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本文目录一览：
（四）傅立叶变换红外光谱
1.基本原理
红外光谱又称为分子振动转动光谱，是一种分子吸收光谱。当一束具有连续波长的红外光通过物质时，物质分子中某个基团的振动频率或转动频率和红外光的频率一样时，分子就吸收能量由原来的基态振（转）动能级跃迁到能量较高的振（转）动能级。因此，物质分子吸收红外辐射发生振动和转动能级跃迁的波长处就出现红外吸收峰。采用专用仪器记录下透过物质的系列红外光，就是该物质的红外光谱。红外光谱法实质是一种根据物质分子内部原子间的相对振动和分子转动等信息来确定物质分子结构和鉴别化合物的分析方法。
傅立叶变换红外光谱法（Fourier transform infrared spectroscopy，简写FTIS）是利用干涉图与红外光谱图之间的对应关系，通过测量干涉图和对干涉图进行傅立叶积分变换的方法来测定和研究红外光谱图的一种方法。
2.样品要求
（1）样品可以是加工成200目的粉末，也可用不加盖片的薄片或光片。
（2）用于以矿物结构、结晶度研究为目的样品最好采用挑选过的单矿物，以尽量减少其他矿物的影响。
3.地质应用
（1）矿物鉴定：利用红外光谱鉴定矿物是红外光谱在地学领域的基本应用。国际矿物及新矿物命名委员会规定红外光谱数据是矿物鉴定的基本数据。矿物红外光谱反映了矿物化学成分、结构特征等信息。从矿物光谱的谱带位置、形状、强度等特征，能判断矿物的类型或是哪一种矿物。如有相应的矿物谱库，则可通过光谱检索来确定矿物。也可参考公开出版的矿物红外光谱图集进行矿物鉴定。
（2）矿物类质同象及同质异象研究：类质同象是指矿物晶体结构中某种质点被其他类似的质点所代替，使晶格常数、物理化学性质发生变化，而结构型式并不改变。矿物类质同象出现一系列结构相同但成分规律变化的系列矿物，反映在红外光谱图中与之相关的吸收谱带发生规律性的位移。
同质异象是指矿物的多形现象，可作为地质作用的温度计和压力计，反映矿物形成环境的差异。成分相同但结构不同，反映在红外光谱上则有很大的差别。
（3）矿物中的水组分研究：红外光谱是研究矿物中水组分的有效手段。矿物中的水主要以分子水H2O、羟基，以及少见的H3O+形式存在，通过3000cm-1以上谱带的信息可以判断矿物结构中水的存在形式。
（4）矿物结构研究：红外光谱主要可用于矿物晶体结构中的有（无）序现象研究，对于探讨矿物形成条件具有重要意义。
（5）矿物结晶程度研究：随着矿物结晶度的降低，晶体内部结构排列变得不规则，对称性降低，反映在红外光谱上的特点是基团振动频率不再是几个固定的值，谱图上的吸收带加宽，谱带数量减少，由此可以判断矿物的结晶度。目前红外光谱法已经被用于石英、磷灰石、高岭石、三水铝石、锆石等矿物的结晶度研究；在研究陨石冲击事件的关键地质科技问题中，有研究者也采用了红外光谱法，利用黑云母和石英的结晶度变化过程表征冲击压力作用的变化。
（6）矿物中包裹体研究：研究矿物中的包裹体有助于了解矿物的形成环境和演化过程。利用红外显微镜附件对单个包裹体进行红外光谱法测试是研究单个包裹体的有效手段之一。另外在石油地质中红外光谱法也被用于有机包裹体研究。通过测得的有机包裹体红外光谱图计算有机质的烷基链碳原子数和正烷烃直链碳原子数，从而能划分油气成藏期和确定油气包裹体的成熟度。
傅立叶变换红外光谱仪的原理是什么
傅立叶变换红外光谱仪的原理是通过测量经过红外吸收的干涉图，并对其进行傅立叶积分变换来获得被测物质的红外波段的光谱图，从而可以对该物质的元素，组分和分子结构进行分析和确定。和传统的色散型光谱仪相比，傅立叶变换红外光谱仪可以获得较好的信噪比和分辨率。目前学校和研究所里使用的红外谱仪基本上都是傅立叶变换红外谱仪(FTIR).
