电化学表征“傅里叶变换红外光谱仪（FTIR）”分析技术的详解；

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前段时间，一行业内的朋友问我：“XPS跟FTIR的区别是什么？”，说实话，虽然在半导体行业打拼这么多年了，也一直从事的就是质量管理工作，所以接触过的半导体分析设备还真是不少，但一下子问到：X射线光电子能谱（XPS）与傅里叶变换红外光谱仪（FTIR）的区别，我还真是不能细细的一一给讲解出来，最多只能知道个大概：

1、XPS跟FTIR两种技术在原理、检测信息、适用场景等方面存在显著差异；

2、XPS是解决表面化学状态的问题，而FTIR是解决分子结构与成分的问题；

3、XPS是表面化学状态的探针，适合分析材料最表层的元素与价态，而FTIR是分子结构的指纹仪，适合识别整体官能团与化学键。两者是互补关系；

也就知道这以上三点吧，所以为了丰富自己，也为了跟更多的朋友一起分享与之相关联的知识，在2025年的9月30日分享了：

电化学表征“X射线光电子能谱（XPS）”分析技术的详解；

同时，本章节也想也大家分享一下关于傅里叶变换红外光谱仪（FTIR）分析技术的相关知识，有兴趣的朋友可以一起相互交流学习！

一、傅里叶变换红外光谱仪中“傅里叶”的由来

让·巴普蒂斯·约瑟夫·傅立叶（BaronJeanBaptisteJosephFourier，1768-1830），男爵，法国数学家、物理学家，1768年3月21日生于欧塞尔，1830年5月16日卒于巴黎。1817年当选为科学院院士，1822年任该院终身秘书，后又任法兰西学院终身秘书和理工科大学校务委员会主席。

主要贡献是在研究《热的传播》和《热的分析理论》时创立了一套数学理论，即傅立叶级数，对19世纪的数学和物理学的发展都产生了深远影响。而傅里叶变换在物理学、数论、组合数学、信号处理、概率、统计、密码学、声学、光学等领域都有着广泛的应用。

让·巴普蒂斯·约瑟夫·傅立叶而有关傅立叶级数，傅立叶变换的理论也不详细阐述了，简而言之，它可以把难以看懂的时域谱变换成能看懂的频域谱。

傅立叶变换红外光谱测量的全过程：光谱仪发射红外线通过宝石，在红外线通过宝石时，会引起宝石中分子的振动，同时分子振动吸取特定的能量（不同波长的红外线），干涉仪测量出原始的干涉图，该图是一种时域谱,它是一种极其复杂的谱,难以解释，最后一步，计算机对该干涉图进行快速傅立叶变换计算,从而得到以波长或波数为函数的频域谱,即红外光谱图，纵坐标为透过率，横坐标为波长λ（μm）或波数（cm-1）。因此，谱图称为傅立叶变换红外光谱，仪器称为傅立叶变换红外光谱仪。

二、红外光谱仪的发展历史

到目前为止红外光谱仪已发展了三代。第一代是最早使用的棱镜式色散型红外光谱仪,用棱镜作为分光元件，分辨率较低，对温度、湿度敏感,对环境要求苛刻。上世纪六十年代出现了第二代光栅型色散式红外光谱仪,采用先进的光栅刻制和复制技术,提高了仪器的分辨率,拓宽了测量波段,降低了环境要求。然后在上世纪七十年代又发展起来第三代的干涉型红外光谱仪,傅立叶变换红外光谱仪既是干涉型的代表，它具有宽的测量范围、高测量精度、极清晰的分辨率以及极快的测量速度。

三、傅里叶变换红外光谱仪的介绍

傅里叶变换红外光谱仪，英文全称：Fourier Transform Infrared Spectrometer，简写为FTIR Spectrometer。它不同于色散型红外分光的原理，是基于对干涉后的红外光进行傅里叶变换的原理而开发的红外光谱仪，主要由红外光源、光阑、干涉仪（分束器、动镜、定镜）、样品室、检测器以及各种红外反射镜、激光器、控制电路板和电源组成。可以对样品进行定性和定量分析，广泛应用于医药化工、地矿、石油、煤炭、环保、海关、宝石鉴定、刑侦鉴定等领域。

