红外光谱分析
红外光谱(IR)分析
4. 空间效应： (1)环状化合物的环张力效应：环张力越大，羰 基C=O频率越高。 环张力 四元环 五元环 六元环 (2)空间位阻效应：空间位阻使羰基与双键之间 的共轭受限制，故使C=O频率增高。 5. 氢键效应：氢键的形成，通常可使伸缩振动 频 率向低波数方向移动。
6. 振动偶合效应：当两个基团靠得很近时，产 生振动相互作用，使吸收峰发生分裂。
第三章 红 外 吸 收 光 谱 法
Infrared Absorption Spectrometry
§1 关于红外光谱
红外光谱在可见光区域微波区之间,其波长范 围约为0.75～1000m。
分为三个区： ◆近红外区 0.75～2.5m； ◆中红外区 2.5～25 m； ◆远红外区 25～1000 m
若分子由N个原子组成，则 需3N个坐标(自由度)确定N个原子位置； 分子自由度总数＝平动、振动、转动自由度 总和 故 3N＝平动自由度＋转动自由度＋振动自由度 即 振动自由度＝3N－(平度自由度＋转动自由度) 问题：怎样确定一个分子的平动自由度和 转动自由度？
(1) 平动自由度：分子的质心可沿x、y、z三 个坐标轴方向移动，故平动自由度＝3。
2. 共轭效应(C效应)：该效应使共轭体系具有 共平面性，电子云密度平均化，造成双键略有 伸长，单键略有缩短。故双键的吸收峰频率向 低波数方向移动。
例. C=O C=O 1715 cm-1 1685～1665 cm-1
3. 中介效应(M效应)： 例. C=O 在1680cm-1附近。 若用诱导效应看，则电负性大的N原子应使 C=O键力常数增加，吸收峰位应大于1715cm-1； 但实际情况相反，这是因中介效应造成的。 即N原子上的孤对电子与C=O的电子发生重 叠(p- 共轭)，使电子云密度平均化，造成C=O 键力常数降低，故使吸收峰频率移向低波数。
化学实验中的红外光谱分析
化学实验中的红外光谱分析红外光谱分析是一种常用的分析技术，被广泛应用于化学实验中。
通过红外光谱分析，我们可以对物质的结构和成分进行准确的鉴定和分析，为化学研究和工业生产提供重要的参考依据。
本文将介绍红外光谱分析的原理和常见的应用。
一、红外光谱分析的原理红外光谱是指位于可见光波长范围之外的电磁波。
物质的分子在红外光谱范围内吸收特定的红外辐射，产生特征性的光谱图谱。
这些光谱图谱可以反映物质的结构和成分。
红外光谱分析主要基于摩尔吸光度比尔-朗伯定律，通过测量样品的红外光谱图谱，进而分析物质的分子结构和功能官能团。
二、红外光谱分析的应用1. 有机物质的鉴定：红外光谱分析可以用于有机物质的鉴定。
每种官能团在红外光谱上具有明显的特征吸收峰，通过对比样品的光谱图谱与已知物质的光谱数据库，可以准确地确定有机物质的结构和组成。
2. 多组分分析：红外光谱分析可以用于多组分混合物的分析。
通过对混合物进行红外光谱测量，并借助光谱解析软件进行数据处理，可以定量地分析出混合物中每个组分的含量。
3. 实时反应监测：红外光谱分析可以用于实时监测化学反应的进程和中间产物的生成。
通过红外光谱仪的在线连接，可以对反应实时进行监测，提供有关反应动力学和产物生成机理的信息。
4. 质量控制：红外光谱分析可用于化学产品的质量控制。
通过对不同批次产品的红外光谱进行比对和分析，可以确保产品的成分和质量的一致性。
三、红外光谱实验方法进行红外光谱分析需要使用红外光谱仪。
具体的实验步骤如下：1. 样品制备：将待分析的样品制成颗粒状，并通过压片或KBr法将其与适量的基质混合均匀。
注意样品制备过程中要保持环境的清洁，以防杂质的影响。
2. 数据采集：将样品放置于红外光谱仪的样品室中，启动仪器进行光谱扫描。
根据需求选择适当的扫描速度和光谱范围，并记录下样品的光谱图谱。
3. 数据处理：将光谱图谱导入光谱分析软件进行处理。
通过选择不同的数据解析方法和库比对，可以对样品的光谱进行解析和分析。
红外光谱分析
红外光谱分析红外光谱分析是一种用于物质表征和分析的重要技术方法。
它利用红外光波与物质相互作用的特性，通过测量物质对不同波长红外光的吸收、散射或透射行为，来了解物质的结构、组成和特性。
红外光谱分析在化学、生物、医药、农业、环保等领域得到广泛应用。
红外光谱分析是一种非破坏性的分析技术，可以对样品进行快速、准确的分析，而无需对样品进行特殊处理。
这使得红外光谱分析在实际应用中非常方便，特别适用于对大多数无机和有机化合物的分析。
