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简介
傅里叶变换红外光谱（Fourier transform infrared spectroscopy, FTIR）是一种基于红外光谱技术的分析方法，利用傅里叶变换将时间域信号转换为频域信号，从而获得样品的红外吸收光谱。这种技术广泛应用于材料科学、化学、生物学和环境科学等领域，用于化合物的鉴定和定量分析。
原理
红外光谱的原理：分子在吸收特定波长的红外光后，会引起分子的振动和转动，尤其是化学键的拉伸和弯曲振动。每种化学键或功能团都会在特定的红外波长（通常以波数cm−1表示）吸收能量，因此不同的化学键对应于不同的吸收峰。通过测量样品对不同波长的红外光的吸收情况，可以确定其分子结构。
傅里叶变换的作用：传统的红外光谱使用单色光依次扫描样品不同波长的吸收情况，这种方法效率较低。FTIR则使用干涉仪来一次性检测样品的所有红外波长，随后通过傅里叶变换算法将复合的时间域信号（干涉图）转换为常规的红外吸收光谱。
特点
1.高灵敏度：FTIR技术能够检测到非常微弱的光谱信号，这使得它能够分析微量样品或低浓度的化学成分。
2.快速：FTIR一次性检测所有波长（频率），而传统的扫描光谱方法则需要逐步扫描不同波长，FTIR大大提高了采样速度。
3.高信噪比：FTIR能够通过多次采样累加来提高信号的质量，降低噪声。
4.高分辨率：由于干涉仪的灵活性，FTIR可以获得更高的光谱分辨率。
5.非破坏性分析：FTIR是一种非破坏性的分析技术，这意味着样品在测量过程中不会被改变或损坏，允许对同一样品进行多次测量或用于其他分析。
步骤
（1）根据样品的物理性质选择合适的方法制备样品：
①固体样品：
KBr压片法：将固体样品与无水KBr粉末按一定比例混合并研磨均匀，随后在高压下压制成透明薄片，供红外光透过。
薄膜法：如果样品是薄膜，可直接将薄膜放在光路中测试。
②液体样品：
液体池法：将液体样品放入带有透明窗口（如KBr或CaF₂）的液体池中，供红外光通过。
③气体样品：
气体池法：使用专门的气体池，将气体样品注入池中进行测试，气体池通常具有较长的光程以提高灵敏度。
（2）仪器校准：检查仪器是否已经预热并稳定。使用标准样品进行波数校准和信噪比测试。
（3）背景扫描：在没有样品的情况下进行扫描，以获取背景光谱。背景光谱通常用于后续的光谱处理，以消除仪器和环境的影响。
（4）样品扫描：将样品置于测量位置。设置扫描参数，如扫描次数、分辨率和扫描范围。开始扫描样品，仪器会记录干涉图。
（5）数据采集：探测器接收到的干涉图信号被转换成电信号，并由计算机采集。
（6）傅里叶变换：使用傅里叶变换算法将时间域的干涉图数据转换为频率域的光谱图。
（7）光谱分析：分析得到的光谱图，识别吸收峰，确定样品中的化学成分和结构。
（8）定量分析（如果需要）：使用适当的校准方法，可以通过测量吸收峰的强度来定量分析样品中的特定成分。
（9）结果记录：记录和保存光谱数据和分析结果。
（10）样品和仪器的清理：完成测量后，清理样品池和相关部件，为下一次测量做准备。
（11）后续处理（如果需要）：对光谱数据进行进一步的处理，如基线校正、平滑、峰拟合等。
注意：具体的操作步骤可能会根据样品类型、FTIR仪器的型号和制造商的指导而有所不同。
常见问题与建议
1. 样品纯度：样品应尽量纯净，避免水分、杂质或其他化学污染物的干扰，因为这些物质可能在红外光谱中产生额外的吸收峰，影响数据解释。
2. 样品量和厚度：样品不宜过厚，否则红外光可能无法透过样品，导致吸收过强或光谱失真。对于固体样品，可以通过压片或薄膜法控制样品厚度。液体样品应使用适当厚度的液体池，厚度过大会导致吸光过强，过小则信号不明显。
3. 均匀性：固体样品（如KBr压片）需要研磨均匀，避免样品中的颗粒大小不一致，影响光谱的质量。
4. 环境控制：固体样品在压片时，尤其是使用KBr等吸湿材料时，应避免潮湿环境，以免吸收水分导致红外光谱中的水峰（如3300 cm−1和1600 cm−1）干扰。
5. 定期进行背景扫描：在每次测量样品之前都要进行背景扫描，以校正环境中的背景信号（如CO2、H2O）对光谱的影响。长时间实验时，也应定期进行背景扫描，确保稳定性。
6. 保持环境干燥：环境中的水分会影响红外光谱，尤其是O-H振动的吸收峰。因此，使用干燥剂或控制实验环境湿度是必要的。
