傅里叶转换红外光谱法 (FTIR)
Fourier Transform Infrared
Spectroscopy
一,简介：
二,频率域与时间域
三,傅里叶变换红外光谱的原理
四,FTIR光谱仪构造
五,FTIR的优点：
六, FTIR主要部件
一,简介：
1.四大光谱, UV,IR,MS,NUM
药品, 食品, 植化, 环卫 ···
应用, A.对于中药中分离的成份定结构
B.作为检测也在其精密度等上挖潜力
2.简史,
1944年 棱镜分光的红外仪 perk-Elmer公司
60年代 光栅分光的红外光谱仪
80年代 干涉分光傅里叶变换红外光谱仪
二,频率域与时间域
1,频率域：
A.频率图的得来：
B.四大光谱均为频率图 。
C.存在缺点：
2,时间域的优越性,
3,Fourier Transform(时间域和
频率域的数学转换 )。
1、频率域
A.频率图的得来：
连 续 光 源 通 棱 镜 （ prism ） 或光栅
（ grating） 分光后, 分解成多波长组分 。
被分解的波长照到被测的物质分子上,
对于这物质分子, 按其各自的固有频率
振动着, 其中与此固有频率相同的特定
的波长的红外光的光子 （ photon） 被物
质分子吸收, 剩余部分透过, 成不连续
光 。 若按其波长或波数依次排列, 就可
得到传统的红外吸收光谱 。
B.四大光谱均为频率图。
? 紫外的图谱 λ~A
? 红外光谱可以用 λ 或波数作为横坐标 。
与频率的关系
? 1／ λ ＝ υ ／ c
? 质谱分析的基本公式中也可推算出
e/m∝υ
? 核磁共振中的横坐标为化学位移 PPM。
? 由其所用磁的磁场强度换算成对应的频
率赫兹值
C.存在缺点：
浪费时间,几分钟的谱图的各个区间并不一
定都含有反映被测物质的信息
浪费能量,狭缝和分光设备导致能量的极大
的损失
浪费有用信息,狭缝所阻挡部分往往包含有
大量的有用的信息
优点, 直观
2、时间域的优越性,
将时间域和频率域的图谱对照
( a ) 时间域 ( b) 频率域
为两种频率的合成 （正弦波的加合）
时间域和频率域的对照
1)无时间的浪费,时间域的信号采集可耗费的时
间是秒级, 而频率域扫描要几分钟, 差两个数
量级 。
2)无信息的浪费,所有信息全部采集
3)缺点,时间域的图谱只是一些稍有规律的曲线,
基本看不出什么意思 。
核磁共振主要在于时间上的匹配 ！ 核被激
发后, 激发态的自旋核驰豫回到基态所
需的时间是秒级, 时间域采集信息的时
间也是秒级, 所以可直接对核的激发进
行时间域的信息采集；马上用计算机处
理后, 出频率域的图谱 。
IR中, 受激发的分子在高能态的振转能级
的寿命只有 10-3秒以下, 甚至更短, 在这
时间内, 扫描检测不可能收集到, 秒级
才能完成的全部信息, 只能通过间接的
方法, 即干涉光谱 。
3,Fourier Transform
F(ω)=
f(t)=
F(ω), 频率域的波谱函数
f(t),时间域的波谱的函数
e：自然对数,2.78 － i：为虚数
ω,角速度
dttf e i?
??
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? t)(
2
1 ?
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?? ? dF e ti?
??