在红外光谱分析中，主要利用了物质与红外光的相互作用。
红外光的频率范围通常被分为近红外区、中红外区和远红外区。
这些不同区域的红外光与样品分子之间的相互作用方式也不相同，因而可以提供不同的信息。
近红外区主要用于有机物的结构表征和定性分析，中红外区则用于有机物和无机物的定性和定量分析，而远红外区则常用于无机物的分析。
红外光谱仪是进行红外光谱分析的主要工具。
红外光谱仪的核心部分是一个光学系统，用于将红外光进行分光和检测。
光谱仪通过扫描不同波长的红外光，得到样品在不同波长下的吸收、散射或透射光强度的变化。
这些光谱数据可以表示为一个光谱图，通常是以波数（cm-1）作为横坐标，吸光度或透射率作为纵坐标。
红外光谱图是红外光谱分析的结果，它可以提供有关样品组成和结构的信息。
根据不同波数下的吸收峰位置和强度，可以推断样品中的官能团、键合情况、分子构型等信息。
通过与已知物质的红外光谱进行比对，还可以对未知物质进行鉴定和定性分析。
红外光谱分析在化学研究和工业实践中具有广泛的应用。
它可以用于药物开发中的药物结构表征和质量控制，可用于环境监测中的水质和空气质量分析，也可以用于食品和农产品的质量安全检测。
此外，红外光谱分析还可以用于病理学、生物学和生物医药等领域的研究。
红外光谱分析作为一种重要的分析方法，不仅可以为科学研究提供强有力的技术支持，也为工业生产和品质管理提供了有效的工具。
它不仅具有分析速度快、结果准确、操作简便的特点，还能够将样品准备工作降到最低，减少了对环境和样品的破坏。
红外光谱分析
红外光谱分析序言二十世纪初叶，Coblentz发表了一百多个有机化合物的红外光谱图，给有机化学家提供了鉴别未知化合物的有力手段。
到四十年代红外光谱技术得到了广泛的研究和应用。
当今红外光谱仪的分辨率越来越高，检测范围扩展到10000－200cm-1，样品量少至微克级。
红外光谱提供的*些信息简捷可靠，检测样品中有无羰基及属于哪一类〔酸酐、酯、酮或醛〕是其他光谱技术难以替代的。
因此，对从事有机化合物为研究对象的化学工作者来说，红外光谱学是必需熟悉和掌握的一门重要光谱知识。
一、根本原理1、根本知识光是一种电磁波。
可根据电磁波的波长范围分成不同类型的光谱，它们各自反映出物质的不同类型的运动形式。
表1列出这些电磁波的波长，其所在区域的光谱名称，以及对应的运动形式。
红外光谱研究的内容涉及的是分子运动，因此称之为分子光谱。
通常红外光谱系指2-25μ之间的吸收光谱，常用的为中红外区4000-650cm-1μ)或4000-400cm-1。
这段波长范围反映出分子中原子间的振动和变角振动，分子在振动运动的同时还存在转动运动。
在红外光谱区实际所测得的图谱是分子的振动与转动运动的加合表现，即所谓振转光谱。
每一化合物都有其特有的光谱，因此使我们有可能通过红外光谱对化合物作出鉴别。
红外光谱所用的单位波长μ，波数cm-1。
光学中的一个根本公式是λυ= C，式中λ为波长，υ为频率，C为光速(3×1010cm/s)。
设υ为波数，其含义是单位长度(1cm)中所含的波的个数，并应具有以下关系：波数(cm-1)＝104/波长(μ)波长和波数都被用于表示红外光谱的吸收位置，即红外光谱图的横坐标。
目前倾向于普遍采用波数为单位，而在图谱上方标以对应的波长值。
红外光谱图的纵坐标反映的是吸收强度，一般以透过率(T%)表示。
2、红外光谱的几种振动形式主要的根本可以分为两大类：伸缩振动和弯曲振动。
(1)伸缩振动(υ)沿着键轴方向伸或缩的振动，存在对称与非对称两种类型。
红外光谱分析(FT-IR)
红外光谱分析（FT-IR）傅立叶变换红外光谱（FT-IR）是一种强大的技术，可用于获取吸收/排放固体、液体或气体的红外光谱。
当红外辐射穿过被测样品时，一部分红外辐射会被官能团的特定共价键吸收，另一部分红外辐射则直接穿透收集到的光谱代表了分子的吸收和传输，形成了用于化学鉴定的分子指纹。
这也使得红外光谱可用于多种类型的分析。
傅立叶变换红外光谱仪同时收集宽波长范围内的高分辨率光谱，这与色散光谱仪相比具有显著的优势，色散光谱仪一次只能测量相当窄波长范围内的峰值强度。
傅立叶变换红外光谱（FT-IR）分析。
傅立叶变换红外光谱仪可用于所有使用色散仪来提高灵敏度和速度的应用，能够优于红外光谱分析的色散法或滤光片法取决于其：1，非破坏性；2，无需外部校准；3，速度更快；4，灵敏度更高；5，光通量更高；6，操作更简单。