红外光谱
一、红外光谱的基本原理
分子运动包括分子整体的转动、组成原子的振动和分子中电子的运动。分子的每一运动状态都具有一定的能量。在分子中，各原子靠相互的键力作用维持在平衡位置，并在平衡位置附近作微小的振动，构成分子的振动模式。分子的振动在一般的情况下是复杂的，因此在一定条件下可把分子的振动看作是几种相互独立的较简单的振动方式的叠加。这些相互独立的较简单的振动方式转为简正振动模式。每种简正振动模式有其特征频率(v)，各种简正振动频率由分子的几何构型、原子间的键力场及原子的质量等因素决定的。
分子在作频率为v的简正振动时，它的振动能量为：En=(1/2+n)hv式中，n是振动能级的振动量子数，取整数0，1，2，…，h是普朗克常量。
振动基态E0称为零点振动能，即便是在绝对零度时也存在零点振动能。当入射光子的能量hv恰好等于振动的能级差时，分子有可能吸收光子能量而发生振动状态的跃迁。
可见，hv光=E1-E0=hv0。当入射光的频率等于分子的一个简正振动频率(v光=v0)时，则分子有可能吸收光的能量，从基态跃迁到第一激发态。按经典理论的说法，就是由于入射光的频率等于振动的固有频率，使分子对光能发生共振吸收(图13-5-1)。
图13-5-1 红外光谱振动基态
产生红外吸收的条件，除了上述的跃迁规律外，同时还必须具有偶极矩的变化，这种振动方式称为红外活性的，反之，在振动过程中偶极矩不发生变化的振动方式是非红外活性的，虽然有振动，但不能吸收红外辐射。一个多原子分子可具有3N-6种(N为组成分子的原子数)简谐振动(对于线性分子只有3N-5种)，各种简谐振动具有一定的能量，在特有的波数位置上应产生吸收，即每种简谐振动相应有一个振动频率。在各种简谐振动中，有的振动属于非红外活性，有的因具有相同的振动频率(但方向相反)而产生振动简并。所以，红外振动频率数目总是少于振动形式数目3N-6(或3N-5)，分子对称型越高，简并越多，振动频率越少于振动数目。
测量和记录红外吸收光谱的仪器称为红外分光光度计。根据分光原理的不同，红外分光光度计可分为两大类型：色散型和干涉型。色散型红外分光光度计依据光的折射和衍射，采用色散元件(棱镜或光栅)进行分光；干涉型红外分光光度计则是基于光相干性原理利用干涉仪达到分光的目的。再根据数学上的傅立叶变换函数的特性对干涉仪进行改进，并利用计算机将其光源的干涉图转换成光源的光谱图，故又称为傅立叶红外分光光度计(fTIR)。
由于傅立叶变换红外分光光度计屏弃了狭缝装置，使得它在任何测量时间内都能够获得辐射源的所有频率的全部信息，同时也消除了狭缝对光谱能量的限制，使得光能的利用率大大提高，即所谓能量输出大，因而它在实际使用上有很多优点。提高了灵敏度、分辨率和精度(0.01cm-1)，减少了杂散光。
二、红外光谱的解析
红外区的划分
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(1)近红外光区：其吸收带主要是由低能电子跃迁、含氢原子团伸缩振动的倍频吸收等产生的。该区的光谱可用于研究稀土和其他过渡金属离子的化合物，及水、含氢原子团化合物的分析(如胶、蜡和宝玉石中的有机染料)。
(2)中红外光区：该区的吸收带主要为基频吸收带，由于基频振动是红外光谱中吸收最强的振动，故此区最宜用于对宝玉石进行红外光谱的定性和定量分析。①在4000～1250cm-1称为特征频率区，此区的吸收峰较疏，主要包括：含有氢原子的单键、各种三键和双键的伸缩振动的基频峰；②1250～400cm-1频区是宝石矿物鉴定的指纹区。所出现的谱带相当于各种单键的伸缩振动，以及多数基团的弯曲振动。③相关频率：特征频率可以证明官能团的存在，但多数情况下，一个官能团有数种振动形式，而每一种红外活性振动都有一个相应的吸收峰，有时还能观察到倍频峰，因而不能由单一特征峰肯定官能团的存在。特征频率是与相关频率相互依存的吸收峰，其数目是由分子结构和光谱图的波长范围决定的。在中红外光谱区，多数基团都有一组相关峰。
(3)远红外光区：该区的吸收带主要与气体分子中的纯转动跃迁、振动-转动跃迁，一般不在此区范围内进行宝玉石分析。
