สเปกโทรสโกปีแบบฟูริเยร์ทรานส์ฟอร์ม ( FTS ) เป็นเทคนิคการวัดที่รวบรวมสเปกตรัม โดยอาศัยการวัด ความสอดคล้องของ แหล่งกำเนิด รังสีโดยใช้ การวัด รังสีในโดเมนเวลาหรือโดเมนพื้นที่ ไม่ว่าจะเป็นรังสี แม่เหล็กไฟฟ้า หรือไม่ก็ตาม สามารถนำไปใช้กับ สเปกโทรสโกปีหลายประเภทได้แก่สเปกโทรสโกปีเชิงแสง สเปกโทรสโกปีอินฟราเรด ( FTIR , FT-NIRS) นิวเคลียร์แมกเนติกเรโซแนนซ์ (NMR) และการถ่ายภาพสเปกโทรสโกปีเรโซแนนซ์แม่เหล็ก (MRSI) ^{[ 1 ]}แมสสเปกโทร เมตรี และสเปก โทรสโก ปีเรโซแนนซ์สปินอิเล็กตรอน

มีหลายวิธีในการวัดความสอดคล้องเชิงเวลาของแสง (ดู: การหาความสัมพันธ์อัตโนมัติของสนาม ) รวมถึง สเปกโทรเมตรแบบฟูริเยร์ทรานส์ฟอร์มแบบคลื่นต่อเนื่องและแบบพัลส์หรือสเปกโทรกราฟแบบฟูริเยร์ทรานส์ฟอร์มคำว่า "สเปกโทรสโกปีแบบฟูริเยร์ทรานส์ฟอร์ม" สะท้อนให้เห็นว่าในเทคนิคเหล่านี้ทั้งหมด จำเป็นต้องใช้ ฟูริเยร์ทรานส์ฟอร์มเพื่อเปลี่ยนข้อมูลดิบให้เป็นสเปกตรัม จริง และในหลายกรณีทางด้านทัศนศาสตร์ที่เกี่ยวข้องกับอินเตอร์เฟอโรเมตรนั้น จะอิงตามทฤษฎีบทของไว เนอร์-คินชิน

หนึ่งในงานพื้นฐานที่สุดในสเปกโทรสโกปีคือการหาลักษณะเฉพาะ ของ สเปกตรัมของแหล่งกำเนิดแสง: ปริมาณแสงที่ปล่อยออกมาในแต่ละความยาวคลื่นที่แตกต่างกัน วิธีที่ตรงไปตรงมาที่สุดในการวัดสเปกตรัมคือการส่งแสงผ่านโมโนโครมาเตอร์ซึ่งเป็นเครื่องมือที่ปิดกั้นแสงทั้งหมดยกเว้นแสงที่ความยาวคลื่นที่กำหนด (ความยาวคลื่นที่ไม่ถูกปิดกั้นจะถูกตั้งค่าโดยปุ่มบนโมโนโครมาเตอร์) จากนั้นจึงวัดความเข้มของแสงที่เหลืออยู่ (ความยาวคลื่นเดียว) ความเข้มที่วัดได้จะบ่งบอกโดยตรงว่ามีแสงปล่อยออกมาที่ความยาวคลื่นนั้นมากน้อยเพียงใด โดยการปรับการตั้งค่าความยาวคลื่นของโมโนโครมาเตอร์ เราสามารถวัดสเปกตรัมทั้งหมดได้ แผนการง่ายๆ นี้ในความเป็นจริงแล้วอธิบายวิธีการทำงานของสเปกโทรเมตร บางชนิด