傅立叶变换红外光谱仪分析应用。
1.基于同质异性、同系物、几何和光学异构体的光谱差异进行化学鉴定；2.根据吸收的波长鉴定被测化学品中的官能团；3.通过研究潜在污染物的峰值进行纯度估算；4.通过比较特定官能团的峰跟踪化学反应过程；5.通过监测特定峰对化学物质进行定量分析。
百泰派克生物科技BTP基于CNAS/ISO9001双重质量认证体系建立七大检测平台，采用Thermo公司Nicolet系列仪器建立FT-IR分析平台，测定样品中蛋白和多肽的红外光谱，并进行后续的基线校正、Gaussian去卷积、二阶导数拟合，最终根据峰面积确定样品中蛋白和多肽的二级结构信息。
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红外光谱测试分析
红外光谱测试分析引言：红外光谱测试是一种常用的实验技术，用于分析样品的化学结构、官能团及其化学环境。
它是通过观察和记录样品在红外区域（4000至400 cm^-1）的吸收、散射或透射红外辐射而得到的。
红外光谱测试广泛应用于有机、无机、生物、聚合物等领域。
本文将介绍红外光谱测试的原理、仪器、样品制备以及数据分析等内容。
一、红外光谱测试原理红外光谱测试基于物质与红外辐射的相互作用。
红外光谱仪将红外辐射通过样品，然后测量样品吸收、散射或透射的光强。
红外辐射包含许多波长，在红外区域中的每种波长都与特定的分子振动模式相对应。
当样品中的分子振动发生时，它们会吸收特定波长的红外光，从而产生特征峰。
根据这些特征峰的位置和强度可以推断样品的化学组成和结构。
二、红外光谱测试仪器红外光谱测试仪器主要由光源、样品盒、分光器和探测器等组成。
常见的红外光谱仪有傅里叶变换红外光谱仪（FTIR）和色散红外光谱仪（dispersive IR）。
其中，FTIR光谱仪具有高分辨率、高灵敏度和快速测量的优点，被广泛应用于科研和工业领域。
三、样品制备样品制备是红外光谱测试的关键步骤之一、样品可以是固体、液体或气体。
对于固体样品，常用的方法是将样品与适合的红外吸收剂混合，然后挤压成适当的片状样品。
对于液体样品，可以使用液态电池夹持装置保持样品在红外光束中。
对于气体样品，需要将气体置于透明的气室中，并对室内气体进行红外光谱的测量。
四、红外光谱数据分析红外光谱数据分析是针对测得的吸收谱进行的。
常见的红外光谱数据分析包括鉴定功能性团、质谱相关性分析和量子化学计算等。
鉴定功能性团是通过对比样品的吸收峰位置和精确峰位表进行的。
质谱相关性分析是利用红外光谱和质谱数据之间的相关性，为红外光谱的解释提供重要信息。
量子化学计算是通过计算得到的理论红外光谱与实际测量的红外光谱进行比对，以验证实验结果的准确性。
结论：红外光谱测试是一种重要的化学分析技术，广泛应用于化学、材料、药物和环境等领域。
红外光谱分析全解
分子的运动可分为平动、转动、振动和分子内电子的运动.每种运动状 态都属于一定的能级.因此,分子的总能量可以表示为：
E = E0 +Et + Er + Ev + Ee
E0是分子内在的能量,不随分子运动而改变,即所谓的 零点能.Et、Er、Ev和Ee分别表示分子的平动、转动、振 动和电子运动的能量.由于分子平动Et的能量只和温度的变 化直接相关,在分子平动时不会产生光谱.这样,与光谱有关 的能量变化主要是Er、Ev、Ee三者,每一种能量也都是量 子化的.
500
〔3谱带的强度：与样品的厚度、种类及其含 量有关,与偶极矩变化有关.IR可对某一基团定 量分析. 〔4谱带的形状：与结晶程度及相对含量有关. 结晶差说明晶体结构中键长与键角有差别,引 起振动频率有一定变化范围,每一谱带形状就 不稳定.可用半高宽表示〔width at half full
maximum, WHFM>.
电子的能级最大,从基态 到激发态的能级间隔Ee = 1~20eV；分子振动能级间隔 Ev = 0.05~1.0eV,分子转动能 级间隔Er =0.001~0.05eV.电 子跃迁所吸收的辐射是在可 见光、紫外和X射线区,分子 转动能级跃迁所吸收的辐射 是在远红外与微波区.分子的 振动能级跃迁所吸收的辐射 主要是在中红外区.
摇摆
：1306～1303cm-1 （w）
扭曲
：1250cm-1（w）
s：强吸收，m：中等强度吸收，w，弱吸收
上述每种振动形式都具有其特定的振动频率,也即
有相应的红外吸收谱带,其中伸缩振动的频率高于弯曲
振动.
