紅外光譜儀又稱為分子振動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)光譜，也是一種分子吸收光譜。當(dāng)樣品受到頻率連續(xù)變化的紅外光照射時(shí)，分子吸收某些頻率的輻射，并由其振動(dòng)或轉(zhuǎn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)引起偶極矩的凈變化，產(chǎn)生分子振動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)從基態(tài)到激發(fā)態(tài)的躍遷，使相應(yīng)于這些吸收區(qū)域的透射光強(qiáng)度減弱。記錄紅外光的百分透射比與波數(shù)或波長(zhǎng)關(guān)系曲線，就得到紅外光譜儀。
紫外、可見吸收光譜常用于研究不飽和有機(jī)物，特別是具有共軛體系的有機(jī)化合物，而紅外光譜儀法主要研究在振動(dòng)中伴隨有偶極矩變化的化合物。
紅外吸收帶的波數(shù)位置、波峰的數(shù)目以及吸收譜帶的強(qiáng)度，反映了分子結(jié)構(gòu)上的特點(diǎn)，可以用來鑒定未知物的結(jié)構(gòu)組成或確定其化學(xué)基團(tuán)。而吸收譜帶的吸收強(qiáng)度與分子組成或化學(xué)基團(tuán)的含量有關(guān)，可用以進(jìn)行定量分析和純度鑒定。
紅外光譜儀分析對(duì)氣體、液體、固體樣品都可測(cè)定，具有用量少、分析速度快、不破壞試樣等特點(diǎn)。
一、紅外光譜儀的前世今生雨后天空出現(xiàn)彩虹是人類經(jīng)常觀測(cè)到的自然光譜，而真正意義上對(duì)光譜的研究是從英國(guó)科學(xué)家Newton開始的。從牛頓之后人類對(duì)光的認(rèn)識(shí)逐漸從可見光區(qū)域擴(kuò)展到紅外和紫外區(qū)，紅外輻射是18世紀(jì)末，19世紀(jì)初才被發(fā)現(xiàn)的。
20世紀(jì)中期以后，紅外光譜儀在理論上更加完善，而其發(fā)展主要表現(xiàn)在儀器及實(shí)驗(yàn)技術(shù)上的發(fā)展
1947年，世界上第一臺(tái)雙光束自動(dòng)記錄紅外分光光度計(jì)在美國(guó)投入使用，這是第一代紅外光譜儀的商品化儀器；
20世紀(jì)60年代，釆用光柵作為單色器，比起棱鏡單色器有了很大的提高，但它仍是色散型的儀器，分辨率、靈敏度還不夠高，掃描速度慢，這是第二代儀器；
20世紀(jì)70年代，干涉型的傅里葉變換紅外光譜儀儀及計(jì)算機(jī)化色散型的儀器的使用，使儀器性能得到極大的提高，這是第三代儀器；
20世紀(jì)70年代后期到80年代，用可調(diào)激光作為紅外光源代替單色器，具有更高的分辨本領(lǐng)、更高靈敏度，也擴(kuò)大應(yīng)用范圍，這是第四代儀器。
現(xiàn)在，紅外光譜儀儀還可與其它儀器如GC、HPLC聯(lián)用，更擴(kuò)大了其使用范圍。而用計(jì)算機(jī)存貯及檢索光譜，使分析更為方便、快捷。
二、紅外吸收光譜區(qū)域及其應(yīng)用紅外光譜儀根據(jù)其測(cè)定的頻率范圍，可分為近紅外、中紅外及遠(yuǎn)紅外的吸收光譜。各紅外區(qū)的范圍及其能級(jí)躍遷的類型如下表：
在近紅外區(qū)大部分的吸收峰是氫伸縮振動(dòng)的泛頻峰，這些峰可供研究如-OH、-NH、-CH等官能團(tuán)用。中紅外區(qū)即基本振動(dòng)頻率最為有用，從中紅外區(qū)所得的紅外光譜儀可得到大量關(guān)于官能團(tuán)及分子結(jié)構(gòu)的信息。目前一般的紅外光譜儀都是得自中紅外區(qū)，而遠(yuǎn)紅外區(qū)可給出轉(zhuǎn)動(dòng)躍遷和晶格的振動(dòng)類型以及大分子的骨架振動(dòng)信息。