傅里叶变换红外光谱仪主要由迈克尔逊干涉仪和计算机组成。迈克尔逊干涉仪的主要功能是使光源发出的光分为两束后形成一定的光程差，再使之复合以产生干涉，所得到的干涉图函数包含了光源的全部频率和强度信息。用计算机将干涉图函数进行傅里叶变换，就可计算出原来光源的强度按频率的分布。

简单来说，傅里叶变换红外光谱仪（FTIR）是红外光谱仪最常见的测试方式，也是分析、工业和科研实验室中非常强大的工具。

四、傅里叶变换红外光谱仪（FTIR）的工作原理

红外线和可见光一样都是电磁波，红外光又可依据波长范围分成近红外、中红外和远红外三个波区，其中中红外区（2.5～25μm；4000～400cm-1）能反映分子内部所进行的各种物理过程以及分子结构方面的特征，对解决分子结构和化学组成中的各种问题最为有效，因而中红外区是红外光谱中应用的区域。

红外光谱属于吸收光谱，是由于化合物分子中成键原子振动能级跃迁时吸收特定波长的红外光而产生的，只有引起分子偶极矩变化的振动才能产生红外吸收。红外吸收光谱主要用于结构分析、定性鉴别及定量分析。

光源发出的光被分束器(类似半透半反镜)分为两束，一束经透射到达动镜，另一束经反射到达定镜。两束光分别经定镜和动镜反射再回到分束器，动镜以一恒定速度作直线运动，因而经分束器分束后的两束光形成光程差，产生干涉。干涉光在分束器会合后通过样品池，通过样品后含有样品信息的干涉光到达检测器，然后通过傅里叶变换对信号进行处理，最终得到透过率或吸光度随波数或波长的红外吸收光谱图。

五、傅里叶变换红外光谱仪（FTIR）的结构组成

傅里叶变换红外光谱仪（FTIR）主要由红外光源、分束器、干涉仪、样品池、探测器、计算机数据处理系统、记录系统等组成，是干涉型红外光谱仪的典型代表，不同于色散型红外仪的工作原理，它没有单色器和狭缝，利用迈克尔逊干涉仪获得入射光的干涉图，然后通过傅里叶数学变换，把时间域函数干涉图变换为频率域函数图（普通的红外光谱图）：

1、光源

傅里叶变换红外光谱仪为测定不同范围的光谱而设置有多个光源。通常用的是钨丝灯或碘钨灯（近红外）、硅碳棒（中红外）、高压汞灯及氧化钍灯（远红外）。

2、分束器

分束器是迈克尔逊干涉仪的关键元件。其作用是将入射光束分成反射和透射两部分，然后 再使之复合，如果可动镜使两束光造成一定的光程差，则复合光束即可造成相长或相消干涉。

对分束器的要求是：应在波数v处使入射光束透射和反射各半，此时被调制的光束振幅最大。根据使用波段范围不同，在不同介质材料上加相应的表面涂层，即构成分束器。

3、探测器

傅里叶变换红外光谱仪所用的探测器与色散型红外分光光度计所用的探测器无本质的区别。常用的探测器有硫酸三甘钛（TGS）、铌酸钡锶、碲镉汞、锑化铟等。

4、数据处理系统

傅里叶变换红外光谱仪数据处理系统的核心是计算机，功能是控制仪器的操作，收集数据和处理数据。

六、傅里叶变换红外光谱仪（FTIR）的主要特点

1、信噪比高

傅里叶变换红外光谱仪（FTIR）所用的光学元件少，没有光栅或棱镜分光器，降低了光的损耗，而且通过干涉进一步增加了光的信号，因此到达检测器的辐射强度大，信噪比高。

2.、重现性好

傅里叶变换红外光谱仪（FTIR）采用的傅里叶变换对光的信号进行处理，避免了电机驱动光栅分光时带来的误差，所以重现性比较好。

3、扫描速度快

傅里叶变换红外光谱仪（FTIR）是按照全波段进行数据采集的，得到的光谱是对多次数据采集求平均后的结果，而且完成一次完整的数据采集只需要一至数秒，而色散型仪器则需要在任一瞬间只测试很窄的频率范围，一次完整的数据采集需要十分钟至二十分钟。