สเปกโทรสโกปีแบบฟูริเยร์ทรานส์ฟอร์มเป็นวิธีที่เข้าใจยากกว่าในการได้ข้อมูลเดียวกัน แทนที่จะปล่อยให้คลื่นแสงเพียงความยาวคลื่นเดียวผ่านไปยังตัวตรวจจับในแต่ละครั้ง เทคนิคนี้จะปล่อยลำแสงที่มีคลื่นแสงหลายความยาวคลื่นผ่านเข้าไปพร้อมกัน และวัด ความเข้มของลำแสง ทั้งหมดจากนั้น ลำแสงจะถูกปรับเปลี่ยนให้มี คลื่นแสงที่มีความยาวคลื่น แตกต่างกันออกไป ทำให้ได้ข้อมูลจุดที่สอง กระบวนการนี้จะถูกทำซ้ำหลายครั้ง หลังจากนั้น คอมพิวเตอร์จะนำข้อมูลทั้งหมดนี้มาคำนวณย้อนกลับเพื่อหาปริมาณแสงที่แต่ละความยาวคลื่น

กล่าวให้เจาะจงยิ่งขึ้น ระหว่างแหล่งกำเนิดแสงและตัวตรวจจับ จะมีการจัดเรียงกระจกในลักษณะเฉพาะที่ยอมให้คลื่นแสงบางช่วงความยาวคลื่นผ่านไปได้ แต่จะปิดกั้นคลื่นแสงช่วงความยาวคลื่นอื่น ๆ (เนื่องจากการแทรกสอดของคลื่น ) ลำแสงจะถูกปรับเปลี่ยนสำหรับจุดข้อมูลใหม่แต่ละจุดโดยการขยับกระจกบานใดบานหนึ่ง ซึ่งจะเปลี่ยนชุดของคลื่นแสงที่สามารถผ่านไปได้

ดังที่กล่าวไว้ การประมวลผลด้วยคอมพิวเตอร์จำเป็นต้องใช้ในการเปลี่ยนข้อมูลดิบ (ความเข้มแสงสำหรับตำแหน่งกระจกแต่ละตำแหน่ง) ให้เป็นผลลัพธ์ที่ต้องการ (ความเข้มแสงสำหรับความยาวคลื่นแต่ละความยาว) การประมวลผลที่จำเป็นนั้นกลายเป็นอัลกอริทึมทั่วไปที่เรียกว่าการแปลงฟูริเยร์ (จึงเป็นที่มาของชื่อ "สเปกโทรสโกปีการแปลงฟูริเยร์") บางครั้งข้อมูลดิบเรียกว่า "อินเตอร์เฟอโรแกรม" เนื่องจากข้อกำหนดของอุปกรณ์คอมพิวเตอร์ที่มีอยู่ และความสามารถของแสงในการวิเคราะห์สารในปริมาณน้อยมาก จึงมักเป็นประโยชน์ที่จะทำให้กระบวนการเตรียมตัวอย่างเป็นอัตโนมัติในหลายๆ ด้าน ตัวอย่างสามารถเก็บรักษาได้ดีขึ้นและผลลัพธ์สามารถทำซ้ำได้ง่ายขึ้น ประโยชน์ทั้งสองประการนี้มีความสำคัญ เช่น ในสถานการณ์การทดสอบที่อาจเกี่ยวข้องกับการดำเนินการทางกฎหมายในภายหลัง เช่น ตัวอย่างยา^{[ 2 ]}

วิธีการสเปกโทรสโกปีแบบฟูริเยร์ทรานส์ฟอร์มยังสามารถใช้กับสเปกโทรสโกปีการดูดกลืนแสงได้ อีกด้วย ตัวอย่างที่สำคัญคือ " สเปกโทรสโกปี FTIR " ซึ่งเป็นเทคนิคที่ใช้กันทั่วไปในวิชาเคมี