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?)(
F→f→F
1)可把信息非常全的时间域的图
谱变换成可直观识别的频率域图
谱 。
2)繁琐冗长的数学运算让计算机
完成 。 换言之, 看不懂的图谱,
由计算机来变换, 计算机起到
translate作用 。
三,傅里叶变换红外光谱的原理
干涉仪：麦克逊干涉仪
S,光源为准直，平行。
B S, 分束器 B e a m s p l i t t e r s
OF=OM时,δ ＝ 0
当移动镜移动 λ/4 时,δ ＝ λ/2 时，
二束光达到相位差为 180°
δ ＝ 2（ OM-OF） OF,OM为光程
当 δ ＝ nλ （ n＝ 1.2.3… ） 时,
彼此又迭加 。
I`(δ) 代表光程差引起的,
I（ ） 代表光源强度,
当 δ ＝ nλ 时 I`(δ)= I（ ）
I`(δ) ＝ 0.5I( )[1+cos2πδ/λ]
I`(δ) ＝ 0.5I( )[1+cos2π δ]
相当与直流与交流电,
随 cos2πδ/λ 变化 。 （ 1/λ= )
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A.单色光时 取后部分
I(δ) ＝ 0.5 I ( )cos2π δ 理想状态
I(δ) ＝ 0.5 H ( )I( )cos2π δ
H ( ):矫正因子
在同一仪器,同一光源时,则
设 B( )=0.5 H ( )I ( )
I(δ) ＝ B( )cos2π δ
B( )为固定值
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δ 与时间 t有关。 δ 光程差得来为
移动镜以恒速 V(cm/s)扫描。
δ ＝ 2Vt
I(t)＝ B( )cos2π 2Vt
对于频率为 f的余弦曲线，在 t秒时
的振幅 A公式为
A(t)=A。 cos2πft
A。为最大振幅
比较两式 f=2V f=c/λ=c
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由此可见动镜所得到的干涉谱是
时间域的信号,
简单的单色光谱线光源的干涉谱
为有规则的间隔的重复，而连续光
谱的干涉仪干涉谱为各频率所贡献
的余弦的干涉谱之和。除在零光程
时，同相位，全部迭加，为干涉波
的最大强度，而其它处都有不同程
度的相互抵消，因而信号急剧下降，
直达到噪声水平。如下图
B.多色光源时的光源干涉谱
多个频率的迭加, 零光程最大, 前后移
动时, 光程差的绝对值相等, 所以所得
的干涉图是左右对称的, 积分式可写为
I(δ ） = ∫0+∞B( )cos2π d ⑴
其中
B( )＝ 2∫0+∞I(δ ） cos2πδdδ （ 2）
B为偶函数
（ 1）, （ 2） 式为 FT关系
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2.计算机：
检索, 定性, 谱图的识别,
定量分析,
谱图的处理, 包括 FT
四,FTIR光谱仪构造
A/D：模－数转换 D/A:
数－模转换
D,检 测 器 S,光源
Sa:样品
BS,分束器 M2,动镜
M1:定镜
五,FTIR的优点：
.Fellgett优点：
1)时间短
多色光分解成 n个分辨单元
逐次测量, 每个单元需要时间
Δt,
总的时间 t=Δt·n,
FTIR包括了所有的多色光,
一次完成, 只要时间 Δt 。
2) 信噪比 S/N增加
? 当单色时, scan时间为 nΔt,
完成 n次测量, 信号强度随 n增加
而增加, 噪声随 n增加的 n0.5增加,
即 S/N∝n 0.5,而 FTIR只需 Δt, 只有
10.5,所以比色散仪的信噪比提高
（ n-1） 0.5
2.大光通量优点：