简单来说，红外光谱具有特征性强、分析快速、不破坏试样、试样用量少、操作简便、能分析各种状态的试样、分析灵敏度较高、应用范围广（固态、液态或气态样品都能应用；无机、有机、高分子化合物均可检测）等特点，其与色谱（GC-IR）联用或TGA（TGA-IR）联用，定性功能强大。

七、傅里叶变换红外光谱仪（FTIR）样品采样分析技术分类

傅里叶变换红外光谱仪（FTIR）常用的样品分析技术中，最常见的是透射、衰减全反射（ATR）、镜面反射和漫反射。FTIR光谱仪（如，爱丁堡傅里叶变换红外光谱仪IR5）的设计也有助于实现中红外（MIR）光谱范围内光致发光（FT-PL）的测量，拓宽了FTIR光谱仪的分析可能性，以下是跟大家分享的各种样品分析技术的工作原理、优点和适用的样品类型。

1、透射FTIR光谱法

透射FTIR光谱法是最传统的样品分析方法。入射红外光通过样品，透过的光被测量，产生以透射率（T%）表示的FTIR光谱。通俗的讲就是：在透射模式下进行传统的傅里叶变换红外 (FTIR) 光谱。透射 FTIR 光谱适用于液体、气体、粉末和薄膜。在透射光谱中，样品另一侧的 FTIR 检测器检测通过样品的红外光。

透射FTIR可用于液体、固体和气体样品的分析。透射FTIR是一种对气体测量至关重要的常用技术；但，透射FTIR的局限性则不利于固体和液体的样品分析。ATR-FTIR已取代透射FTIR成为较为常用的样品分析技术。

透射测量通常需要样品制备，固体样品需要分散在KBr中并压成颗粒；测量液体时需要红外透明窗片，如CaF2。这种方式放置样品，可能出现由于红外光束击中样品的位置不一致而导致光谱的重现性差。

2、衰减全反射 (ATR) FTIR法

衰减全反射 (ATR) -FTIR是固体和液体样品分析的主要方法，因为它几乎不需要样品制备，而且是非破坏性的。在衰减全反射 (ATR) -FTIR中，入射光束被引导进入衰减全反射 (ATR) 晶体（内部反射元件（IRE））。衰减全反射 (ATR) 晶体必须具有高折射率（高于样品的折射率）以防止光束穿过样品。当光线照射到IRE并从其内表面完全反射时，产生一个垂直投射到样品中的隐矢波，如下图所示。样品吸收一定量的能量，隐矢波衰减。衰减后的光束从IRE反射到检测器。

为了获得光谱，样品和晶体之间必须有全面接触，衰减全反射 (ATR) 附件通过顶针（夹紧臂）对固体施加压力，确保样品和晶体之间的一致性接触。

总体来说，衰减全反射 (ATR) 是傅里叶变换红外 (FTIR) 光谱中最常用的采样技术。衰减全反射 (ATR) -FTIR 能够快速、轻松地测量包括液体、固体、粉末、半固体和糊剂在内的多种样品类型，从而被广泛采用。在衰减全反射 (ATR) 采样模式下，红外 (IR) 光穿透晶体，在晶体-样品界面处发生内反射，反射光传播至 FTIR 检测器。在内反射过程中，一部分红外光进入样品并被吸收。进入样品的光则被称为衰减波。