โดยทั่วไป เป้าหมายของการวัดสเปกตรัมการดูดกลืนแสงคือการวัดว่าตัวอย่างดูดกลืนหรือส่งผ่านแสงที่ความยาวคลื่นต่างๆ ได้ดีเพียงใด แม้ว่าการวัดสเปกตรัมการดูดกลืนแสงและการวัดสเปกตรัมการปล่อยแสงจะแตกต่างกันในหลักการ แต่ในทางปฏิบัติแล้วมีความสัมพันธ์กันอย่างใกล้ชิด เทคนิคใดๆ สำหรับการวัดสเปกตรัมการปล่อยแสงก็สามารถนำมาใช้กับการวัดสเปกตรัมการดูดกลืนแสงได้เช่นกัน ขั้นแรก จะวัดสเปกตรัมการปล่อยแสงของหลอดไฟแบบบรอดแบนด์ (เรียกว่า "สเปกตรัมพื้นหลัง") ขั้นที่สอง จะวัดสเปกตรัมการปล่อย แสงของหลอดไฟเดียวกันที่ส่องผ่านตัวอย่าง (เรียกว่า "สเปกตรัมของตัวอย่าง") ตัวอย่างจะดูดกลืนแสงบางส่วน ทำให้สเปกตรัมที่ได้แตกต่างกัน อัตราส่วนของ "สเปกตรัมของตัวอย่าง" ต่อ "สเปกตรัมพื้นหลัง" มีความสัมพันธ์โดยตรงกับสเปกตรัมการดูดกลืนแสงของตัวอย่าง

ดังนั้น เทคนิค "สเปกโทรสโกปีแบบฟูริเยร์ทรานส์ฟอร์ม" จึงสามารถใช้ได้ทั้งในการวัดสเปกตรัมการปล่อยแสง (เช่น สเปกตรัมการปล่อยแสงของดาวฤกษ์) และสเปกตรัมการดูดกลืนแสง (เช่น สเปกตรัมการดูดกลืนแสงของของเหลว)

สเปกโทรกราฟแบบมิเชลสันคล้ายกับเครื่องมือที่ใช้ในการทดลองมิเชลสัน-มอร์ลีย์แสงจากแหล่งกำเนิดถูกแยกออกเป็นสองลำแสงโดยกระจกเคลือบเงินครึ่งหนึ่ง ลำแสงหนึ่งสะท้อนจากกระจกคงที่ และอีกลำแสงหนึ่งสะท้อนจากกระจกที่เคลื่อนที่ได้ ซึ่งทำให้เกิดความล่าช้าของเวลา—สเปกโทรเมตรแบบฟูริเยร์ทรานส์ฟอร์มก็คืออินเตอร์เฟอโรเมตรแบบมิเชลสันที่มีกระจกที่เคลื่อนที่ได้นั่นเอง ลำแสงทั้งสองจะเกิดการแทรกสอดกัน ทำให้ สามารถวัด ความสอดคล้อง เชิงเวลา ของแสงได้ที่การตั้งค่าความล่าช้าของเวลาที่แตกต่างกันแต่ละค่า ซึ่งเป็นการแปลงโดเมนเวลาไปเป็นพิกัดเชิงพื้นที่อย่างมีประสิทธิภาพ โดยการวัดสัญญาณที่ตำแหน่งต่างๆ ของกระจกที่เคลื่อนที่ได้หลายตำแหน่ง สเปกตรัมสามารถสร้างขึ้นใหม่ได้โดยใช้การแปลงฟูริเยร์ของความสอดคล้องเชิงเวลาของแสง สเปกโทรกราฟแบบมิเชลสันสามารถสังเกตแหล่งกำเนิดแสงที่สว่างมากได้ด้วยความละเอียดสเปกตรัมสูงมาก สเปกโทรกราฟแบบมิเชลสันหรือแบบฟูริเยร์ทรานส์ฟอร์มเป็นที่นิยมสำหรับการใช้งานในย่านอินฟราเรดในช่วงเวลาที่ดาราศาสตร์อินฟราเรดมีเพียงตัวตรวจจับแบบพิกเซลเดียวเท่านั้น การสร้างภาพสเปกโทรเมตรแบบมิเชลสันเป็นไปได้ แต่โดยทั่วไปแล้วได้ถูกแทนที่ด้วยเครื่องมือสร้างภาพแบบฟาบรี-เปโรต์ซึ่งสร้างได้ง่ายกว่า

ความเข้มเป็นฟังก์ชันของความแตกต่างของความยาวเส้นทาง (เรียกอีกอย่างว่าการหน่วง) ในอินเตอร์เฟอโรเมตรและเลขคลื่นคือ^{[ 3 ]}${\displaystyle p}$${\displaystyle {\tilde {\nu }}=1/\lambda }$

