FTIR 傅立葉轉換紅外線光譜儀完整指南：原理、吸收峰對照表與圖譜判讀

FTIR（傅立葉轉換紅外線光譜儀，Fourier-Transform Infrared Spectrometer）是利用分子振動吸收紅外線的特性，鑑定樣品官能基與化學結構的分析儀器。它回答的問題是「這個樣品是什麼材質、含有哪些官能基」：固體、液體、薄膜、粉末大多可以直接量測，一張圖譜通常在一分鐘內完成。從高分子材質鑑定、客訴異物分析，到藥廠原料進廠的鑑別放行，FTIR 都是實驗室裡使用頻率很高的一台。

它也常被簡稱為紅外線光譜儀。嚴格說 FTIR 是紅外線光譜儀的一種架構，不過目前市售的中紅外光譜儀幾乎都採傅立葉轉換式，兩個名稱在實務上已經通用。

我們在儀器評選的現場，看到 FTIR 的詢問常卡在同一個地方：使用者知道要買，但對「它到底怎麼運作、圖譜出來要怎麼看、哪些東西它其實測不到」沒有完整的圖像，規格表就讀不出重點。這篇把這三件事一次講清楚。

一、FTIR 是什麼：從分子振動到紅外線吸收

FTIR 的物理基礎是分子振動。分子裡的化學鍵不是靜止的，它會伸縮、彎曲，每一種振動都有自己的頻率；當照進來的紅外線頻率跟某個振動頻率吻合、而且該振動會改變分子的偶極矩時，這個頻率的光就被吸收。

把「哪些頻率被吸收、吸收多少」畫成圖，就是紅外線光譜。橫軸用波數（cm⁻¹）表示，一般分析用的中紅外範圍是 4000–400 cm⁻¹。

同一種官能基的振動頻率落在相對固定的區間。C=O 羰基不管長在酮、酯還是醯胺上，都會在 1670–1780 cm⁻¹ 附近出現一根強峰；O–H 會在 3200–3550 cm⁻¹ 拉出一片寬帶。這就是 FTIR 能「認官能基」的原因。

而整張圖譜合起來看，每種化合物又有自己獨一無二的形狀。這讓 FTIR 同時具備兩種能力：

• 定性鑑定：從吸收峰位置判讀樣品含有哪些官能基
• 比對確認：整譜與標準品或圖庫比對，確認「是不是同一個東西」

實務觀察：我們遇過食品廠在成品裡撈出一片 2 mm 的半透明碎片，用 ATR 模式直接壓上去，30 秒出譜，比對結果是 PA6 尼龍。產線用的輸送帶耐磨條正好是這個材質，當天就鎖定了污染源。這種「小樣品、快答案」的場景是 FTIR 的主場。

二、FTIR 的心臟：干涉儀與傅立葉轉換

FTIR 與早期色散式紅外光譜儀的差別在量測方式。色散式用光柵把光按波長分開、一段一段掃描；FTIR 則讓全波段的光同時通過麥克森干涉儀，由移動鏡的位移製造光程差，偵測器記錄下來的是一條干涉圖（interferogram），再由電腦做傅立葉轉換還原成光譜。名字裡的「傅立葉轉換」指的就是這一步數學運算。

干涉儀架構帶來三個實質好處：

• 快：全波段同時量測，一張圖譜數秒到一分鐘，色散式要逐波長掃描
• 訊噪比高：同樣時間內可多次掃描平均，弱訊號樣品靠累加次數補
• 波數準：內建 HeNe 雷射即時校正移動鏡位置，波數軸的準確度由雷射波長鎖定

波數準這件事對日常工作的影響比想像中大。圖庫比對、跨儀器比譜、藥典鑑別，前提都是「兩張譜的橫軸對得起來」；FTIR 的雷射波數校正讓不同廠牌、不同年份的儀器出的譜可以直接比對，這是色散式時代做不到的。

也因為這些優勢，色散式中紅外儀器在市場上已幾乎退場。現在採購紅外線光譜儀，實際上就是在選 FTIR 的機型與配件。

經驗談：規格表上的「解析度」（如 0.5 cm⁻¹、1 cm⁻¹、4 cm⁻¹）常被當成越小越好。日常的固體、液體鑑定用 4 cm⁻¹ 就夠，因為凝態樣品的吸收峰本來就寬；高解析度主要用在氣體分析。為了用不到的解析度加預算，是 FTIR 選購最常見的浪費。