（ Aperture advantage）
FTIR无狭缝, 光通量大,
要比光栅高近百倍 。
3.高波数精度 (Cornnes advantage)
采用 He-Ne激光来控制测量干涉图并
取样时, FTIR可达到 0.01cm-1精度 。
4.具很宽的光谱范围：
10000cm-1－ 10cm-1
5.高分辨力 0.1-0.005cm-1
动镜和定镜构成的最大光程差为
6.具极低的杂散光：一般低于
0.3%
7.计算机的功能达到极大的发挥：
检索, 定性, 谱图的识别, 定量
分析, 谱图的处理, 包括 FT
8.适合于各种联机：
FTIR-GC FTIR-SFC(超临界 )
FTIR-显微分析
FTIR-TGA（ 热分析 ）
FTIR-Raman拉曼光谱 。
最成功的是 GC-FTIR，
色谱仪对混合物进行分离, 红外对
单一的纯化合物定性鉴定十分有效,
联机把两者优点结合起来 。
联机的主要障碍是原来色散型的光谱
仪扫描时间长, 达几分钟, 最快的也要 1
－ 2分钟, 与色谱不能吻合 。 早期有人采
用两台红外光谱仪分别承担高频和低频
的联用, 但仍不能解决问题 。
在 60年－ 71年, Low发表了多篇关于
GC（ LC） － FTIR方面的论文
80年代, Perkin-Elmen,伯乐 Bio-Rad
等公司先后试造了 GC-FTIR联系, 不仅和
填充柱联和毛细管柱也联用, 但总的 LC
和 FTIR不如 GC－ FTIR广泛, 关键是接口 。
FTIR-SFC联机也是相当好的
六,FTIR主要部件：
1.灯源
2.BS,分束器
3.干涉仪
1.灯源：
要求 A.能量强 B.发散量 C.寿命长
准直的平行光源照到 BS分束器
波长范围 cm -1 说明
Nernst 5000-400 ZrO2 ThO2
碘钨灯 10000－ 5000
硅炭棒 5000－ 200 水或风冷
却
炽热镍铬线圈 同上 风冷却
高压汞灯 <200 FTIR远红
外
2.BS.分束器, Beamsplitters
干涉仪中的核心部件
进入干涉仪中的光,
一半透射到动镜,
一半透射到定镜上,
返回 BS形成干涉光后送到样品
且很贵,
3.干涉仪 发展
80年代中期前生产的 FTIR采用空气
轴承, 动镜平行运动
80年代中期后生产的 FTIR采用空气
轴承, 分辨力达 0.08cm-1
80年代后期采用电磁驱动式,分辨
力在 0.15cm-1
应用与进展：
1.清华大学化学系和植物系,
采用 FTIR直接鉴别植物的生药材, 对 25种植物
药材, 党参, 柴胡, 葛根, 黄芩, 板蓝根, 白
芍等均有其独特的红外特征谱 。
2.样品的要求
特点：灵敏度低, KBr易吸湿影响检测限于固体
粉末
新特点：可用液体直接测定,
例 Ca的吸收上采用加入牛奶中, 采用 FTIR检测
加入量在 0.5%,液体中检测浓度只需 0.15%
3.灵敏度的提高
灵敏度低是红外的一大弊病
采用漫反射应用在 FTIR仪上
附件只有小指甲大小,
金属表面规则地作漫反射 。
（ 漫反射的灵敏度特高, 因多次反射, 信号变
大 。 原采用 KBr颗粒作漫反射, 重现性差 ）,
特点：重现性好外, 样品量少
直接将物品, 如烟草, 中药类的直接在表面擦
几下, 沾上一点即可扫描 。
复习
1.在中药质量控制中，定量检测的选择原则：
A.气相色谱：
一般挥发性的物质选用气相色谱；
结构相似的物质在液相检测中有困难的；
例：薄荷、柠檬烯；糖（单糖、寡糖）
B.液相色谱：
具大 π共轭、杂原子参加共轭的采用 UV检测器；
无法在 UV上检测时
带电时，可采用电化学检测器；
糖类可采用示差检测器或蒸发激光散射检测器；
未知化合物、但知道大致结构时可采用质谱检测器。
C.TLCS：
一般对中药定性时采用，但在无法用其他方法时也可以
此进行定量。
D.荧光与红外及紫外等光谱法,