${\displaystyle I(p,{\tilde {\nu }})=I({\tilde {\nu }})[1+\cos \left(2\pi {\tilde {\nu }}p\right)],}$

สเปกตรัมที่จะกำหนด อยู่ที่ใดโปรดทราบว่าไม่จำเป็นต้องมีการปรับเปลี่ยนสเปกตรัมโดยตัวอย่างก่อนเข้าสู่เครื่องวัดการรบกวนแสง อันที่จริงเครื่องวัดสเปกตรัม FTIR ส่วนใหญ่ จะวางตัวอย่างไว้หลังเครื่องวัดการรบกวนแสงในเส้นทางแสง ความเข้มรวมที่ตัวตรวจจับคือ ${\displaystyle I({\tilde {\nu }})}$${\displaystyle I({\tilde {\nu }})}$

${\displaystyle {\begin{aligned}I(p)&=\int _{0}^{\infty }I(p,{\tilde {\nu }})d{\tilde {\nu }}\\&=\int _{0}^{\infty }I({\tilde {\nu }})[1+\cos(2\pi {\tilde {\nu } }}p)]\,d{\ตัวหนอน {\nu }}.\end{aligned}}}$

นี่เป็นเพียงการแปลงฟูริเยร์โคไซน์ส่วนการแปลงผกผันจะให้ผลลัพธ์ที่เราต้องการในรูปของปริมาณที่วัดได้: ${\displaystyle I(p)}$

${\displaystyle I({\tilde {\nu }})=4\int _{0}^{\infty }\left[I(p)-{\frac {1}{2}}I(p=0)\right]\cos(2\pi {\tilde {\nu }}p)\,dp.}$

เครื่องสเปกโทรเมตรแบบพัลส์ฟูริเยร์ทรานส์ฟอร์มไม่ใช้เทคนิคการส่งผ่านแสง ในคำอธิบายทั่วไปที่สุดของสเปกโทรเมตรีแบบพัลส์ฟูริเยร์ทรานส์ฟอร์ม ตัวอย่างจะถูกกระตุ้นด้วยพลังงานซึ่งทำให้เกิดการตอบสนองเป็นคาบ ความถี่ของการตอบสนองเป็นคาบ ซึ่งถูกควบคุมโดยสภาวะสนามในเครื่องสเปกโทรเมตรี จะบ่งชี้ถึงคุณสมบัติที่วัดได้ของสารวิเคราะห์

ในการวิเคราะห์ด้วยสเปกโทรสโกปีแม่เหล็ก ( EPR , NMR ) จะใช้คลื่นไมโครเวฟ (EPR) หรือคลื่นความถี่วิทยุ (NMR) ในสนามแม่เหล็กแวดล้อมที่แรงเป็นตัวกระตุ้น ซึ่งจะทำให้อนุภาคแม่เหล็กหมุนทำมุมกับสนามแม่เหล็กแวดล้อม ส่งผลให้เกิดการหมุนวน การหมุนวนเหล่านี้จะเหนี่ยวนำให้เกิดกระแสไฟฟ้าเป็นคาบในขดลวดตรวจจับ การหมุนวนแต่ละครั้งจะมีความถี่เฉพาะตัว (สัมพันธ์กับความแรงของสนาม) ซึ่งจะให้ข้อมูลเกี่ยวกับสารที่ต้องการวิเคราะห์

ใน การวิเคราะห์ มวลด้วยเทคนิคฟูริเยร์ทรานส์ฟอร์ม (Fourier-transform mass spectrometry ) กระบวนการกระตุ้นคือการฉีดตัวอย่างที่มีประจุเข้าไปในสนามแม่เหล็กไฟฟ้าแรงสูงของไซโคลตรอน อนุภาคเหล่านี้จะเคลื่อนที่เป็นวงกลม ทำให้เกิดกระแสไฟฟ้าในขดลวดคงที่ ณ จุดใดจุดหนึ่งในวงกลมนั้น อนุภาคแต่ละตัวที่เคลื่อนที่จะแสดงอัตราส่วนความถี่-สนามของไซโคลตรอนที่เป็นลักษณะเฉพาะ ซึ่งบ่งบอกถึงมวลในตัวอย่าง