三、FTIR 量測模式：穿透、ATR 與反射怎麼選

同一台 FTIR 主機，配不同的取樣配件就是不同的量測模式。模式選錯，譜的品質差很多，前處理時間也差很多。

穿透式是傳統做法：光直接穿過樣品。固體磨碎後與 KBr 粉末壓成透明錠片，液體滴在鹽片間夾成液膜，氣體用長光程氣體池。穿透式的譜型標準、與老圖庫相容性好，藥典方法也多以它為基準；代價是前處理費工，壓片品質吃手感。

ATR（衰減全反射）是目前的主流。樣品直接壓在高折射率晶體上，紅外線在晶體內全反射時滲出一層漸逝波進入樣品表面，穿透深度大約 0.5–2 µm，依晶體材質、入射角與波長而異。固體、液體、膏狀、薄膜幾乎都能直接量，免前處理。

晶體材質裡，鑽石 ATR 已經是實驗室的預設選擇：耐壓、耐酸鹼、幾乎不怕刮。ZnSe 便宜但怕硬樣品與強酸鹼，Ge 折射率高、適合高碳黑樣品。預算允許時，我們一般建議直接上鑽石晶體，省下的是往後每一次「這個樣品能不能壓」的猶豫。

反射式（鏡面反射、漫反射 DRIFTS）用在鍍膜、表面處理層這類不適合穿透也不方便壓 ATR 的場景，屬於進階配件。微小區域的量測則交給顯微 FTIR，那是另一個層級的配置，可參閱FTIR 顯微紅外光譜儀完整解析。

三種模式的取捨可以整理成一張表：

表格的重點在第四欄：ATR 量到的是表層。樣品若有塗層或表面污染，ATR 譜反映的是表面那層，不是本體，判讀時要先想清楚你要的是哪一個。

常見踩坑：KBr 吸濕性強。壓片時環境潮濕或研缽沒乾燥，圖譜會在 3400 cm⁻¹ 附近多出一片寬吸收，很容易被誤讀成樣品含 O–H。看到 O–H 寬帶時，先確認是樣品的還是水氣的。

四、FTIR 吸收峰對照表：九大官能基特徵區

判讀圖譜之前，手邊要有一張官能基與波數的對照表。先用下面這張帶狀圖建立整體的空間感：

接著是查閱用的對照表。波數以區間表示；實際峰位會隨取代基、氫鍵、共軛與樣品相態偏移，判讀時以區間思考，不要背單一數字。

用表的方式：先看 1670–1780 有沒有強峰決定「有沒有羰基」，再用 3000 以上的區域分辨 O–H、N–H 與不飽和 C–H，兩步就能把樣品歸進大類。剩下的細節交給指紋區與圖庫。

實務觀察：對照表能告訴你「有酯基」，但分不出是 PET 還是 PBT。同家族聚合物的官能基區幾乎一樣，差異全在指紋區的細峰型；這一步靠比對，不靠背表。

五、FTIR 圖譜判讀四步驟：官能基區與指紋區

一張中紅外圖譜習慣分成兩段。4000–1500 cm⁻¹ 是官能基區，峰位對應特定官能基，適合逐峰解讀；1500 cm⁻¹ 以下俗稱指紋區，骨架振動互相耦合、峰又多又密，逐峰解讀意義不大，但整段形狀對每個化合物是獨特的，適合整譜比對。

拿到未知樣品的圖譜，建議照固定順序走：

1. 先看 C=O：1670–1780 有無強峰，一步把樣品分成含羰基與不含羰基兩大類
2. 再看 3000–3600：有無 O–H 寬帶、N–H 峰；並以 3000 cm⁻¹ 為界檢查 C–H 的飽和度
3. 掃 2000–2300 的空曠區：這裡出峰就是 C≡N 或 C≡C 之類的三鍵官能基，訊息價值高
4. 指紋區交給比對：與圖庫或標準品整譜比對，確認具體是哪一個化合物

圖庫比對的分數要當參考，不能當結論。混合物、共聚物、添加劑都會讓比對分數失真；同系列聚合物之間，比對分數 90 分以上仍指錯化合物的情況並不少見。

常見踩坑：回收料混摻的判定就是典型例子。我們看過一批「純 PP」的進料，圖譜乍看與 PP 圖庫吻合度很高，但 1740 cm⁻¹ 多了一根不該存在的弱 C=O 峰，追下去是混了含酯類的回收料。機器給的分數沒抓到，人看殘差峰抓到了。