紅外光譜儀最重要的應(yīng)用是中紅外區(qū)有機(jī)化合物的結(jié)構(gòu)鑒定。通過與標(biāo)準(zhǔn)譜圖比較，可以確定化合物的結(jié)構(gòu)。對(duì)于未知樣品，通過官能團(tuán)、順反異構(gòu)、取代基位置、氫鍵結(jié)合以及絡(luò)合物的形成等結(jié)構(gòu)信息可以推測(cè)結(jié)構(gòu)。
近年來，紅外光譜儀的定量分析應(yīng)用也有不少報(bào)道尤其是近紅外、遠(yuǎn)紅外區(qū)的研究報(bào)告在增加。如：近紅外區(qū)用于含有與C、N、O等原子相連基團(tuán)化合物的定量分析；遠(yuǎn)紅外區(qū)用于無機(jī)化合物研究等。除此之外，傅立葉變換紅外光譜儀還可作為色譜檢測(cè)器。
三、紅外吸收的基本原理物質(zhì)總是處于不停的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)之中，當(dāng)紅外光照射物質(zhì)分子時(shí)，其具有的能量引起振動(dòng)能級(jí)和轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)的躍遷，不同的分子和基團(tuán)具有不同的振動(dòng)，根據(jù)分子的特征吸收可以鑒定化合物和分子的結(jié)構(gòu)。
利用紅外光譜儀對(duì)物質(zhì)分子進(jìn)行的分析和鑒定，將一束不同波長(zhǎng)的紅外射線照射到物質(zhì)的分子上，某些特定波長(zhǎng)的紅外射線被吸收，形成這一分子的紅外吸收光譜。每種分子都有由其組成和結(jié)構(gòu)決定的、獨(dú)有的紅外吸收光譜，據(jù)此可以對(duì)分子進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析和鑒定。
紅外吸收光譜是由分子不停地作振動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生的，分子振動(dòng)是指分子中各原子在平衡位置附近作相對(duì)運(yùn)動(dòng)，多原子分子可組成多種振動(dòng)圖形。當(dāng)分子中各原子以同一頻率、同一相位在平衡位置附近作簡(jiǎn)諧振動(dòng)時(shí)，這種振動(dòng)方式稱簡(jiǎn)正振動(dòng)（例如伸縮振動(dòng)和變角振動(dòng)），分子振動(dòng)的能量與紅外射線的光量子能量正好對(duì)應(yīng)，因此當(dāng)分子的振動(dòng)狀態(tài)改變時(shí)，就可以發(fā)射紅外光譜儀，也可以因紅外輻射激發(fā)分子而振動(dòng)而產(chǎn)生紅外吸收光譜。
1.紅外吸收光譜的產(chǎn)生條件
輻射光子具有的能量與發(fā)生振動(dòng)躍遷所需的躍遷能量相等。
分子吸收紅外輻射后，由基態(tài)振動(dòng)能級(jí)（v=0）躍遷至第一振動(dòng)激發(fā)態(tài)（v=1）時(shí)，所產(chǎn)生的吸收峰稱為基頻峰。振動(dòng)能級(jí)由基態(tài)（v=0）躍遷至第二激發(fā)態(tài)（v=2）、第三激發(fā)態(tài)（v=3）···，所產(chǎn)生的吸收峰稱為倍頻峰。輻射與物質(zhì)間有偶合作用。