7. 设备温度稳定性：在设备刚启动时，由于温度波动，光谱结果可能不稳定。让设备预热一段时间，确保温度和光源稳定后再进行测试。
应用示例
1.FTIR和1 H-NMR光谱验证聚酯的合成
在本研究中，FTIR被用于验证合成的聚酯ZCSX（由姜酚（Zing-OH）与柠檬酸（CA）、癸二酸（SA）、木糖醇（Xy）合成）的结构和组成。FTIR光谱显示，随着Zing-OH含量的增加，聚酯中的羟基（-OH）峰变宽，表明结构中存在更多的自由羟基。此外，随着Zing-OH含量的增加，酯基（C=O）伸缩振动峰的强度增加，这表明酯键的形成。FTIR结果还显示，与预聚物相比，后聚物在3100-3500 cm−1范围内的羟基峰消失，而在1700 cm−1处的酯基峰强度显著增加，这表明后聚物中形成了更加交联的聚合物网络。这些结果证实了ZCSX聚酯的成功合成，并且其化学结构符合设计要求。
<姜油酮，Zing-OH和ZCSX聚酯，ZCSX预聚物和后固化ZCSX聚酯的FTIR光谱>[1]
2.胶质瘤血管的FTIR成像
FTIR对胶原蛋白表征的一个重要贡献是相邻组织之间存在的光谱差异。例如，FTIR光谱成像已被证明能够发现骨骼肌结缔组织的肌内膜层和肌膜周围层之间的分子结构差异，发现它们的酰胺I吸收曲线（二级结构参数之间的比例）分别与I型和IV型胶原蛋白（其主要成分）密切相关。相同的方法可用于分析毛细血管的基底膜（BM）胶原蛋白含量。曲线拟合程序允许根据神经胶质瘤等级（III和IV）确定毛细血管BM中胶原蛋白二级结构含量的变化，IV型胶原蛋白是正常BM的主要成分（约50%），I型胶原蛋白在血管生成肿瘤中更多地用于新生血管的形成。同样，FTIR分析表明，血管BM蛋白含量的三螺旋和β-转角含量之间只存在细微差异。这些结果表明，红外光谱或光谱成像可作为胶质瘤肿瘤分级的替代组织病理学方法。
<基于血管生成毛细血管的胶质瘤肿瘤分级FTIR成像>[2]
3.热展开乳清分离蛋白（PWPI）和热展开乳清分离蛋白/罗汉果甜苷复合物（PWPI/MFE）2DFTIR光谱
PWPI粉末的FTIR分析中有几个峰：由于OH拉伸，在3377.97 cm−1处有一个强烈的宽峰，由于-COO拉伸，在1636.93 cm−1处出现一个尖锐的峰（图A）。3377.97 cm−1和1636.93 cm−1处的PWPI/MFE键的位置发生了部分偏移（图B-E）。
<MFE浓度对PWPI/MFE复合物2DFT-IR光谱的影响>[3]
4.FTIR光谱结合二维相关光谱（2DCOS）
一维FTIR光谱不能提供镉离子（Cd2+）与氧化石墨烯（GO）动态结合特性的具体信息。而2DCOS作为一种强大的技术，可以通过对光谱进行二维扩展来提高光谱分辨率，有效解决上述问题。使用2DCOS来实现Cd2+诱导的氧化石墨烯构象改变的可靠监测。Cd2+在GO上的吸附等温线如图A所示。在不同的FTIR吸收光谱中，清楚地说明了氧化石墨烯吸附Cd2+后的附加结构变化（图B）。图C、D显示了不同浓度下GO和Cd2+相互作用的2DFTIRCOS。如图C所示，在同步图中有五个自动峰，分别以1630、1525、1380、1060和880 cm−1为中心。GO的芳香CC键可分为两个峰（1635和1525 cm−1），1525 cm-1处的CC键峰源于环氧化物C-O-C峰（880和1230 cm−1）的还原。1630 cm−1处的峰变化最为显著，表明GO的芳香框架基团在Cd2+捕获过程中起着至关重要的作用。1060和880 cm−1处变化最小，分别与苯酚的C-OH拉伸和C-O-C弯曲运动有关。在同步图中，所有的交叉峰均为正，这表明所有的FTIR波段都沿同一个方向变化。此外，在异步图中观察到7个交叉峰（图D）。从Noda规则可知，Cd2+结合GO骨架结构的变化顺序为1060>1380>1630>880>1730 cm−1或苯酚的C-OH→羧基→CC双键→C-O-C弯曲运动→CO，这表明亲水位点的结合亲和力高于疏水位点。此外，配位是Cd2+与GO的含氧基团（如C-O-C、C-OH、-COOH等）之间常见的、相当大的相互作用。
<GO在吸附Cd2+后的吸附行为和FTIR光谱变化>[4]
5.阶跃扫描FTIR光谱揭示光循环