六、FTIR 的典型應用：鑑定、異物分析與品管放行

FTIR 的應用可以粗分成四類場景。

材質鑑定：塑膠、橡膠、纖維、塗層的定性，是 FTIR 用量最大的場景。高分子實驗室、品保單位、失效分析單位幾乎都以它為第一線工具。

異物與客訴分析：產品裡的不明碎片、濾網上的殘渣、表面的污斑。樣品小、來源雜，配 ATR 或顯微配件快速定性，再決定要不要送進一步的分析。

原料鑑別與放行：藥廠與化工廠對進廠原料做 ID 測試，整譜與標準品比對一致即放行。GMP 場域的做法與法規要求在第八節展開。

製程與劣化追蹤：追蹤反應官能基的消長、油品氧化（1740 cm⁻¹ 附近羰基峰隨劣化增長）、高分子老化。這類半定量應用看的是趨勢，不是絕對含量。

跨進定量或微量領域之前要先冷靜：FTIR 的長處在定性與比對。成分含量的精確定量、ppm 級微量分析，多半要交給層析或其他光譜技術，FTIR 扮演的是快篩與定性的前哨。

七、FTIR 的極限：什麼樣品測不出來

知道一台儀器測不到什麼，跟知道它測得到什麼一樣重要。FTIR 有四個天生的邊界。

沒有偶極矩變化的振動不吸收紅外線。O₂、N₂、H₂ 這類同核雙原子分子完全沒有紅外吸收，單原子氣體也一樣。氣體分析若涉及這些成分，要改用其他原理的感測器。

水是強干擾。水在 3000–3600 與 1640 cm⁻¹ 附近有強吸收，水溶液樣品的溶質訊號常被蓋掉。稀薄水溶液的分析要嘛先除水，要嘛考慮拉曼光譜：拉曼與 FTIR 的選擇律互補（一個看偶極矩變化、一個看極化率變化），水的拉曼訊號弱，水溶液反而是拉曼的主場。對稱性高的振動同樣是拉曼強、紅外弱，兩者是互補關係而非替代關係。

高碳黑與深色樣品訊號差。碳黑吸掉大部分紅外線，黑色橡膠、黑色母粒常壓出一條幾乎沒有特徵的譜。改用 Ge 晶體 ATR、增加掃描次數可以救回一部分，但要有「這類樣品先天不利」的預期。

元素組成不是它的守備範圍。FTIR 看的是化學鍵，不是元素。想知道樣品含哪些金屬元素、含量多少，要交給 XRF 或 ICP 這條路線，可參閱XRF 螢光光譜儀完整指南。無機鹽類在中紅外區也常只有少數寬弱吸收，鑑定力有限。

至於「該買 FTIR 還是 UV-Vis、螢光」這類跨儀器的選購比較，判斷邏輯在FTIR、UV-Vis、螢光光譜儀差異與選擇邏輯裡有完整展開，這裡不重複。

選購建議：評估 FTIR 之前，先把實驗室最常見的三種樣品列出來，逐一問「這個樣品用哪個模式量、會不會踩到上面四個邊界」。用真實樣品清單對規格，比對著型錄想像有效得多。

八、法規場域的 FTIR：USP〈854〉與藥典鑑別

製藥與受稽核實驗室使用 FTIR，依據的主要章節是 USP〈854〉Mid-Infrared Spectroscopy：它規範中紅外光譜的儀器適格性與操作要求，原料鑑別的試驗設計則在〈197〉分光光度鑑別試驗中引用它。歐洲藥典對應章節為 Ph.Eur. 2.2.24。台灣 GMP 場域的實務多直接引用 USP 或 Ph.Eur. 方法，引用哪一版以現行公告為準。

儀器端的要求可以歸納成兩件事：

• 波數準確度：以聚苯乙烯標準膜的特徵吸收峰核對，例如 1601 cm⁻¹ 附近的苯環振動峰；允收範圍依現行版條文執行
• 解析度與訊噪：依條文規定的測試條件驗證，納入定期 PQ 項目