三、试样的制备
现代的傅立叶红外光谱仪附有显微透射和反射红外光谱装置，可以不破坏样品直接检测。对不透明的宝石采用反射红外光谱装置检测，对透明的宝石采用透射红外光谱装置检测。对于宝石矿物原料则采用粉末法制备样品。粉末法制备样品制备的方法主要有2种：压片法和糊状法。
(1)压片法：一般将宝玉石样品取下1～3mg，放在玛瑙研钵中制成粉末，加100～300mg KBr混合研磨均匀，再加入到压模内，压制成一定直径或厚度的透明片。然后进行测定。
(2)糊状法：如果是研究宝玉石中的氢的存在形式，则将试样研成粉末后和石蜡油混合研磨制成糊膏，以减少在样品中的散射。
一般来说，在制备试样时应注意以下几点：①试样最好是单一组分的物质；②试样的浓度或测试厚度应选择适当，以使光谱中大多数吸收峰的透光度处于15%～70%范围内；③试样中不应含有游离水。
四、红外光谱在宝石学中的应用
红外光谱是振动光谱，它是物质内部的显微结构和键合的灵敏探测器。根据所观测到的吸收峰的位置、对称性和相对强度，可提供非常有用的结构和成分信息。利用特征吸收谱带的频率，推断分子中存在某一基团成键。进而再由特征吸收谱带频率的位移，推断邻接基团的特征，由分子的特征吸收谱带强度的改变，可对其混合物和化合物进行定量分析。
红外光谱图的表示：纵坐标表示透过率(或吸收率)，横坐标表示波长(nm)或频率(cm-1)。红外光谱在宝玉石学中有着广泛的应用。
(1)宝玉石物相的鉴定：与钻石相似的无色宝石，如无色的立方氧化锆、钇铝榴石和锡石等和钻石十分相似，但它们的红外光谱图有明显的区别。
(2)钻石类型的判定：如图13-5-2是用FTIR判定钻石类型的一个好方法。
图13-5-2 用红外光谱(FTIR)判定钻石类型
图13-5-3 金刚石的红外光谱图
(3)浸染宝玉石的检测：如翡翠的A、B和C货的检测，镀膜处翡翠的鉴定。
(4)近红外区是宝玉石中碳、氢和氧等元素存在形式研究的特征区。矿物中若有水分子存在，则它的组合频和倍频均在近红外区(如绿柱石和电气石等)。红外光谱图中(图13-5-3)显示IIb型金刚石结构中存在H2分子，其振动谱峰位于4106cm-1。
傅里叶红外光谱仪有哪几部分，各自的功能
傅立叶红外光谱仪最核心的部分是 迈克尔逊干涉仪。可以说没有干涉仪就没有傅立叶变换红外光谱。正是因为红外光源经过迈克尔逊干涉仪发生多色光相干，经过样品吸收之后，检测器检测到含有样品信息的红外干涉光的干涉图信号，再经过计算机将干涉图信号经过傅立叶变换，才转换成红外光谱。
其余的部件，如：检测器，光源，光学反射镜，采集卡，计算机等。
光源：用于产生宽带的红外光，样品吸收光源产生的红外光后引起样品分子的振动态跃迁，从而引其透过样品的红外光在相应波长上的透过强度的变化，这也是红外光谱能检测分子振动特征峰的理论来源。
光学反射镜：用于改变红外光的光路
检测器：用于检测透过样品的红外吸收信号，并将光信号转换成电信号传送给计算机的采集卡。
采集卡：用于采集检测器检测到的信号，并将信号存储、处理成光谱。
计算机：用于控制光谱仪的运行，协调迈克尔逊干涉仪，检测器和采集卡的运行、数据采集和处理。
傅立叶红外光谱仪FTIR的具体原理？
傅立叶变换红外光谱仪的核心部件是干涉仪，干涉仪的主要功能是使光源发出的红外光分为两束，一束被定镜反射，一束被动镜反射，动镜的移动使得反射回来的两束光产生了一定的光程差，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，就可以得到以波长或波数为函数的频域图，即红外光谱图。
傅立叶红外光谱仪原理
我们知道红外光谱仪的新变化一般都发生在单色器或检测器上。傅立叶是指的单色器的类型！比较老的单色器还有那个“光栅”。你应该知道光栅是利用光学的原理把原来杂色光变成单一波长的光逐一的射如样品池。而傅立叶也是和它基本一样的就是多了一个将信号转变的过程
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