一般用于液相色谱后的检测；
在中药的提纯后、在医学上对血液及尿液中某些成分或
药学上的药代动力学的检测；
2.条件的选择：
A.气相检测时：
柱；载气；柱温；检测器；检测器温度；气化室的温
度；分流比；
B.液相检测时：
柱 ；流动相；检测 器；
UV时：最大检测波长
荧光：最大激发波长、荧光发射波长；
电化学：电极、电压；
蒸发光散射：温度、气压或气体的流速；
C.TLCS：
展开剂；固定相；展开方法；显色定位方法；
Fourier Transform Infrared
Spectroscopy
一,简介：
二,频率域与时间域
三,傅里叶变换红外光谱的原理
四,FTIR光谱仪构造
五,FTIR的优点：
六, FTIR主要部件
一,简介：
1.四大光谱, UV,IR,MS,NUM
药品, 食品, 植化, 环卫 ···
应用, A.对于中药中分离的成份定结构
B.作为检测也在其精密度等上挖潜力
2.简史,
1944年 棱镜分光的红外仪 perk-Elmer公司
60年代 光栅分光的红外光谱仪
80年代 干涉分光傅里叶变换红外光谱仪
二,频率域与时间域
1,频率域：
A.频率图的得来：
B.四大光谱均为频率图 。
C.存在缺点：
2,时间域的优越性,
3,Fourier Transform(时间域和
频率域的数学转换 )。
1、频率域
A.频率图的得来：
连 续 光 源 通 棱 镜 （ prism ） 或光栅
（ grating） 分光后, 分解成多波长组分 。
被分解的波长照到被测的物质分子上,
对于这物质分子, 按其各自的固有频率
振动着, 其中与此固有频率相同的特定
的波长的红外光的光子 （ photon） 被物
质分子吸收, 剩余部分透过, 成不连续
光 。 若按其波长或波数依次排列, 就可
得到传统的红外吸收光谱 。
B.四大光谱均为频率图。
? 紫外的图谱 λ~A
? 红外光谱可以用 λ 或波数作为横坐标 。
与频率的关系
? 1／ λ ＝ υ ／ c
? 质谱分析的基本公式中也可推算出
e/m∝υ
? 核磁共振中的横坐标为化学位移 PPM。
? 由其所用磁的磁场强度换算成对应的频
率赫兹值
C.存在缺点：
浪费时间,几分钟的谱图的各个区间并不一
定都含有反映被测物质的信息
浪费能量,狭缝和分光设备导致能量的极大
的损失
浪费有用信息,狭缝所阻挡部分往往包含有
大量的有用的信息
优点, 直观
2、时间域的优越性,
将时间域和频率域的图谱对照
( a ) 时间域 ( b) 频率域
为两种频率的合成 （正弦波的加合）
时间域和频率域的对照
1)无时间的浪费,时间域的信号采集可耗费的时
间是秒级, 而频率域扫描要几分钟, 差两个数
量级 。
2)无信息的浪费,所有信息全部采集
3)缺点,时间域的图谱只是一些稍有规律的曲线,
基本看不出什么意思 。
核磁共振主要在于时间上的匹配 ！ 核被激
发后, 激发态的自旋核驰豫回到基态所
需的时间是秒级, 时间域采集信息的时
间也是秒级, 所以可直接对核的激发进
行时间域的信息采集；马上用计算机处
理后, 出频率域的图谱 。
IR中, 受激发的分子在高能态的振转能级
的寿命只有 10-3秒以下, 甚至更短, 在这
时间内, 扫描检测不可能收集到, 秒级
才能完成的全部信息, 只能通过间接的
方法, 即干涉光谱 。
3,Fourier Transform
F(ω)=
f(t)=
F(ω), 频率域的波谱函数
f(t),时间域的波谱的函数
e：自然对数,2.78 － i：为虚数
ω,角速度
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F→f→F
1)可把信息非常全的时间域的图
谱变换成可直观识别的频率域图
谱 。
2)繁琐冗长的数学运算让计算机
完成 。 换言之, 看不懂的图谱,
由计算机来变换, 计算机起到
translate作用 。