執行面上，聚苯乙烯膜核對通常做成每日或每週的例行檢查，幾分鐘完成；完整的 OQ/PQ 則依各實驗室 SOP 的週期執行。稽查時被抓的常不是儀器不準，而是「驗證紀錄過期」這種管理面的破口。校正驗證的完整框架、標準品與維護合約的評估邏輯，在光譜儀校正、驗證與例行維護指南有專文整理。

九、FTIR 的安裝環境與選購資源

FTIR 對環境的主要敏感點是濕度：干涉儀光學件與部分分束器材質怕潮，多數機型以乾燥劑腔或吹拂氣體保護，儀器室的濕度控制與除濕規劃要在進場前確認。振動與溫度波動的影響相對次要，但仍建議避開震源與出風口。完整的環境檢核項目見光譜儀安裝環境規劃指南。

機型與配件的商業評估，可以從FTIR 傅立葉轉換紅外線光譜儀產品線開始；若還在「該不該買、跟哪些儀器搭配」的階段，實驗室光譜儀完整選購指南提供跨類型的全景視角。

FTIR 常見問題（FAQ）

Q：FTIR 是什麼？可以測出什麼？

FTIR 是傅立葉轉換紅外線光譜儀，靠分子振動對紅外線的吸收鑑定樣品的官能基與化學結構。它擅長回答「這是什麼材質、含有哪些官能基、跟標準品是不是同一個東西」，常見用途包含高分子材質鑑定、異物分析與原料鑑別放行。

Q：FTIR 的原理是什麼？為什麼叫傅立葉轉換？

光源的全波段紅外線先經過干涉儀，由移動鏡製造光程差，偵測器記錄成干涉圖，再經傅立葉轉換這個數學運算還原成光譜。名稱來自這個運算步驟。相比逐波長掃描的色散式，FTIR 量測快、訊噪比高，且靠內建雷射把波數軸鎖準。

Q：FTIR 吸收峰對照表怎麼用？C=O 在哪個位置？

先查 1670–1780 cm⁻¹ 有沒有強峰，這是 C=O 羰基的位置；再看 3000–3600 cm⁻¹ 的 O–H、N–H 區與 3000 cm⁻¹ 上下的 C–H 飽和度，兩步就能把樣品歸進大類。對照表的波數是區間不是定點，實際峰位會隨結構與相態偏移。

Q：ATR 是什麼？跟穿透式 KBr 壓片怎麼選？

ATR 是衰減全反射：樣品壓在鑽石等高折射率晶體上，量測表層約 0.5–2 µm 的訊號，固體液體都免前處理，是目前的主流模式。KBr 壓片屬穿透式，前處理費工，但譜型與老圖庫及藥典方法相容性好。日常鑑定優先 ATR，法規方法指定穿透式時照方法走。

Q：FTIR 跟拉曼光譜差在哪？什麼時候該用拉曼？

兩者的選擇律互補：FTIR 看偶極矩變化，拉曼看極化率變化。水的拉曼訊號弱，水溶液分析拉曼較有利；對稱性高的振動也是拉曼強、紅外弱。反過來，拉曼易受螢光干擾的樣品用 FTIR 較穩。兩者是互補關係，不是誰取代誰。

Q：FTIR 有什麼測不出來的樣品？

O₂、N₂ 等同核雙原子分子與單原子氣體完全沒有紅外吸收；水溶液的溶質訊號常被水的強吸收蓋掉；高碳黑的深色樣品訊號很弱；元素組成與含量則屬於 XRF、ICP 的守備範圍。遇到這幾類，一開始就該改走別的技術路線。

Q：FTIR 的波數校正要用什麼標準品？多久驗證一次？

慣例是用聚苯乙烯標準膜核對特徵峰位，USP〈854〉對允收範圍有明文規定。例行核對常做成每日或每週檢查，完整 OQ/PQ 依各實驗室 SOP 週期執行；受稽核場域要留意驗證紀錄的效期管理。

Q：FTIR 採購時怎麼評估廠商與機型？

建議帶著自己實驗室的真實樣品清單談：每種樣品用哪個量測模式、需不需要 ATR 晶體升級、圖庫涵蓋範圍、藥典適格性文件是否齊備。廠商端則看應用支援能量與售後校正服務的在地量能，而不是只比主機價格。需要跨品牌的中立評估，可以參考文末的儀器評選服務。

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