在衰减全反射傅里叶变换红外 (衰减全反射 (ATR) -FTIR) 模式下，红外光在晶体内被完全反射，一小部分光与样品发生相互作用。

衰减波穿透样品的深度取决于 ATR 晶体与样品之间的折光率差值。因此，衰减全反射 (ATR) -FTIR 分析中需根据样品类型使用不同的晶体材料，同时衰减全反射 (ATR) 晶体也有多种材料可选，选择哪种材料取决于应用领域。ZnSe晶体适用于常规分析，但较硬的样品会导致晶体破裂或破碎，强酸性或碱性样品会产生有毒烟雾。Ge晶体由于其穿透深度较小，适合于高折射率样品和表面分析。金刚石是衰减全反射 (ATR) 晶体的标准材料，它几乎坚不可摧，同时为加热衰减全反射 (ATR) -FTIR实验提供高导热性。

3、镜面反射法

镜面反射是一种外部反射技术，不同于依赖于内部反射的衰减全反射 (ATR) 。在镜面反射中入射角等于反射角。该技术用于固体的光滑表面，特别适用于反射基质上的薄膜、大块材料、单层样品分析。此类型的附件还可以测量涂覆在金属表面样品的透射-反射率（透反射）光谱。光谱包含来自涂层表面的信息，以及下面的金属表面。这种方法最适用于测量金属表面的保护涂层。

镜面反射采样可用于液体、薄膜和散装材料的 FTIR 检测。说白了，就是红外(IR) 光以特定角度照射到样品表面上并被反射，然后在与入射光相同的特定角度检测反射光。

4、漫反射法

漫反射红外傅立叶变换光谱（DRIFTS）是外部反射技术，用于收集具有粗糙表面的强吸收样品（如粉末）的红外光谱。红外入射光束穿透样品，随后向各个方向散射。DRIFTS的主要应用领域为药物学和法医学实验室粉末样品的定性分析。

所以，漫反射的采样技术略有不同。它主要用于粉末的 FTIR 分析。红外光 (IR) 照射到样品上会向各个角度反射。

5、FT-发光（PL）光谱法

FTIR光谱仪通过升级配置可用于测量中红外区域的光致发光（PL）光谱。对于这种测量，需要一个激发激光，并引导激光至样品上。然后，样品的PL发射信号进入干涉仪后到达检测器。该技术主要用于检测稀土和半导体的MIR光致发光信号。

FTIR光谱技术是一种非常通用的技术，可以搭载适合不同应用场景的样品附件，还可以适应不同的实验室需求，从常用的方法（如ATR-FTIR附件）到FTIR光谱仪的使用（如FT-PL）。

八、傅里叶变换红外光谱仪（FTIR）的应用领域

傅里叶变换红外光谱（FTIR）分析具有广泛的应用，是许多领域中的重要技术。下面列举出其中几个应用：

1、化学分析

傅里叶变换红外光谱（FTIR）分析可以用于确定化学物质的种类和浓度。它可以帮助化学家确定分子的结构，并在研究中使用该信息进行反应控制和品质控制。

2、多晶体分析

傅里叶变换红外光谱（FTIR）分析也可以用来分析固体中的化学结构。多晶体分析可以提供材料的形态和晶体结构信息，包括晶格参数、晶胞体积等。

3、生物医学研究

傅里叶变换红外光谱（FTIR）分析在生物医学研究中也有重要应用。例如，可以用于快速检测血液和组织标本中的病原体和代谢产物，从而实现快速、无创诊断和治疗。

九、傅里叶变换红外光谱仪（FTIR）分析技术在化学研究中的重要性

傅里叶变换红外光谱仪（FTIR）分析技术在化学研究中的重要性体现在以下几个方面：

1、分子结构研究

傅里叶变换红外光谱（FTIR）分析可以用来确定分子结构，并用于反应控制和品质控制。这种技术对于研究新的材料和化学反应机理是至关重要的。

2、化学反应机理研究

傅里叶变换红外光谱（FTIR）分析可以跟踪化学反应过程，并获得化学反应机理的信息。研究化学反应机理可以帮助我们了解以下内容：反应中间物的生成、反应物和产物之间的发生变化、反应条件如何影响化学反应等内容。