三,傅里叶变换红外光谱的原理
干涉仪：麦克逊干涉仪
S,光源为准直，平行。
B S, 分束器 B e a m s p l i t t e r s
OF=OM时,δ ＝ 0
当移动镜移动 λ/4 时,δ ＝ λ/2 时，
二束光达到相位差为 180°
δ ＝ 2（ OM-OF） OF,OM为光程
当 δ ＝ nλ （ n＝ 1.2.3… ） 时,
彼此又迭加 。
I`(δ) 代表光程差引起的,
I（ ） 代表光源强度,
当 δ ＝ nλ 时 I`(δ)= I（ ）
I`(δ) ＝ 0.5I( )[1+cos2πδ/λ]
I`(δ) ＝ 0.5I( )[1+cos2π δ]
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A.单色光时 取后部分
I(δ) ＝ 0.5 I ( )cos2π δ 理想状态
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H ( ):矫正因子
在同一仪器,同一光源时,则
设 B( )=0.5 H ( )I ( )
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δ 与时间 t有关。 δ 光程差得来为
移动镜以恒速 V(cm/s)扫描。
δ ＝ 2Vt
I(t)＝ B( )cos2π 2Vt
对于频率为 f的余弦曲线，在 t秒时
的振幅 A公式为
A(t)=A。 cos2πft
A。为最大振幅
比较两式 f=2V f=c/λ=c
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由此可见动镜所得到的干涉谱是
时间域的信号,
简单的单色光谱线光源的干涉谱
为有规则的间隔的重复，而连续光
谱的干涉仪干涉谱为各频率所贡献
的余弦的干涉谱之和。除在零光程
时，同相位，全部迭加，为干涉波
的最大强度，而其它处都有不同程
度的相互抵消，因而信号急剧下降，
直达到噪声水平。如下图
B.多色光源时的光源干涉谱
多个频率的迭加, 零光程最大, 前后移
动时, 光程差的绝对值相等, 所以所得
的干涉图是左右对称的, 积分式可写为
I(δ ） = ∫0+∞B( )cos2π d ⑴
其中
B( )＝ 2∫0+∞I(δ ） cos2πδdδ （ 2）
B为偶函数
（ 1）, （ 2） 式为 FT关系
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2.计算机：
检索, 定性, 谱图的识别,
定量分析,
谱图的处理, 包括 FT
四,FTIR光谱仪构造
A/D：模－数转换 D/A:
数－模转换
D,检 测 器 S,光源
Sa:样品
BS,分束器 M2,动镜
M1:定镜
五,FTIR的优点：
.Fellgett优点：
1)时间短
多色光分解成 n个分辨单元
逐次测量, 每个单元需要时间
Δt,
总的时间 t=Δt·n,
FTIR包括了所有的多色光,
一次完成, 只要时间 Δt 。
2) 信噪比 S/N增加
? 当单色时, scan时间为 nΔt,
完成 n次测量, 信号强度随 n增加
而增加, 噪声随 n增加的 n0.5增加,
即 S/N∝n 0.5,而 FTIR只需 Δt, 只有
10.5,所以比色散仪的信噪比提高
（ n-1） 0.5
2.大光通量优点：
（ Aperture advantage）
FTIR无狭缝, 光通量大,
要比光栅高近百倍 。
3.高波数精度 (Cornnes advantage)
采用 He-Ne激光来控制测量干涉图并
取样时, FTIR可达到 0.01cm-1精度 。
4.具很宽的光谱范围：
10000cm-1－ 10cm-1
5.高分辨力 0.1-0.005cm-1
动镜和定镜构成的最大光程差为
6.具极低的杂散光：一般低于
0.3%