耐辐射奇球菌光敏色素（DrBphPPSM）的单体和二聚体Per/ARNT/Sim（PAS）-环鸟苷磷酸二酯酶/腺苷酸环化酶/FhlA（GAF）-光敏色素特异性（PHY）（PAS-GAF-PHY）光敏模块的时间分辨阶跃扫描FTIR光谱。660 nm处的10 ns激光脉冲引发了光反应。光谱演化完成后，用751 nm（持续时间为40 ms）的激光闪光将蛋白质驱回病程相关蛋白（Pr）状态，并确认完全恢复。将瞬态红外光谱全局拟合到序列反应模型中，以获得三个物种相关差异光谱（SADS）（图A），寿命分别为77 μs、1.46 ms和>5 ms（图B）。通过从原始数据的特征时间窗中提取光谱SADS。最终的SADS（>5 ms）与Pfr减去Pr稳态频谱（图A）非常吻合，这证明信号态（Pfr）状态是在规定时间内达到的。特别是第二中间体a（Meta-Ra）和Meta-Rc亚态，检测到来自农杆菌和集胞藻PCC6803的植物色素在时间分辨红外光谱中没有被分离。
将其与之前通过闪光光解在可见光谱范围内测定的59 μs、1.03 ms和>20 ms的寿命进行比较，结果显示两者非常吻合（图C）。通过这种比较，推断FTIR光谱中的三种SADS（图A和B）分别代表第一中间体（Lumi-R）、Meta-R和Pfr状态。
<DrBphPPSM光反应的时间分辨红外光谱>[5]
总结
FTIR通过干涉仪和傅里叶变换技术，快速获得样品的红外吸收光谱，具有高效、快速、灵敏的特点，广泛应用于化学、材料科学、环境监测和生物化学等领域，用于分子结构的鉴定和定量分析。
相关参考文献：
[1] Jindal S, Ghosal K, Khamaisi B, et al. Facile Green Synthesis of Zingerone Based Tissue-Like Biodegradable Polyester with Shape-Memory Features for Regenerative Medicine[J]. Advanced Functional Materials, 2024, 2405827. Doi:10.1002/adfm.202405827.
[2] Noreen R, Moenner M, Hwu Y, et al. FTIR spectro-imaging of collagens for characterization and grading of gliomas[J]. Biotechnology Advances, 2012, 30(6): 1432-1446.
[3] Ban Q, Liu Z, Zhang X, et al. Improvement of non-fat yogurt gel syneresis by heat-unfolded whey protein isolate/mogrosides complexes: Effect on the structural characterization through simultaneous rheological and FTIR techniques[J]. Food Hydrocolloids, 2023, 144: 109025.
[4] Wu K, Li Y, Zhou Q, et al. Integrating FTIR 2D correlation analyses, regular and omics analyses studies on the interaction and algal toxicity mechanisms between graphene oxide and cadmium[J]. Journal of Hazardous Materials, 2023, 443: 130298.
[5] Ihalainen J A, Gustavsson E, Schroeder L, et al. Chromophore–Protein Interplay during the Phytochrome Photocycle Revealed by Step-Scan FTIR Spectroscopy[J]. Journal of the American Chemical Society, 2018, 140(39): 12396-12404.
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