3、质量控制

傅里叶变换红外光谱（FTIR）分析也可以用于产品质量控制。通过确定样品的化学结构，可以确保产品符合预期的化学成分和物理性质，从而保证产品质量。

傅里叶变换红外光谱（FTIR）分析作为一种强大而广泛的分析技术，具有许多重要应用，可以帮助确定分子结构和化学反应过程中的机理。它在化学研究中发挥着重要的作用，并为化学家们提供了宝贵的工具。

十、傅里叶变换红外光谱仪（FTIR）与其他仪器的联用技术

傅里叶变换红外光谱仪（FTIR）与其他仪器的联用技术是近代研究发展的重要方向。在现代分析测试技术中，用于复杂试样的微量或痕量组分的分离分析的多功能红外联机检测技术代表了新的发展方向。

傅里叶变换红外光谱仪（FTIR）与色谱联用可以进行多组分样品的分离和定性，与显微镜联用可进行微量样品的分析鉴定，与热失重联用可进行材料的热稳定性研究，与拉曼光谱联用可得到红外光谱弱吸收的信息。实践证明，红外光谱联用技术是一种十分有效的实用技术，现已实现联机的有气相色谱-红外、GX液相色谱-红外、超临界流体色谱-红外、薄层色谱-红外、热失重-红外、显微镜-红外及气相色谱-红外-质谱等，这将进一步提高分析仪器的分离分析能力。

随着傅里叶变换红外光谱仪（FTIR）技术的发展，远红外、近红外、偏振红外、高压红外、红外光声光谱、红外遥感技术、变温红外、拉曼光谱、色散光谱等技术也相继出现，这些技术的出现使红外成为物质结构和鉴定分析的有效方法。

近年来，随着计算机技术的发展，红外光谱定性分析实现了计算机检索和辅助光谱解析。概括地说，就是首先将相当数量化合物的红外光谱图，按照一定规则进行编码后，存放在计算机的存储设备中形成谱库，然后，对待分析样品的红外光谱图也进行同样的编码，再以某种计算方法与谱库中存储的数据逐个进行比较，挑选出类似的数据，之后按类似的程度输出挑选结果，从而达到光谱检索目的。而这也大大减少了光谱解析的工作量。

十一、写在最后面的话

傅里叶变换红外光谱仪（FTIR）分析技术是一种红外 (IR)光谱法，广泛用于定性和定量表征材料。FTIR 采样技术主要有四种：透射、衰减全反射(ATR)、镜面反射和漫反射 (DRIFTS)，它们的区别在于红外光与样品的相互作用方式以及所需的样品类型。傅里叶变换红外光谱仪（FTIR）分析技术使研究人员能够高精度地识别分子结构、官能团和浓度，这使其在纺织、材料科学、制药以及食品饮料等各个领域都具有不可估量的价值。

十二、傅里叶变换红外光谱仪（FTIR）技术的常见问答

1、Q：FTIR的测试样品干燥的目的？含水的样品可以测试吗？

A：含水的样品不能直接测试，测出来的水峰（3000-3500cm-1左右）太明显，会影响附近峰的分析，含水的样品测试前必须干燥，干燥的目的就是除水。

2、Q：高温红外数据，基线不平和室温测试结果差距较大是什么原因？

A：基线是否平和透过情况，是样品本身决定的，高温红外和普通红外测试一样，都不会太平滑，使基线变平整就修改了本身特征（红外测试完是可以手动调整基线的，但是有修改数据、数据造假的嫌疑，不建议调整）。