高岭石{Al4[Si4O10]<OH>8 }红外吸收光谱
透 过 率 /%
红外光谱分析
红外光谱分析一．基本原理红外吸收光谱(Infrared Absorption Spectrum，IR)是利用物质的分子吸收了红外辐射后，并由其振动或转动引起偶极矩的净变化，产生分子振动和转动能级从基态到激发态的跃迁，得到分子振动能级和转动能级变化产生的振动-转动光谱，因为出现在红外区，所以称之为红外光谱。
利用红外光谱进行定性、定量分析及测定分子结构的方法称为红外吸收光谱法。
当分子受到红外光的辐射，产生振动能级的跃迁，在振动时伴有偶极矩改变者就吸收红外光子，形成红外吸收光谱。
若用单色的可见光照射(今采用激光，能量介于紫外光和红外光之间)，入射光被样品散射，在入射光垂直面方向测到的散射光，构成拉曼光谱。
通常将红外光谱区按波长分为3个区域，即近红外区、中红外区、远红外区，如下表所示：1. 分子振动类型有机分子中诸原子通过各类化学键联结为一个整体，当它受到光的辐射时，发生转动和振动能级的跃迁。
简单的双原子化合物如A-B 的振动方式是A 和B 两个原子沿着键的方向作节奏性伸和缩的运动，可以形象地比作连着A、B 两个球的弹簧的谐振运动。
为此A-B 键伸缩振动的基频可用胡克定律推导的公式计算其近似值式中，f 是键的振动基频，单位为cm-1；c 是光速；k 是化学键力常数，相当于胡克弹簧常数，是各种化学键的属性，代表键伸缩和张合的难易程度，与原子质量无关；m 是原子的折合质量，即m=m1·m2/(m1+m2)。
上式表明键的振动基频与力常数成正比，力常数越大，振动的频率越高。
振动的基频与原子质量成反比，原子质量越轻，连接的键振动频率越高。
上述是双原子化合物。
多原子组成的非线型分子的振动方式就更多。
含有n 个原子就得用3n 个坐标描述分子的自由度，其中3 个为转动、3 个为平动、剩下3n-6 个为振动自由度。
每一种振动按理在红外光谱中都应该有其吸收峰，但是事实上只有在分子振动时有偶极矩的改变才会产生明显的吸收峰。
红外光谱分析
红外光谱分析简介红外光谱分析（Infrared Spectroscopy）是一种常用的分析技术，用于研究物质的结构和组成。
通过测量物质对红外辐射的吸收和散射情况，可以获取有关分子振动和结构的信息。
红外光谱分析广泛应用于有机化合物的鉴定和定量分析、材料分析、环境和食品安全监测等领域。
原理红外光谱分析基于物质分子的振动和转动产生的谱线。
大部分物质的振动频率位于红外光谱范围内，因此该技术可以用来研究物质的结构和组成。
红外光谱分析的原理可概括为以下几个方面：1.吸收谱线：物质分子在特定波长的红外辐射下，会吸收特定频率的红外光，产生吸收谱线。
不同官能团或结构单位的振动频率不同，因此吸收谱线可以用来识别物质的组成和结构。
2.波数：红外光谱中使用波数来表示振动频率。
波数与波长的倒数成正比，常用的单位是cm-1。
波数越大，振动频率越高。
3.力常数：物质分子中的振动频率受到分子内力的限制，可以通过量化力常数来描述。
力常数与振动能量相关，可以通过红外光谱数据计算得到。
4.傅里叶变换红外光谱（FTIR）：FTIR是一种常用的红外光谱仪器，利用傅里叶变换原理将红外辐射的吸收信号转换为频率谱线。
FTIR具有快速、高分辨率和高灵敏度的特点，适用于各种物质的分析。
实验步骤进行红外光谱分析通常需要以下步骤：1.样品制备：将待分析的样品制备成适当形式，如固体样品可以通过压片或混合胶制备成薄片，液体样品可以直接放置在红外吸收盒中。
在制备过程中需要注意去除杂质和保持样品的均匀性。
2.仪器校准：使用已知物质进行仪器校准，确保红外光谱仪的准确性和灵敏度。
校准样品通常是有明确红外光谱特征的化合物，如苯环等。
3.获取红外光谱：将样品放置在红外光谱仪中，启动仪器进行红外辐射的扫描。
扫描过程中，红外光谱仪会记录样品对吸收红外辐射的响应。
得到光谱数据后，可以进行后续的数据处理和分析。
4.数据处理和分析：利用软件工具对得到的光谱数据进行处理和分析。
红外光谱分析
红外光谱分析红外光谱分析是一种重要的分析技术，广泛应用于化学、生物、材料等领域。
通过测量物质在红外光谱范围内的吸收和发射特性，可以得到物质分子的结构信息，实现物质的鉴定、定量分析和质量控制等目的。
本文将从红外光谱的基本原理、仪器设备、样品制备和数据解析等方面介绍红外光谱分析的相关知识。
一、基本原理红外光谱分析基于物质对红外辐射的吸收特性。
红外辐射是电磁波谱中的一部分，波长范围在0.78μm至1000μm之间，对应的频率范围在3000GHz至0.3THz之间。
物质分子由原子组成，原子核围绕电子运动，当受到外界的电磁波激发时，分子内部的键振动和转动将发生改变，导致物质吸收特定波长的红外辐射。
不同物质的分子结构和化学键在红外光谱图上表现出特征性的吸收峰，通过观察这些吸收峰的位置和强度可以确定物质的成分和结构。