7.计算机的功能达到极大的发挥：
检索, 定性, 谱图的识别, 定量
分析, 谱图的处理, 包括 FT
8.适合于各种联机：
FTIR-GC FTIR-SFC(超临界 )
FTIR-显微分析
FTIR-TGA（ 热分析 ）
FTIR-Raman拉曼光谱 。
最成功的是 GC-FTIR，
色谱仪对混合物进行分离, 红外对
单一的纯化合物定性鉴定十分有效,
联机把两者优点结合起来 。
联机的主要障碍是原来色散型的光谱
仪扫描时间长, 达几分钟, 最快的也要 1
－ 2分钟, 与色谱不能吻合 。 早期有人采
用两台红外光谱仪分别承担高频和低频
的联用, 但仍不能解决问题 。
在 60年－ 71年, Low发表了多篇关于
GC（ LC） － FTIR方面的论文
80年代, Perkin-Elmen,伯乐 Bio-Rad
等公司先后试造了 GC-FTIR联系, 不仅和
填充柱联和毛细管柱也联用, 但总的 LC
和 FTIR不如 GC－ FTIR广泛, 关键是接口 。
FTIR-SFC联机也是相当好的
六,FTIR主要部件：
1.灯源
2.BS,分束器
3.干涉仪
1.灯源：
要求 A.能量强 B.发散量 C.寿命长
准直的平行光源照到 BS分束器
波长范围 cm -1 说明
Nernst 5000-400 ZrO2 ThO2
碘钨灯 10000－ 5000
硅炭棒 5000－ 200 水或风冷
却
炽热镍铬线圈 同上 风冷却
高压汞灯 <200 FTIR远红
外
2.BS.分束器, Beamsplitters
干涉仪中的核心部件
进入干涉仪中的光,
一半透射到动镜,
一半透射到定镜上,
返回 BS形成干涉光后送到样品
且很贵,
3.干涉仪 发展
80年代中期前生产的 FTIR采用空气
轴承, 动镜平行运动
80年代中期后生产的 FTIR采用空气
轴承, 分辨力达 0.08cm-1
80年代后期采用电磁驱动式,分辨
力在 0.15cm-1
应用与进展：
1.清华大学化学系和植物系,
采用 FTIR直接鉴别植物的生药材, 对 25种植物
药材, 党参, 柴胡, 葛根, 黄芩, 板蓝根, 白
芍等均有其独特的红外特征谱 。
2.样品的要求
特点：灵敏度低, KBr易吸湿影响检测限于固体
粉末
新特点：可用液体直接测定,
例 Ca的吸收上采用加入牛奶中, 采用 FTIR检测
加入量在 0.5%,液体中检测浓度只需 0.15%
3.灵敏度的提高
灵敏度低是红外的一大弊病
采用漫反射应用在 FTIR仪上
附件只有小指甲大小,
金属表面规则地作漫反射 。
（ 漫反射的灵敏度特高, 因多次反射, 信号变
大 。 原采用 KBr颗粒作漫反射, 重现性差 ）,
特点：重现性好外, 样品量少
直接将物品, 如烟草, 中药类的直接在表面擦
几下, 沾上一点即可扫描 。
复习
1.在中药质量控制中，定量检测的选择原则：
A.气相色谱：
一般挥发性的物质选用气相色谱；
结构相似的物质在液相检测中有困难的；
例：薄荷、柠檬烯；糖（单糖、寡糖）
B.液相色谱：
具大 π共轭、杂原子参加共轭的采用 UV检测器；
无法在 UV上检测时
带电时，可采用电化学检测器；
糖类可采用示差检测器或蒸发激光散射检测器；
未知化合物、但知道大致结构时可采用质谱检测器。
C.TLCS：
一般对中药定性时采用，但在无法用其他方法时也可以
此进行定量。
D.荧光与红外及紫外等光谱法,
一般用于液相色谱后的检测；
在中药的提纯后、在医学上对血液及尿液中某些成分或
药学上的药代动力学的检测；
2.条件的选择：
A.气相检测时：
柱；载气；柱温；检测器；检测器温度；气化室的温
度；分流比；
B.液相检测时：
柱 ；流动相；检测 器；
UV时：最大检测波长
荧光：最大激发波长、荧光发射波长；
电化学：电极、电压；
蒸发光散射：温度、气压或气体的流速；
C.TLCS：
展开剂；固定相；展开方法；显色定位方法；