สเปกโทรเมตรี FT แบบพัลส์มีข้อดีคือต้องการการวัดเพียงครั้งเดียวที่ขึ้นอยู่กับเวลา ซึ่งสามารถแยกสัญญาณที่คล้ายกันแต่แตกต่างกันหลายชุดได้อย่างง่ายดาย สัญญาณรวมที่ได้เรียกว่าการสลายตัวของการเหนี่ยวนำอิสระ (free induction decay)เนื่องจากโดยทั่วไปสัญญาณจะลดลงเนื่องจากความไม่สม่ำเสมอในความถี่ของตัวอย่าง หรือการสูญเสียสัญญาณที่ไม่สามารถกู้คืนได้เนื่องจากการสูญเสียเอนโทรปีของสมบัติที่กำลังวัด

แหล่งกำเนิดพัลส์ช่วยให้สามารถใช้หลักการสเปกโทรสโกปีแบบฟูริเยร์ทรานส์ฟอร์มใน เทคนิค กล้องจุลทรรศน์แสงแบบสแกนใกล้สนามได้โดยเฉพาะอย่างยิ่งในนาโน-FTIRซึ่งใช้การกระเจิงจากปลายโพรบที่แหลมคมเพื่อทำการสเปกโทรสโกปีของตัวอย่างด้วยความละเอียดเชิงพื้นที่ระดับนาโน การส่องสว่างกำลังสูงจากเลเซอร์อินฟราเรดแบบพัลส์จะชดเชยประสิทธิภาพการกระเจิงที่ ค่อนข้างน้อย (มักจะน้อยกว่า 1%) ของโพรบ^{[ 4 ]}

นอกจากรูปแบบการสแกนของสเปกโตรมิเตอร์แบบฟูริเยร์ทรานส์ฟอร์มแล้ว ยังมีรูปแบบคงที่หรือแบบสแกนด้วยตนเองอีกหลายรูปแบบ^{[ 5 ]}แม้ว่าการวิเคราะห์เอาต์พุตอินเตอร์เฟอโรเมตริกจะคล้ายกับของอินเตอร์เฟอโรมิเตอร์แบบสแกนทั่วไป แต่ก็มีความแตกต่างที่สำคัญ ดังที่แสดงในการวิเคราะห์ที่ตีพิมพ์ รูปแบบคงที่บางรูปแบบยังคงรักษาข้อได้เปรียบของมัลติเพล็กซ์ Fellgett ไว้ และการใช้งานในย่านสเปกตรัมที่ข้อจำกัดของสัญญาณรบกวนของตัวตรวจจับมีผลบังคับใช้จะคล้ายกับรูปแบบการสแกนของ FTS ในย่านที่จำกัดด้วยสัญญาณรบกวนของโฟตอน การใช้งานอินเตอร์เฟอโรมิเตอร์แบบคงที่นั้นขึ้นอยู่กับการพิจารณาเฉพาะสำหรับย่านสเปกตรัมและการใช้งาน