二、仪器设备进行红外光谱分析需要使用红外光谱仪。
常见的红外光谱仪包括傅立叶变换红外光谱仪（FTIR）和光散射式红外光谱仪（IR）。
FTIR光谱仪通过傅立叶变换技术将红外辐射转换为光谱图，具有高灵敏度和快速测量的优点，适用于定性和定量分析。
光散射式红外光谱仪则通过散射光信号进行检测，适用于固态样品和表面分析。
三、样品制备在进行红外光谱分析前，需要对样品进行适当的制备处理。
液态样品可以直接涂覆在透明吸收的样品基底上进行测试，固态样品通常需要将样品捣碎并与适当的载体混合后进行测试。
在取样和制备过程中需要避免空气和水分的干扰，避免发生氧化和水解反应，影响测试结果的准确性。
四、数据解析红外光谱分析得到的数据通常以吸收光谱图的形式呈现。
吸收光谱图的横轴表示波数或波长，纵轴表示吸收强度，吸收峰的位置和形状反映了物质的分子结构。
数据解析是红外光谱分析的关键步骤，需要借助专业的光谱库和软件进行分析和比对，以确定样品的成分和结构信息。
在实际应用中，红外光谱分析可用于鉴定有机化合物、无机物质、生物大分子等多种样品，广泛应用于医药、食品、环境、材料科学等领域。
红外光谱分析
在红外吸收光谱上除基频峰外，还有振动能级由基态 （ =0）跃迁至第二激发态（ =2）、第三激发态（ =3） ，所产生的吸收峰称为倍频峰。
由于分子非谐振性质，各倍频峰并非正好是基频峰 的整数倍，而是略小一些。以HCl为例：
分子振动能级的能量差（△E振）时，则分子将吸收红外 辐射而跃迁至激发态，导致振幅增大。分子振动能级的 能量差为
△E振=△•h 又光子能量为
EL=hL 于是可得产生红外吸收光谱的第一条件为：
EL =△E振 即L=△•
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第二节 基本原理
表明，只有当红外辐射频率等于振动量子数的差值 与分子振动频率的乘积时，分子才能吸收红外辐射，产 生红外吸收光谱。
近红外光区的吸收带主要是由低能电子跃迁、含氢原 子团（如O—H、N—H、C—H）伸缩振动的倍频吸收等 产生的。该区的光谱可用来研究稀土和其它过渡金属离 子的化合物，并适用于水、醇、某些高分子化合物以及
2
第一节 概述
含氢原子团化合物的定量分析。 中红外光区（2.5 ~ 25µm ）
绝大多数有机化合物和无机离子的基频吸收带出现 在该光区。由于基频振动是红外光谱中吸收最强的振动， 所以该区最适于进行红外光谱的定性和定量分析。同时， 由于中红外光谱仪最为成熟、简单，而且目前已积累了 该区大量的数据资料，因此它是应用极为广泛的光谱区。
体样品都可测定，并具有用量少，分析速度快，不破坏 样品的特点。因此，红外光谱法不仅与其它许多分析方 法一样，能进行定性和定量分析，而且该法是鉴定化合 物和测定分子结构的最有用方法之一。
红外光谱分析
+
R
C
Cl
Cl
C
Cl
F
C
F
1 715cm-1
1 800cm-1
1 828cm-1
1 928cm-1
（ii）共轭效应（C效应）。共轭效应使共轭体系中的电子云 密度平均化，结果使原来的双键略有伸长（即电子云密度 降低），力常数减小，使其吸收频率往往向低波数方向移 动。例如酮的C=O，因与苯环共轭而使C=O的力常数减小， 振动频率降低。
（3）指纹区 a 作为化合物含有什么基团的旁证，指 纹区许多吸收峰都是特征区吸收峰的 相关峰。 b 确定化合物的细微结构
总的图谱解析可归纳为：先特征，后指纹；先最强 峰，后次强峰；先粗查，后细找；先否定，后肯定。一 抓一组相关峰。光谱解析先从特征区第一强峰入手，确 认可能的归属，然后找出与第一强峰相关的峰。第一强 峰确认后，再依次解析特征区第二强峰、第三强峰，方 法同上。对于简单的光谱，一般解析一、两组相关峰即 可确定未知物的分子结构。对于复杂化合物的光谱由于 官能团的相互影响，解析困难，可粗略解析后，查对标 准光谱或进行综合光谱解析。
在红外光谱区均产生一个吸收峰，但是实际 上峰数往往少于基本振动数目。其原因： i 当振动过程中分子不发生瞬间偶极矩变化时， 不引起红外吸收； ii 频率完全相同的振动彼此发生简并； iii 强宽峰往往要覆盖与它频率相近的弱而窄的吸 收峰； iv 吸收峰有时落在中红外区域以外； v 吸收强度太弱，以致无法测定。
υS
υ as
变形 振动 δ
面内变 形振动 δ 面内
面内摇摆 剪式振动
ρ δs
面外变 形振动 δ的大小为： as >
s
>
δ。
能级变化大的出峰在高频区，即波数值大；能级变化小 的出峰在低频区，即波数值小。
红外光谱分析
红外光谱分析一、引言红外光谱分析是一种广泛应用于化学、物理、生物等领域的分析技术。
通过对物质吸收、发射、散射红外光谱的研究，可以确定物质的分子结构、功能基团和化学键等信息。
