相位（波峰和波峰或波谷和波谷對齊時），它們會相互建設性地干涉 (constructive interference)，導致光的強度最大。相反，在圖一b中，當個別波相位相反（波峰和波谷對齊），它們會相互破壞性地干涉 (destructive interference)，光的強度會降至最小。在傅立葉變換紅外光譜儀（FTIR）中，利用干涉儀引入了兩條光路之間的相位差異。它由兩個鏡子組成：一個固定在位置上，另一個以恆定速度運動。

圖一、建設性與破壞性干涉示意圖。

在單色光源情況下，所檢測到的光強度隨時間（或移動鏡的位置）變化呈現正弦波形（圖二a）。該波形的時域信號經過快速傅立葉轉換（FFT）轉換為頻域，產生單個頻率峰值，對應於單色光的頻率。對於雙色光源，包含兩個不同頻率的波，其波形較為複雜。對這種波形進行傅立葉轉換會得到兩個峰值，對應於兩種不同頻率的光（圖二b）。

當光源是連續光的時候，其光譜是多個頻率波的疊加，這些波彼此同相。在鏡子移動之前（當時間t = 0時），光路之間沒有相位差，所有波數的光強度最大。隨著反射鏡的移動（當時間t>0時），會發生破壞性干涉，信號強度逐漸收斂到零。由此產生的信號強度隨時間變化的圖稱為干涉圖。通過對干涉圖進行傅立葉轉換，可以計算出原始頻譜（圖二c），顯示了不同頻率波的強度和分佈。

圖二、干涉圖經由傅立葉轉換獲得的頻譜。

獲取數位干涉圖(digital interferogram)的過程

在FTIR光譜儀中，干涉圖被視為模擬信號，但為了進行傅立葉轉換，首先需要將這個類比信號轉換為數字信號。FTIR光譜儀使用來自定時雷射(timing laser)的單色光作為內部參考，並通過精確已知的雷射波長來追踪移動鏡的位置。光的干涉信號強度被測量並記錄為隨時間變化的數據。

在定時雷射干涉圖中，每個數據點（或數位信號）都被獲取，而不僅僅是在建設干涉或破壞性干涉時獲取的信號，這允許以相等間隔獲得整個干涉圖（見圖三）。

圖三、通過干涉儀收集數位訊號。

傅立葉轉換式紅外光譜儀

傅立葉轉換式紅外光譜儀（FTIR）是一種廣泛應用的分析儀器，主要由四個主要部件組成：光源 ( light source)、干涉儀(interferometer)、樣品(sample chamber)和檢知器(detector)（見圖四）。

圖四、FTIR設備主要部件。

傅立葉轉換式紅外光譜儀光源

光源的選擇對FTIR光譜儀的性能和應用範圍具有重要影響。不同的光源提供了不同的波長範圍和強度，這將影響到測量的準確性和靈敏度。根據所需的光譜範圍和應用需求，使用適當的光源將確保在FTIR測量中獲得高質量的數據。

FTIR光譜儀的光源通常採用寬帶發射器 (broadband emitter)，這些包括中紅外陶瓷光源（50 – 7,800 cm^-1）、近紅外鹵素燈（2,200 – 25,000 cm^-1）或遠紅外汞燈（10 – 700 cm^-1）。JASCO FTIR光譜儀標配高強度陶瓷光源，這種光源具有高亮度和穩定性，使其成為常用的光譜儀器選擇。

傅立葉轉換式紅外光譜儀邁克爾遜干涉儀 (Michelson Interferometer)

干涉儀是FTIR光譜儀的核心元件，由分光鏡 (beamsplitter)、固定鏡 (stationary mirror) 和移動鏡 (moving mirror) 組成。分光鏡是一種半透明的鏡子，它可以將准直光束分成兩條不同的光路。其中一半的光被傳輸到移動的鏡子，而另一半的光被反射到靜止的鏡子。這兩束光經過移動和靜止的鏡子反射後，在通過樣品室並進入檢知器之前，再次在分光鏡處重新組合。這兩條光線的路徑差異會在移動鏡子通過所需時間的過程中造成建設性和破壞性干涉。這種干涉作用對於測量樣品的光譜非常重要，可以通過記錄和分析這些干涉信號來獲得樣品的紅外光譜。當光束穿過樣品時，根據光束的能量變化和穿透率的計算，可以得到樣品的吸收度和穿透光譜，其關係如圖五所示。