ข้อดีที่สำคัญที่สุดข้อหนึ่งของสเปกโทรสโกปีแบบฟูริเยร์ทรานส์ฟอร์มได้รับการแสดงให้เห็นโดย PB Fellgett ผู้สนับสนุนวิธีการนี้ในยุคแรกๆ ข้อดีของ Fellgett หรือที่รู้จักกันในชื่อหลักการมัลติเพล็กซ์ ระบุว่า เมื่อได้สเปกตรัมที่สัญญาณรบกวนจากการวัดส่วนใหญ่มาจากสัญญาณรบกวนของตัวตรวจจับ (ซึ่งไม่ขึ้นอยู่กับกำลังของรังสีที่ตกกระทบตัวตรวจจับ) สเปกโทรเมตรแบบมัลติเพล็กซ์ เช่น สเปกโทรเมตรแบบฟูริเยร์ทรานส์ฟอร์ม จะให้การปรับปรุงอัตราส่วนสัญญาณต่อสัญญาณรบกวนที่ดีขึ้น เมื่อเทียบกับโมโนโครมาเตอร์ แบบสแกนที่เทียบเท่ากัน โดยมีค่าประมาณรากที่สองของmโดยที่mคือจำนวนจุดตัวอย่างที่ประกอบเป็นสเปกตรัม อย่างไรก็ตาม หากสัญญาณรบกวน จาก ช็อตนอยส์เป็นหลัก สัญญาณรบกวนจะแปรผันตรงกับรากที่สองของกำลัง ดังนั้นสำหรับสเปกตรัมแบบบ็อกซ์คาร์กว้าง (แหล่งกำเนิดบรอดแบนด์ต่อเนื่อง) สัญญาณรบกวนจะแปรผันตรงกับรากที่สองของmซึ่งจะหักล้างข้อดีของ Fellgett อย่างแม่นยำ สำหรับแหล่งกำเนิดแสงแบบเส้น สถานการณ์ยิ่งแย่ลงไปอีก และมีข้อเสียเปรียบที่ชัดเจนในเรื่องมัลติเพล็กซ์ เนื่องจากสัญญาณรบกวนจากส่วนประกอบการปล่อยแสงที่แรงจะบดบังส่วนประกอบที่อ่อนกว่าของสเปกตรัม สัญญาณรบกวนนี้เป็นสาเหตุหลักที่ทำให้การวัดสเปกตรัมแบบฟูริเยร์ทรานส์ฟอร์มไม่เป็นที่นิยมสำหรับสเปกตรัมอัลตราไวโอเลต (UV) และแสงที่มองเห็นได้

สเปกโตรสโคปีแบบฟูริเยร์ทรานส์ฟอร์มยังสามารถใช้สำหรับการวัดไดนามิกความเข้มสเปกตรัมแบบคาบแบบเรียลไทม์ได้อีกด้วย^{[ 6 ]}พิจารณาส่วนประกอบของสนามไฟฟ้าที่เป็นฟังก์ชันคาบของความถี่การมอดูเลชันเนื้อหาข้อมูลที่วัดโดยสเปกโตรมิเตอร์แบบฟูริเยร์ทรานส์ฟอร์มมีดังนี้: ${\displaystyle E(t)=E(t+2\pi /\omega _{m})}$${\displaystyle \omega _{m}}$

${\displaystyle {\begin{aligned}|E(t)|^{2}\cos {(\omega _{D}t)}&=\sum _{n}f_{n}\exp {(i\omega _{m}t)}\cos {(\omega _{D}t)}\\\end{aligned}}}$

โดยที่คือความถี่ดอปเปลอร์ และพลวัตของสนามได้ถูกขยายออกเป็นอนุกรมฟูริเยร์ พลวัตของสนามในสามารถวัดได้ในโดเมนความถี่ที่ความถี่ RF ที่แยกออกจากกันโดยการเข้ารหัสแหล่งกำเนิดแสงโคherent แบบบรอดแบนด์ด้วยค่าทั่วไปและคงที่พลวัตความเข้มสเปกตรัมแบบเป็นคาบสามารถอ่านค่าพร้อมกันสำหรับส่วนประกอบของแสงที่ค่า ต่างกันได้ ${\displaystyle \omega _{D}}$${\displaystyle E(t)}$${\displaystyle n\omega _{m}\pm \omega _{D}}$${\displaystyle \omega _{m}}$${\displaystyle \omega _{D}}$

• คำอธิบายวิธีการทำงานของสเปกโตรมิเตอร์แบบฟูริเยร์ทรานส์ฟอร์ม
• สเปกโทรกราฟแบบมิเชลสันหรือแบบฟูริเยร์ทรานส์ฟอร์ม
• วารสารออนไลน์ด้านสเปกโทรสโกปีการสั่นสะเทือน – FTIR ทำงานอย่างไร
• การประชุมเชิงวิชาการและนิทรรศการตั้งโต๊ะเกี่ยวกับสเปกโทรสโกปีแบบฟูริเยร์ทรานส์ฟอร์ม