紅外躍遷是偶極矩誘導(dǎo)的，即能量轉(zhuǎn)移的機(jī)制是通過振動(dòng)過程所導(dǎo)致的偶極矩的變化和交變的電磁場(chǎng)（紅外線）相互作用發(fā)生的。只有發(fā)生偶極矩變化（△μ≠0）的振動(dòng)才能引起可觀測(cè)的紅外吸收光譜，該分子稱之為紅外活性的；△μ=0的分子振動(dòng)不能產(chǎn)生紅外振動(dòng)吸收，稱為非紅外活性的
對(duì)稱分子：沒有偶極矩，輻射不能引起共振，非紅外活性。如：N2、O2、Cl2等。非對(duì)稱分子：有偶極矩，紅外活性。2.紅外吸收譜帶的強(qiáng)度
紅外吸收譜帶的強(qiáng)度取決于分子振動(dòng)時(shí)偶極矩的變化，而偶極矩與分子結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性有關(guān)。振動(dòng)的對(duì)稱性越高，振動(dòng)中分子偶極矩變化越小，譜帶強(qiáng)度也就越弱。極性較強(qiáng)的基團(tuán)（如C=O，C-X等）振動(dòng)，吸收強(qiáng)度較大；極性較弱的基團(tuán)（如C=C、C-C、N-N等）振動(dòng)，吸收較弱。紅外光譜儀的吸收強(qiáng)度用很強(qiáng)（vs）、強(qiáng)（s）、中（m）、弱（w）和很弱（vw）表示。
3.基團(tuán)頻率
不同分子中同一類型的化學(xué)基團(tuán)，在紅外光譜儀中的吸收頻率總是出現(xiàn)在一個(gè)較窄的范圍內(nèi)，這種吸收譜帶的頻率稱為基團(tuán)頻率，其所在的位置一般又稱為特征吸收峰。它們不隨分子構(gòu)型的變化而出現(xiàn)較大的改變，可用作鑒別化學(xué)基團(tuán)?；鶊F(tuán)頻率區(qū)中紅外光譜儀區(qū)可分為4000~1300cm-1和1800(1300)~600cm-1兩個(gè)區(qū)域。
最有分析價(jià)值的基團(tuán)頻率在4000~1300cm-1之間，這一區(qū)域稱為基團(tuán)頻率區(qū)、官能團(tuán)區(qū)或特征區(qū)。區(qū)內(nèi)的峰是由伸縮振動(dòng)產(chǎn)生的吸收帶，比較稀疏，容易辨認(rèn)，常用于鑒定官能團(tuán)。
在1800(1300)~600cm-1區(qū)域內(nèi)，除單鍵的伸縮振動(dòng)外，還有因變形振動(dòng)產(chǎn)生的譜帶。這種振動(dòng)與整個(gè)分子的結(jié)構(gòu)有關(guān)，當(dāng)分子結(jié)構(gòu)稍有不同時(shí)，該區(qū)的吸收就有細(xì)微的差異，并顯示出分子特征。這種情況就像人的指紋一樣，因此稱為指紋區(qū)。指紋區(qū)可用于指認(rèn)結(jié)構(gòu)類似的化合物，還可作為化合物存在某種基團(tuán)的旁證。
基團(tuán)頻率區(qū)（4000~1300cm-1）
基團(tuán)頻率區(qū)可分為三個(gè)區(qū)域
?4000~2500cm-1為X-H伸縮振動(dòng)區(qū)（X可以是O、N、C或S等原子）。
O-H在3650~3200cm-1區(qū)域，可判斷有無醇類、酚類和有機(jī)酸類。胺和酰胺的N-H在3500~3100cm-1區(qū)域，對(duì)O-H伸縮振動(dòng)有干擾。C-H的伸縮振動(dòng)可分為飽和及不飽和兩種?2500~1900cm-1為參鍵和累積雙鍵區(qū)
主要包括-C≡C、-C≡N等參鍵的伸縮振動(dòng)，以及-C=C=C、-C=C=O等累積雙鍵的不對(duì)稱伸縮振動(dòng)。炔烴類化合物可分為以下兩種
?1900~1200cm-1為雙鍵伸縮振動(dòng)區(qū)
