关于傅立叶变换红外(FTIR)中光谱分辨率的6个问题

我们深信，能让客户深入了解产品功能又对产品满意，才是我们最大的成功。基于事实，知识和理解为后盾的决策将节省大家的时间和资金，起到事半功倍的效果。

关于这份文件

时下大多数人认为，FTIR光谱仪的质量只取决于少数几个参数，例如光谱分辨率，信噪比或波数精度和准确性。只要光谱仪的参数“越好”，光谱仪的性能就越好。

果真如此吗？

在本产品说明中，我们希望消除长久以来的信息误差，并回答您对FTIR光谱仪的规格，特别是对光谱分辨率的疑问。

* 在本产品说明中所提到的术语“分辨率”始终指光谱分辨率。

1. 什么是光谱分辨率？

光谱仪的分辨率* 可以认为是分离两条波长或频率非常接近的光谱线的能力。通常情况下光谱分辨率可以用波数，也就是单位距离中波的数目( cm^-1) 来描述。

两条光谱线越近，辨识它们所需的分辨能力就越高。如果想要区分两条波数差为2 cm^-1的光谱线，您就需要选择更高的光谱分辨率（例如1 cm^-1）来测量。

不同光谱线的接近程度主要取决于待测样品的化学和物理性质。因此，想要取得最佳的测量结果，谨慎选择合适的测量参数是相当重要的。

2. 分辨率是怎么决定的?

以上的图展示了Michelson干涉仪。移动和固定镜子之间的光程差（OPD）决定了光谱仪的分辨率。

3. 怎么提高分辨率？

较大的光程差会增加分束器的干涉量，使干涉仪有更大的分辨能力。简单来说，光程差越大，分辨率就会越高。

4. 增加分辨率是否影响到其他参数?

是的。随着光程差的增加，干涉仪的移动镜必须进行更长的距离才能进行单次扫描。由于分辨率直接影响光谱的噪声程度，这会导致较差的信噪比。

5. 是否必须根据样品物态设置分辨率？

是的。以0.5 cm^-1的分辨率测量固体和液体是不会比在2 cm^-1测量得到更好的结果的。这反而减少灵敏度和增加测量时间。由于固体和液体光谱区的自然宽度约为几个波数，较高的分辨率是不会得到更好的结果。

以下例子进一步解释这一点。

示例 1: 固体和液体的光谱

图1展示了固态聚乙烯（PE）和液态异丙醇的光谱。收集光谱的分辨率为8 cm^-1至0.5 cm^-1。我们可以看到各个分辨率之间的光谱相似度非常接近，几乎看不到任何差异。

因此，如果唯一的要求是可靠地识别原材料，我们可以断定高于4 cm^-1的分辨率是不需要的。

但是在某些特殊情况，这将会不一样。虽然在4 cm^-1可以容易识别聚乙烯，当需要进行结晶度研究时（731 cm^-1） ，较高的分辨率是必须的。结晶度的波数只有在2 cm^-1 可以看出。

高于2 cm^-1的分辨率不会带来更好的结果。为了保持良好的信噪比和测量时间， 这是应该避免的。

6. 气体分析是否可以从更高的分辨率中受益？

气相分子不会像固体或液体经历“拥挤”的环境。这允许分子更自由地拉伸和旋转，而不受分子间键，相互作用或晶体效应的影响。

由于分子旋转也被红外光激发，它可以将通过FTIR光谱法进行检测。根据选择规则，拉伸和旋转分为P，Q和R分支。这仅适用于气体，因为固体和液的旋转状态无法被激发。

由于旋转带的波数通常十分接近，因此只有在更高的分辨率进行测量时才能区分出旋转带。

示例2：气体分析

图2显示在8 cm^-1到0.5 cm^-1分辨率甲烷的光谱。在约3016 cm^-1的吸收波数对应于甲烷拉伸振动模式的Q分支。

虽然解析旋转带不是必须，这也许对研究或复杂气体混合物的分析非常重要。

对于气体鉴定和定量分析，我们建议使用较高（1 cm^-1）的分辨率，因为它结合了明确物质的特异性和高灵敏度。

结论1：选择适当分辨率

有了这些信息，您可以选择最佳的光谱分辨率。我们对方案提出以下建议：

• 选择4 cm^-1用于固体和液体样品的材料验证、鉴定和质量控制
• 选择2 cm^-1分解固体或液体样品的所有振动带。保持信噪比将增加测 量时间
• 选择1 cm^-1用于大部分气体分析应用。充分表征混合气体和基础研究或许需要更高的分辨率

结论2：选择适当仪器

布鲁克提供从基本常规到高分辨率研究级的FTIR光谱仪。根据客户的要求，每个光谱仪都有一个理想的用例：

• ALPHA II 提供高达0.75 cm^-1的分辨率。这符合所有工业常规应用的需求
• 高级光谱仪例如 INVENIO 可提供高达0.085 cm^-1分辨率(VERTEX 可提供高达0.06 cm^-1分辨率)
• 对于最具挑战性的气体分析，布鲁克提供了世界上分辨率最高的FTIR光谱仪 IFS125HR，光谱分辨率为0.0009 cm^-1

参考

• [1] Chalmers, J. M., Griffiths, P. R., eds. (2002). Handbookof Vibrational Spectroscopy. John Wiley & Sons Ltd.

本内容转自布鲁克产品说明：M187 - 12/19 关于傅立叶变换红外(FTIR)中光谱分辨率的6个问题