本文将介绍红外光谱分析的原理、仪器设备和应用领域，并探讨其在不同领域的应用前景。
二、原理及仪器设备A. 红外光谱的原理红外光谱是指物质在红外辐射下的吸收、发射、散射谱。
红外光谱谱图中的吸收峰对应着物质的特定振动模式，通过与已知物质的吸收峰进行比对，可以确定待测物质的组成和结构。
B. 红外光谱仪的工作原理红外光谱仪主要由红外光源、样品室、光谱分析器和红外光谱仪操作系统组成。
红外光源发出红外辐射，经过样品室中的待测物质，被吸收部分将影响到传入光谱分析器的光线，分析器将光信号转换成电信号，并在计算机操作系统中显示光谱图。
C. 常用红外光谱仪的类型1. 红外线分光光度计2. 红外线显微镜3. 傅里叶红外光谱仪4. 近红外光谱仪三、应用领域A. 化学领域1. 有机化合物分析：红外光谱可以确定有机化合物的官能团和分子结构，用于鉴定化合物纯度、反应程度等。
2. 药物研发：通过红外光谱分析药物的活性成分、药效成分，提高药物研发的效率与质量。
B. 环境领域1. 空气污染监测：红外光谱可用于检测大气中的有害气体，如二氧化碳、一氧化碳等，对环境保护和监测具有重要意义。
2. 水质分析：利用红外光谱可以检测水中溶解的有机物和无机物，分析水质的污染程度。
C. 生物医学领域1. 蛋白质结构研究：红外光谱可以研究蛋白质的次级结构，帮助研究蛋白质的折叠、稳定性等关键问题。
2. 癌症诊断：通过对血液、尿液等样本的红外光谱分析，可以实现对肿瘤的早期检测与诊断。
四、红外光谱分析的前景与挑战A. 前景红外光谱分析作为一种非破坏性、快速、准确的分析方法，具有广泛的应用前景。
随着红外光谱仪器设备的不断更新，红外光谱分析技术在多个领域得到了广泛应用，并取得了一系列有益的成果。
红外光谱分析
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分子振动的类型
双原子分子振动
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分子的两个原子以其平衡点为中心，以 很小的振幅（与核间距相比）作周期性 “简谐”振动，其振动可用经典刚性振动 描述：
( 频率 ) 1 k ................或. (波数 ) 1 k
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影响基团频率的因素
电子效应：引起化学键电子分布不均匀的效应。
诱导效应(Induction effect)：取代基电负性—静电 诱导—电子分布改变—k 增加—特征频率增加（移 向高波数）。
共轭效应(Conjugated effect)：电子云密度均化—键 长变长—k 降低—特征频率减小（移向低波数）。
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叁键及累积双键区（2500~1900cm-1）
叁
CC，CN，C=C=C，C=C=O 等
键 RCCH
2100-2140
及 RCCR’ 2196-2260
R=R’则无红外吸收
累 积 CN
2240-2260
分子中有 N，H，C，峰
（非共轭） 强且锐；
双
2220-2230
有 O 则弱，离基团越近
键
（共轭） 则越弱。
例如：HCl分子k=5.1 mdyn/Å，则HCl的振动频率为：
1307 5.1/[(35.5 1.0) /(35.5 1.0)]
2993cm1 实 测 值 为2 88 5.9cm 1
对于C-H：k=5 mdyn/Å; =2920 cm-1 对于C=C，k=10 mdyn/Å, =1683 cm-1 对于C-C，k=5 mdyn/Å; =1190 cm-1
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红外光谱分析红外光谱与分子的结构密切相关，是研究表征分子结构的一种有效手段，与其它方法相比较，红外光谱由于对样品没有任何限制，它是公认的一种重要分析工具。
在分子构型和构象研究、化学化工、物理、能源、材料、天文、气象、遥感、环境、地质、生物、医学、药物、农业、食品、法庭鉴定和工业过程控制等多方面的分析测定中都有十分广泛的应用。
红外光谱可以研究分子的结构和化学键，如力常数的测定和分子对称性等，利用红外光谱方法可测定分子的键长和键角，并由此推测分子的立体构型。
根据所得的力常数可推知化学键的强弱，由简正频率计算热力学函数等。
分子中的某些基团或化学键在不同化合物中所对应的谱带波数基本上是固定的或只在小波段范围内变化，因此许多有机官能团例如甲基、亚甲基、羰基，氰基，羟基，胺基等等在红外光谱中都有特征吸收，通过红外光谱测定，人们就可以判定未知样品中存在哪些有机官能团，这为最终确定未知物的化学结构奠定了基础。