C=O在1900~1650cm-1，特征明顯、往往是最強(qiáng)吸收，可判斷酮類、醛類、酸類、酯類以及酸酐（雙峰）等。烯烴C=C在1680~1620cm-1。單核芳烴C=C在1600cm-1和1500cm-1附近，有2~4峰，可確認(rèn)有無芳核。苯的衍生物在2000~1650cm-1，強(qiáng)度很弱。指紋區(qū)（1800(1300)~600cm-1）
?1800cm~900cm-1區(qū)域是C-O、C-N、C-F、 C-P、C-S、P-O、Si-O等單鍵的伸縮振動(dòng)和C=S、S=O、P=O等雙鍵的伸縮振動(dòng)吸收。其中≈1375cm-1的譜帶為甲基的δC-H對(duì)稱彎曲振動(dòng)，對(duì)識(shí)別甲基十分有用，C-O的伸縮振動(dòng)在1300~1000cm-1，是該區(qū)域最強(qiáng)的峰，也較易識(shí)別。
?900~650cm-1區(qū)域的某些吸收峰可用來確認(rèn)化合物的順反構(gòu)型。
四、紅外光譜儀的應(yīng)用1.定性分析
?已知物的鑒定
將試樣的譜圖與標(biāo)準(zhǔn)的譜圖進(jìn)行對(duì)照，或者與文獻(xiàn)上的譜圖進(jìn)行對(duì)照。如果兩張譜圖各吸收峰的位置和形狀完全相同，峰的相對(duì)強(qiáng)度一樣，就可以認(rèn)為樣品是該種標(biāo)準(zhǔn)物。如果兩張譜圖不一樣，或峰位不一致，則說明兩者不為同一化合物，或樣品有雜質(zhì)。如用計(jì)算機(jī)譜圖檢索，則采用相似度來判別。使用文獻(xiàn)上的譜圖時(shí)，應(yīng)當(dāng)注意試樣的物態(tài)、結(jié)晶狀態(tài)、溶劑、測(cè)定條件以及所用儀器類型均應(yīng)與標(biāo)準(zhǔn)譜圖相同。
?未知物結(jié)構(gòu)的測(cè)定
如果未知物不是新化合物，可以通過下面兩種方式利用標(biāo)準(zhǔn)譜圖進(jìn)行查對(duì)
（1）査閱標(biāo)準(zhǔn)譜圖的譜帶索引，尋找與試樣光譜吸收帶相同的標(biāo)準(zhǔn)譜圖；
（2）進(jìn)行光譜解析，判斷試樣的可能結(jié)構(gòu)，然后在由化學(xué)分類索引查找標(biāo)準(zhǔn)譜圖對(duì)照核實(shí)。
在定性分析過程中，除了獲得清晰可靠的圖譜外，最重要的是對(duì)譜圖作出正確的解析。所謂“譜圖的解析”，就是根據(jù)實(shí)驗(yàn)所測(cè)繪的紅外光譜儀圖的吸收峰位置、強(qiáng)度和形狀，利用基團(tuán)振動(dòng)頻率與分子結(jié)構(gòu)的關(guān)系，確定吸收帶的歸屬，確認(rèn)分子中所含的基團(tuán)或鍵，進(jìn)而推定分子的結(jié)構(gòu)。
【紅外譜圖數(shù)據(jù)庫(kù)】
?薩特勒（Sadtler）紅外光譜儀數(shù)據(jù)庫(kù)
https:// ** .bio-rad.com/zh-cn/product/ir-spectral-databases?ID=N0ZXNZE8Z?日本NIMC有機(jī)物譜圖庫(kù)
AIST:Spectral Database for Organic Compounds,SDBS?上海有機(jī)所紅外譜圖數(shù)據(jù)庫(kù)
紅外數(shù)據(jù)庫(kù)?ChemExper化學(xué)品目錄CDD
http:// ** .chemexper.com/?FTIRsearch
http:// ** .ftirsearch.com/?NIST Chemistry WebBook
https://webbook.nist.gov/chemistry/2.定量分析
