红外光谱的原理及应用综述

红外光谱分析基本原理及应用

摘要红外光谱分析技术具有很快速，非破坏性，低成本及同时测定多种成分等特点，

在很多领域得到了广泛应用。本文介绍了红外光谱技术的检测原理，红外光谱仪的构造，指出了其检测的优点与不足。综述了红外光谱法的发展、应用以及对红外光谱研究前景的展望。

关键词：红外光谱原理构造发展1.引言

红外光谱法（infrared spectrometry,IR）是根据物质对红外辐射的选择性吸收特性而建立起来的一种光谱分析方法。分子吸收红外辐射后发生振动和转动能级跃迁。所以，红外光谱法实质是根据分子内部振动原子间的相对振动和分子转动等信息来鉴别化合物和确定物质分子结构的分析方法。

2.红外光谱分析的基本原理

2.1 红外光谱产生的条件

物质分子吸收红外辐射发生振动和转动能级跃迁，必须满足以下两个条件：一是辐射光子的能量与发生转动和转动能级跃迁所需的能量相等；二是分子转动必须伴随有偶极距的变化，辐射与物质间必须有相互作用。

2.2 红外吸收光谱的表示方法

红外吸收光谱一般用T_σ曲线或T_λ曲线来表示，λ与σ的关系式为：

σ（cm-1）=1/λ(cm)=10^4/λ（μm）

2.3 分子的振动与红外吸收

2.3.1 双原子分子的振动

若把双原子分子(A-B)的两个原子看成质量分别为M1，M2的两个小球，中间的化学键看做不计质量的弹簧，那么原子在平衡位置附近的伸缩振动可以近似地看成沿键轴方向的简谐振动。量子力学证明，分子振动的总能量为：

E=(u+1/2)hv

当分子发生△v=1 的振动能级跃迁时（由基态跃迁到第一激发态）根据胡克(Hooke)定律它所吸收的红外光波数σ为：

σ=（1/2пc）√（k/μ）

其中：c—光速，3×10^8cm/s;k—化学键力常数N/cm；μ—两个原子的折合质量，g，μ=（m1.m2）/(m1+m2)

显然，振动频率σ与化学键力常数k成正比，与两个原子的折合质量成反比。不同化合物k和μ不同，所以不同化合物有自己的特征红外光谱。

2.3.2 多原子分子的振动

可分为伸缩振动和弯曲振动两类。伸缩振动是指原子沿着键轴方向伸缩，使键长发生周期性变化的振动。弯曲振动是指基团键角发生周期性变化的振动或分子中原子团对其余部分所做的相对运动。弯曲振动键力常数比伸缩振动的小。因此，同一基团的弯曲振动在其伸缩振动的低频区出现，所以，一般不把他做基团频率。多原子的复杂振动数又叫分子的振动自由度。每一种振动形式都有他特定的振动频

率，即有相对应的红外吸收峰。因此，分子振动的自由度数目越大，则在红外吸收光谱中出现的峰数也就越多。

2.4 基团频率与分子结构关系

基团频率可分为官能团区和指纹区。官能团区就包括了X-H键伸缩振动区（2500-4000cm-1），（X代表O,N,C,S）;三键和累积双键区（2000-2500cm-1）；双键伸缩振动区（1500-2000cm-1）。指纹区包括C-H,N-H键的弯曲振动；C-O,C-N,C-X（卤素原子)的伸缩振动和C-C 骨架振动。

3 红外吸收光谱仪

3.1理工作原

从光源出发的红外光谱被分为等强度的两束光：一束通过样品池，一束通过参比池然后由折光器送入单色器色散，扫描电动机控制光栅或棱镜的转角，使色散光按频率由高到地依次通过出射狭缝聚焦在检测器上。

3.2 仪器的构成

光源单色器样品池检测器记录系统

4红外光谱法的特点

4.1优点

红外光谱法对气体、液体、固体样品都可测定。它属于非破坏性检测，可保留样品完整外表而得其内在品质；测量简单、无繁琐的前处理和化学反应过程；测试速度快；对测试人员无专业化要求且单人可完成多个化学指标的测定；测试过程无污染，检测成本低。

4.2缺点

物质在红外区吸收弱、灵敏度低；建模难度大，需要有专业人员

和来源丰富的有代表性的样品，并配备精确地化学分析手段。每一种模型只能适应一定时间和空间范围，因此需要不断对模型进行维护。

5红外光谱的发展、应用与前景的展望

5.1红外光谱的发展

1800年，英国天文学家赫谢尔(Herschel)用温度计测量太阳光可见光区内外温度时，发现可见光以外“黑暗”部分的温度比可见光部分高。从而认识到在可见光谱长波段还有一个红外光区。

1905年前后，已系统性的研究了数百种化合物的红外吸收光谱。并总结了一些物质的分子基团与其红外吸收带之间的关系。

同时人们也利用量子力学的方法研究红外光谱。1930年有人用群论方法计算了许多简单分子的基频和键力常数，发现了红外光谱理论。

但是对大量的复杂物质的红外光谱吸收带，人们至今还不能从理论上清楚地阐明它与分子结构间的关系。

5.2应用

红外光谱可用于已知物的鉴定、未知化合物的结构测定。

例如：

（1）苹果品质检测

董威等人（2007年）采用CCO近红外光谱系统，通过Y型光纤采集红富士苹果的漫反射光谱，利用最小二乘回归（PLSR）建立苹果糖度、酸度的定量预测模型。

刘燕德等人（2007、2008年）应用红外光谱，采用编最小二乘法

和主成分回归方法，对赣南脐橙可溶性固型物、南丰蜜桔可溶性固型物、南丰蜜桔维生素（含量、南丰蜜桔糖度进行无损检测研究）。

王加华等人（2008年）提出了直接采用可见-近红外能量光谱对苹果褐腐病，水心鉴别的方法。在红外苹果糖度无损检测中，将遗传算法（GA）应用在偏最小二乘法（PLS）校正模型的波段优化选择中具有显著效果。

（2）柑橘脐橙品质检测

陆辉山等人（2007年）采用可见/近红外光谱漫透射方式对柑橘类水果的可溶性固形物含量进行无损定量分析。

5.3发展前量与展望

由于近红外光谱法的快速、非破坏性、无试剂分析、安全性高、低成本及能同时测定多种成分等特点。必将成为无损检测经济，有效且最具有发展前景的技术之一。随着近红外光谱仪硬件设备成本不断降低，进一步完善软件的算法，提高从复杂的近红外光谱中提取有效信息的效率，增加光谱的信噪比。红外光谱法的应用前景将更广阔。【参考文献】

【1】董一威，籍保平，等。苹果中糖酸度的CCO近红外光谱分析（J）。食品科学，2007,28（8）：376-380

【2】王加华，韩东海。基于遗传算法的苹果糖度红外光谱分析（J）。光谱学与光谱分析，2008,28（10）：2308-2311

【3】陆辉山，傅霞萍等。可见/近红外光估测完整柑橘水果可溶性固体物含量的研究（J）。光谱学与光谱分析，2007,27（9）：1727-1730

【4】雷松泽，姚红草。近红外光谱分析技术在水果品质完善检测上的由于（J）。

光谱实验室，2009，29（4）：775-779