由于分子内和分子间相互作用，有机官能团的特征频率会由于官能团所处的化学环境不同而发生微细变化，这为研究表征分子内、分子间相互作用创造了条件。
分子在低波数区的许多简正振动往往涉及分子中全部原子，不同的分子的振动方式彼此不同，这使得红外光谱具有像指纹一样高度的特征性，称为指纹区。
利用这一特点，人们采集了成千上万种已知化合物的红外光谱，并把它们存入计算机中，编成红外光谱标准谱图库，人们只需把测得未知物的红外光谱与标准库中的光谱进行比对，就可以迅速判定未知化合物的成份。
下面将对红外光谱分析的基本原理做一个简单的介绍。
红外吸收光谱是物质的分子吸收了红外辐射后，引起分子的振动-转动能级的跃迁而形成的光谱，因为出现在红外区，所以称之为红外光谱。
利用红外光谱进行定性定量分析的方法称之为红外吸收光谱法。
红外辐射是在 1800年由英国的威廉.赫谢(Willian Hersher) 尔发现的。
一直到了1903年，才有人研究了纯物质的红外吸收光谱。
二次世界大战期间，由于对合成橡胶的迫切需求，红外光谱才引起了化学家的重视和研究，并因此而迅速发展。
随着计算机的发展，以及红外光谱仪与其它大型仪器的联用，使得红外光谱在结构分析、化学反应机理研究以及生产实践中发挥着极其重要的作用，是“四大波谱”中应用最多、理论最为成熟的一种方法。
红外光谱法的特点：1•气态、液态和固态样品均可进行红外光谱测定；2•每种化合物均有红外吸收，并显示了丰富的结构信息；3•常规红外光谱仪价格低廉，易于购置；4•样品用量少：可减少到微克级；5. 针对特殊样品的测试要求，发展了多种测量新技术，如：光声光谱（ PAS）、衰减反射光谱（ATR），漫反射，红外显微镜等。
第一节红外光谱分析基本原理一. 红外吸收与振动 - 转动光谱1. 光谱的产生：分子中基团的振动和转动能级跃迁产生振-转光谱，称红外光谱。
2. 所需能量：近红外（14000-4000cm-1），中红外（4000-400cm-1），远红外（400-10cm-1）3. 研究对象：具有红外活性的化合物，即含有共价键、并在振动过程中伴随有偶极矩变化的化合物。
4. 用途:结构鉴定、定量分析和化学动力学研究等。
二、分子振动方程式1. 振动频率对于双原子分子，可认为分子中的原子以平衡点为中心，以非常小的振幅作周期性的振动即化学键的振动类似于连接两个小球的弹簧（如下图），可按简谐振动模式处理，由经典力学导出振动频率：双原子分子振动模拟图2.振动能级（量子化）：按量子力学的观点，当分子吸收红外光谱发生跃迁时，要满足一定的要求，即振动能级是量子化的，可能存在的能级满足下式：E 振 =（ V+ 1/2 ）h nn ：化学键的振动频率；V ：振动量子数。
任意两个相邻的能级间的能量差为：（用波数表示）其中：K 为化学键的力常数，与键能和键长有关；m 为双原子的折合质量。
发生振动能级跃迁需要能量的大小取决于键两端原子的折合质量和键的力常数，即取决于分子的结构特征。
化学键键强越强（即键的力常数K 越大）原子折合质量越小，化学键的振动频率越大，吸收峰将出现在高波数区。
键类型 -C≡C- > -C=C- > -C-C-力常数 15-17 9.5-9.9 4.5-6.6峰位 4.5μm 6.0μm 7.0μm三、分子的振动形式两类基本振动形式：变形振动和伸缩振动以甲烷为例：弱吸收（W）中等强度吸收（M）甲烷的变形振动强吸收（S）甲烷的伸缩振动四. 红外光谱产生的条件1. 红外光的频率与分子中某基团振动频率一致；2. 分子振动引起瞬间偶极矩变化、完全对称分子，没有偶极矩变化，辐射不能引起共振，无红外活性，如： N2O、等；非对称分子有偶极矩，属红外活性，如 HCl 。
偶极子在交变电场2中的作用可用下图表示：偶极子在交变电场中的作用示意图五. 红外光谱峰的位置、峰数与强度1.位置：由振动频率决定，化学键的力常数K 越大，原子折合质量m 越小，键的振动频率越大，吸收峰将出现在高波数区（短波长区）；反之，出现在低波数区（高波长区）；2.峰数：分子的基本振动理论峰数，可由振动自由度来计算，对于由 n 个原子组成的分子，其自由度为3 n3n= 平动自由度+振动自由度+转动自由度分子的平动自由度为3，转动自由度为：非线性分子3，线性分子2 振动自由度=3 n- 平动自由度-转动自由度非线性分子:振动自由度=3 n-6线性分子:振动自由度=3 n-5绝大多数化合物红外吸收峰数远小于理论计算振动自由度，其原因有：无偶极矩变化的振动不产生红外吸收；吸收简并；吸收落在仪器检测范围以外；仪器分辨率低，谱峰重叠等。
3．强度:红外吸收的强度与跃迁几率的大小和振动偶极矩变化的大小有关，跃迁几率越大、振动偶极矩越大，则吸收强度越大。
