【傅立叶红外仪原理】傅立叶红外仪原理及应用：探究傅里叶红外技术的测量基础和应用领域|资讯|承天示优

一、傅立叶变换与傅里叶级数展开

为了深入理解傅里叶红外技术，我们需要先介绍一下相关的数学基础——傅立叶变换和傅里叶级数展开。

在信号处理和图像处理中，经常会遇到各种不同类型的信号。而这些信号通常都是由若干个简单周期函数组合而成（如正弦波等）。因此，如果能够将复杂的信号分解为若干个简单周期函数，则可以更方便地对其进行分析和处理。

这时候就需要使用到“Fourier Analysis”（即“Fourier分析”），其中关键的两部分内容包括：

- 傅立叶变换：将一个非周期性但有限制或无限制时长数据序列转化为一个连续频谱函数。

- 周期性数据序列可以表示成离散频率组件之和。该过程称作“离散时间Fourier变换”，也被称作“离散Fourier分析”。

具体来说，在进行任何一项实验或者研究之前，都需要进行傅立叶变换或者傅里叶级数展开，以便更好地分析数据并得到有效结果。

在物质科学领域中，测量样品的振动具有非常重要的意义。例如，在确定一种化合物结构时，“谱图法”（spectroscopy）就可以提供很多帮助。而“光谱学”旨在通过特定波长或频率下物质与电磁辐射相互作用时反射、散射、折射等过程所产生的信号来探索生命体系和环境系统等复杂体系。

因此，人们发明了各种类型的光谱仪器来检测并分析这些信号。其中最被广泛采用和成熟的方法之一就是傅里叶红外（FTIR）技术。

由于不同分子会表现出不同类型的振动行为，因此当它们处于激发状态时所释放出的辐射能量也会呈现不同形式。这包括吸收和散射两个方面，并且呈现出非常复杂的谱图。然而，这些谱图又可以看做是由一组简单周期性波动所构成的。

利用傅立叶变换技术，我们可以将这些信号转换成不同频率的光谱形式来解读和分析任何给定样品中各种原子和化学元素之间的交互作用。因此，在FTIR仪器中，通常会采用以下三个部件：

- 光源：发射辐射能量。

- 样品室：放置待测样品进行扫描并记录其反射/透过特性。

- 检测器（detector）：允许对经过样本后被反弹回来或穿透体系到达检测器上的所有信息进行电子串行读取。

当红外辐射通过被控制在准确位置上、具有特定几何形状和精确线宽的滤光片时，“干涉”的结果就会引起干涉条纹，并产生一个称为“干涉图”(interferogram) 的输出信号。这个输出信号随后就传输到计算机系统内与理论数据相匹配，并选取近似值贴合其中以得到所需荧光振动信息。

FTIR技术在多种领域中都有广泛应用，包括：

1. 生命科学

FTIR被广泛应用于微生物分类、药物筛选、体液分析以及癌症诊断等方面。

例如，在对组织切片做水解及脱脂处理后，可以通过傅里叶变换来确定样品内所含成分。这进而为健康状态监测和医疗治疗提供了支持。

2. 材料科学

FTIR可提供各种线性或非线性化合物所具备的信息，并且还能够检测并区别不同类型的表面材料进行比较（如与钢管相似但又有差异的 PVC 管）。

碳纤维增强复合材料（CFRC）就是一个例子。使用 FTIR 能够发现其近似于 Kevlar 高强度聚酰亚胺纤维，因此能够在未加质量时预测它们的弹性模量值。

3. 化学工程

当必须深入探究某一特定催化剂或反应器时，FTIR则再次展示了其优势——即可通过光谱图与模型相互验证。例如，在“甲醇水合反应”过程中，FTIR技术显示出了这是一种以吸热作用为主的化学反应。

4. 环境科学

在监测城市和乡村环境污染方面，FTIR也仅次于质子核磁共振（PNM）技术，并且可以通过生物标志物来帮助诊断现场可能存在的地下水或土壤降解情况。

综上所述，因其快速、准确、可靠并且不具侵入性等特性，傅里叶红外技术在许多领域都得到广泛运用，并将持续承担着对各类疾病和环境问题等重要问题进行探索的使命。

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