紅外光譜儀定量分析是通過對(duì)特征吸收譜帶強(qiáng)度的測(cè)量來求出組份含量。其理論依據(jù)是朗伯-比耳定律。由于紅外光譜儀的譜帶較多，選擇的余地大，所以能方便地對(duì)單一組份和多組份進(jìn)行定量分析。此外，該法不受樣品狀態(tài)的限制，能定量測(cè)定氣體、液體和固體樣品。應(yīng)用廣泛，但靈敏度較低，尚不適用于微量組份的測(cè)定。
基本原理：通過譜帶兩翼透過率最大點(diǎn)作光譜吸收的切線，作為該譜線的基線，則分析波數(shù)處的垂線與基線的交點(diǎn)，與最高吸收峰頂點(diǎn)的距離為峰高，其吸光度A=lg(I0/I)。一般用校準(zhǔn)曲線法或者與標(biāo)樣比較來定量。
3.鑒定樣品純度和指導(dǎo)分離操作
通常純樣品的光譜吸收峰較尖銳，彼此分辨清晰，如果含5%以上雜質(zhì)，由于多種分子各自的吸收峰互相干擾，常降低毎個(gè)峰的尖銳度，有的線條會(huì)模糊凊。加之有雜質(zhì)本身的吸收，使不純物的光譜吸收峰數(shù)目比純品多，故與標(biāo)淮圖譜對(duì)比即可判斷純度。
4.研究化學(xué)反應(yīng)中的問題
在化學(xué)反應(yīng)過程中可直接用反應(yīng)液或粗品進(jìn)行檢測(cè)。根據(jù)原料和產(chǎn)物特征峰的消長(zhǎng)情況，對(duì)反應(yīng)進(jìn)程、反應(yīng)速度和反應(yīng)時(shí)間與收率的關(guān)系等問題能及時(shí)作出判斷。
五、論文中的紅外數(shù)據(jù)分析在同學(xué)們了解了紅外吸收光譜的基本原理以及應(yīng)用之后，我們來舉個(gè) 詳細(xì)說明一下，我們應(yīng)該如何去完成論文中的紅外分析部分的寫作工作。
【材料和方法部分】
這個(gè)部分需要說明紅外儀器型號(hào)，然后是制樣過程、測(cè)試條件（包括：掃描范圍、分辨率、掃描次數(shù)）。
【結(jié)果與討論部分】
紅外數(shù)據(jù)圖：以透射率(T%)或吸光度(A)為縱坐標(biāo)，波數(shù)(Wave number(cm-1))為橫坐標(biāo)。另外，你需要在圖中標(biāo)注出峰的位置以及分別代表了哪些基團(tuán)。峰位可以利用omnic或者origin進(jìn)行標(biāo)定，透射率和吸光度的轉(zhuǎn)換也非常方便。至于該峰位歸屬于哪些基團(tuán)的問題，你就需要去比對(duì)標(biāo)準(zhǔn)譜圖庫(kù)或者通過文獻(xiàn)來確定。
你可以做成這樣
這樣
或者這樣
你甚至還可以將特征吸收峰及其歸宿清晰地列出一個(gè)表來，像這樣
討論分析：首先，你需要先介紹每個(gè)特征峰的出現(xiàn)分別是由于哪個(gè)官能團(tuán)振動(dòng)導(dǎo)致的。這個(gè)部分你可以引用前人的文獻(xiàn)研究，對(duì)自己的分析進(jìn)行支撐，以表明該位置特征峰所歸屬官能團(tuán)的確定是有理有據(jù)的，像這樣
然后，對(duì)你的紅外圖進(jìn)行具體的對(duì)比分析，你需要帶著這樣的問題去進(jìn)行思考：
你拍紅外的目的是什么？你企圖在紅外數(shù)據(jù)圖中看到什么？你的紅外數(shù)據(jù)圖中能否找到你想要的物質(zhì)結(jié)構(gòu)？六、推薦相關(guān)專業(yè)書籍嚴(yán)衍祿主編.近紅外光譜儀分析基礎(chǔ)與應(yīng)用[M].北京：中國(guó)輕工業(yè)出版社.2005.
翁詩(shī)甫.傅里葉變換紅外光譜儀分析 第3版[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社.2016.
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