3、Q：红外图测试吸收率在波数较小的地方图谱出现很多竖直线怎么回事？

A：测试无机样，红外吸收不好，不建议测试吸收，一般透过率效果还好一些。

4、Q：红外数据吸收可以转出透过吗？

A：可以转，但仅限视图，无法得到转后的数据，如果想要原始数据，需要重新测试。

5、Q：红外漫反射模式数据只能得到反射率吗？

A：不是的，漫反射只是一种模式，既可以得到反射率，也可以得到吸收率或透过率，一般漫反射会选K-M模式，是漫反射函数校正后的结果。

6、Q：红外测试结果的透过率反射率大于100%（吸收小于0）怎么回事？

A：透过率、反射率大于100%或吸收小于0，说明样品某些波数区域的透过率、反射率要好于背景（吸收比背景弱），可能是以下原因：

（1）有可能是溴化钾片表面毛糙了，杂散光较多，所以背景透过率较小（吸收较大）。

（2）没有扣除背底进行校正，这种情况不影响定性结果，可以直接用。

7、Q：测试曲线出现部分位置透过率为0无法看出峰位，是什么原因造成的？

A：这种数据无法看出真实峰位，不能用来进行分析；造成这种曲线的的原因可能是：

（1）粉末样品的话，这种情况一般是样品量放太多了，需要重新测试；

（2）块体的话应该是样品吸收能力较强，需要用全反射模式进行测试。

8、Q：红外测试是如何定性定量的？

A：定性：组成化学键或官能团的原子处于不断振动的状态，不同的化学键或官能团吸收频率不同，在红外光谱上将处于不同位置，从而可获得分子中含有何种化学键或官能团的信息；

定量：依据朗伯-比尔定律，峰的吸收强度A=a*b*c（其中a为吸收系数，常数；b为厚度；c为浓度）有内标法和外标法两种，一般采用内标法，利用不同基团吸收峰的面积的比值进行定量分析，但是红外定量只能算是半定量。

9、Q：傅里叶变换红外光谱与拉曼光谱各有什么特殊的优势吗？

A：拉曼光谱的优势在于它使用更短的波长，这意味着拉曼可以获得更好的空间分辨率，与FTIR红外光谱仪分析相比，拉曼可以分析更小的粒子。但拉曼有两个缺点：首先，拉曼需要很大的能量，这对于易损的样品可能是一个问题，他们可能会被破坏；第二，荧光对拉曼有很大的干扰，拉曼光谱会被荧光遮蔽，所以识别可能存在问题。

另一方面，FTIR傅里叶红外光谱的速度更快、灵敏度更高，但FTIR使用的波长更长，在空间分辨率方面受到限制。FTIR只能分析较大的颗粒，而拉曼光谱可以分析0.5微米以下的颗粒，具有很好的识别性。FTIR能分析的颗粒尺寸通常不会小于7微米，但比拉曼光谱快。例如，在分析含有大量颗粒的过滤器时，许多人更喜欢FTIR，因为它们可以在相同的时间内分析更多的颗粒。

10、Q：什么是ATR模式？

A：ATR即衰减全反射，是红外光谱测试技术中一种应用十分广泛的采样技术，将待测样品置于ATR附件上方，红外光束在ATR晶体内发生衰减反射后到达检测器，在测试块体、薄膜、液体、浆状、胶状、粉末、柔软的聚合物等样品时大有用处，既可以免除压片制样的繁琐步骤，又可以避免溴化钾吸水带来的水的吸收峰对测试的干扰。

11、Q：如何选择红外测试方法？

A：红外测试一般主要分为溴化钾压片法、ATR及液体样品池方法。 溴化钾压片方法适合粉末样品，此方法中涉及溴化钾带入的杂峰影响，所以我们一般选择扣除溴化钾背景和空气背景方法（具体方法客户可以指定），扣除溴化钾背景可以尽量避免溴化钾引入的杂峰（主要因为溴化钾极易吸水，羟基峰影响非常明显）。 ATR方法适合各种固体，块状薄膜，液体等无法研磨成粉末样品，该方法优势是无其它杂质峰干扰，但是缺点为有些样品峰会比较弱。液体样品池法，一般适合于一些液体样品测试，如果采用的是溴化钾窗片，样品里不能含水，不能跟溴化钾反应。

12、Q：对于样品中目标结构含量较少的情况，可以测出吗？

A：样品纯度应尽量高，否则目标峰周围有较多杂峰或强吸收峰，可能分辨不出。

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审核编辑 黄宇