圖五、當光束穿過樣品時，光束的能量變化、穿透率與吸收度關係式。

傅立葉轉換式紅外光譜儀分光鏡

在許多FTIR系統中，分光鏡放置在與入射光束成45°的位置，但對於高通量應用，低角度干涉儀（例如JASCO使用的28°設計）是首選，因為S和P偏振會聚在布魯斯特角附近。常見的分光鏡材料是用於中紅外的KBr（375 – 12,,000 cm^-1），用於近紅外的石英（4,000 – 25,000 cm^-1）和用於遠紅外的聚酯薄膜（30 – 680 cm^-1）。JASCO FTIR 光譜儀標配鍺塗層 KBr 分光鏡。

傅立葉轉換式紅外光譜儀的分光鏡在不同系統中有不同的配置。一般情況下，分光鏡被放置在與入射光束成45°角的位置，但在高通量應用中，低角度干涉儀（例如JASCO所使用的28°設計）成為首選，這是因為S和P偏振的光會在布魯斯特角 (Brewster’s Angle) 附近聚焦。這種設計可以提高光的收集效率和優化光路，從而在高通量的應用場景下獲得更優秀的性能。

分光鏡的材料根據所處的紅外光譜區域而有所不同。一般來說，常見的分光鏡材料有用於中紅外光譜的KBr（375 – 12,000 cm^-1）、用於近紅外光譜的石英（4,000 – 25,000 cm^-1）以及用於遠紅外光譜的聚酯薄膜 (Mylar) （30 – 680 cm^-1）三種，這些材料都具有特定的光學特性，能夠適應不同光譜範圍的測量需求。

JASCO FTIR 光譜儀標配的分光鏡是鍺塗層 (Germanium coated) 的KBr分光鏡，具有優異的性能和耐用性，是JASCO光譜儀的標配選擇。鍺塗層可以進一步提高光學元件的效率和光學特性，以確保在各種光譜測量中獲得高品質的數據。

JASCO FTIR 光譜儀標配的分光鏡是鍺塗層(Germanium coated)的KBr分光鏡，這種鍺塗層提供了卓越的性能和耐用性，成為JASCO光譜儀的標準配置選擇。鍺塗層能進一步增強光學元件的效率和光學特性，確保在各種光譜測量中獲得高品質的數據。這種鍺塗層的KBr分光鏡能夠有效提高光學元件的效率，使光線在光譜儀系統中得到更有效的傳遞和收集。這對於提高光譜儀的訊雜比和減少雜訊非常重要，從而獲得更準確和可靠的光譜數據。

此外，鍺塗層的分光鏡具有優異的耐用性，能夠長期穩定地工作，並在重複使用和長時間運行中保持一致的性能。這使得JASCO FTIR 光譜儀能夠在多種實驗和應用情況下可靠地運行，為用戶提供持久且穩定的性能。

傅立葉轉換式紅外光譜儀檢知器

傅立葉轉換式紅外光譜儀的檢知器是測量樣品穿透光或反射光並轉換為電信號的關鍵組件，其類型和材料影響所獲取數據的靈敏度和波長範圍。常見的FTIR光譜儀檢知器包括室溫DLaTGS（220 – 15,000 cm^-1）用於常規分析、液氮冷卻MCT（450 – 12,000 cm^-1）用於高靈敏度應用、矽光電二極管 (silicon photodiodes)（10,000 – 25,000 cm^-1）用於可見光和近紅外測量，以及矽輻射熱計 (silicon bolometers) （10 – 650 cm^-1）用於遠紅外測量。JASCO FTIR 光譜儀標配DLaTGS檢知器，並可選擇安裝第二個檢知器，例如液氮冷卻MCT檢知器。

DLaTGS（Deuterated L-Alanine doped Triglycine Sulphate）檢知器是一種熱釋電 (pyroelectric) 檢知器，其電訊號是根據與撞擊檢知器的紅外輻射強度成比例的溫度變化產生的（見圖六）。DLaTGS檢知器是常規FTIR測量的標準配置，因為它們在寬波數範圍內具有線性回應，價格低廉，並且可以在室溫度使用。