4 ．红外光谱图：纵坐标为吸收强度，横坐标为波长λ，（μm ），和波数 1/ λ，单位： cm -1 ，可以用峰数，峰位，峰形，峰强来描述六 . 常用的红外光谱术语1. 频峰：由基态跃迁到第一激发态，产生的强吸收峰，称为基频峰(强度大)；2. 倍频峰：由基态直接跃迁到第二、第三等激发态，产生弱的吸收峰，称为倍频峰；3. 合频峰：两个基频峰频率相加的峰;4．Fermi 共振 :某一个振动的基频与另外一个振动的倍频或合频接近时,由于相互作用而在该基频峰附近出现两个吸收带,这叫做 Fermi 共振,例如苯甲酰氯只有一个羰基,却有两个羰基伸缩振动吸收带,即1731 cm-1 和1736 cm-1, 这是由于羰基的基频(1720 cm-1) 与苯基和羰基的变角振动(880—860 cm-1) 的倍频峰之间发生Fermi 共振而产生的. Fermi 共振的产生使红外吸收峰数增多,峰强加大.5. 振动偶合:两个化学键的振动频率相等或接近时,常使这两个化学键的基频吸收峰裂分为两个频率相差较大的吸收峰,这种现象叫做振动偶合.第二节红外光谱的应用一、红外光谱一般解析步骤1. 检查光谱图是否符合要求;2. 了解样品来源、样品的理化性质、其他分析的数据、样品重结晶溶剂及纯度;3. 排除可能的“假谱带”;4. 若可以根据其他分析数据写出分子式，则应先算出分子的不饱和度U∪ = （2 + 2n4 + n3 –n1 ）/ 2n4 ，n3 ，n1分别为分子中四价，三价，一价元素数目;5.确定分子所含基团计划削减的类型（官能团区4000-1330和指纹区1330-650cm-16. 结合其他分析数据，确定化合物的结构单元，推出可能的结构式;7. 已知化合物分子结构的验证;8. 标准图谱对照;9. 计算机谱图库检索。
二、定性分析定性分析大致可分为官能团定性和结构定性两个方面定性分析的一般过程：1. 试样的分离和精制2.了解与试样性质有关的其它方面的材料3. 谱图的解析4. 和标准谱图进行对照5. 计算机红外光谱谱库及其检索系统6. 确定分子的结构三定量分析定量分析的依据是郎伯-比尔定律。
红外光谱图中吸收带很多，因此定量分析时 , 特征吸收谱带的选择尤为重要，除应考虑ε较大之外，还应注意以下几点：（1）谱带的峰形应有较好的对称性性 ;（2）没有其他组分在所选择特征谱带区产生干扰 ;（3）溶剂或介质在所选择特征谱带区域应无吸收或基本没有吸收；（4）所选溶剂不应在浓度变化时对所选择特征谱带的峰形产生影响 ; （5）特征谱带不应在对二氧化碳、水蒸气有强吸收的区域。
谱带强度的测量方法主要有峰高（即吸光度值）测量和峰面积测量两种，而定量分析方法很多，视被测物质的情况和定量分析的要求可采用直接计算法、工作曲线法、吸收度比法和内标法等。
1 .直接计算法这种方法适用于组分简单，特征吸收谱带不重叠。
且浓度与吸收成线性关系的样品。
直接从谱图上读取吸光度 A 值，再按朗伯 -比尔定律算出组分含量C 。
这一方法的前提是应先测出样品厚度 L 及摩尔吸光系数ε值，分析精度不高时，可用文献报道ε值。
2 ．工作曲线法这种方法适用于组分简单，样品厚度一定（一般在液体样品池中进行），特征吸收谱带重叠较少，而浓度与吸光度不成线性关系的样品。
3 ．吸光度比法该发适用于厚度难以控制或不能准确测定其厚度的样品，例如厚度不均匀的高分子膜，糊状法的样品等。
这一方法要求各组分的特征吸收谱带相互不重叠，且服从于郎伯—比尔定律。
如有二元组分 X 和 Y ，根据朗伯 -比尔定律，应存在以下关系；由于是在同一被测样品中，故厚度是相同的，其吸光度比 R 为：式中的 K 称为吸收系数比。
前提是不允许含其他杂质。
吸光度比法也适合于多元体系。
4 ．内标法此法适用于厚度难以控制的糊状法、压片法等的定量工作，可直接测定样品中某一组分的含量。
具体做法如下：首先，选择一个合适的纯物质作为内标物。
用待测组分标准品和内标物配制一系列不同比例的标样，测量它们的吸光度，并用公式计算出吸收系数比 k 。
根据郎伯—比尔定律，待测组分s的吸光度 As=εs CsLs内标物I的吸光度 AI =εICILI因内标物与待测组分的标准品配成标样后测定，故Ls =LI在配置的标样中Cs 、CI都是已知的，As、AI可以从图谱中得到，因此可求得k值。
然后在样品中配入一定量的内标物，测其吸光度，即可计算出待测组分的含量Cs。
式中，k由标样求得，C I是配入样品中的内标物量，As、A I可以从谱图中得到。
如果被测组分的吸光度与浓度不成线性关系，即k值不恒定时，应先做出As/A I与C s/C I工作曲线。
在未知样品中测定吸光度比值后，就可以从工作曲线上得出响应的浓度比值。
由于加入的内标物量是已知的，因此就可求得未知组分的含量。
第三节红外光谱仪（1）傅里叶变换红外光谱法（FTIR）的基本原理当不同能量的各种光线照射到物体上时都会相互作用而发生能量交换，频率越高的光线能量越大，与物质相互作用也越强烈，根据光线频率由高到低顺序，可把光线分为x 射线、紫外线、可见光、红外线、微波、无线电波等波段。