红外光谱技术及其应用进展

红外光谱技术及其应用进展

摘要：对物质自发发射或受激发射的红外射线进行分光，可得到红外发射光谱，物质的红外发射光谱主要决定于物质的温度和化学组成；对被物质所吸收的红射线进行分光，可得到红外吸收光谱。红外光谱具有高度的特征性，不但可以用来研究分子的结构和化学键，而且广泛地用于表征和鉴别各种化学物种。

关键词：红外光谱、特点、发展、应用原理、红外光谱仪

1.应用红外光谱简介：

红外光谱学是光谱学中研究电磁光谱红外部分的分支。它包括了许多技术，到目前为止最常用的是吸收光谱学。同所有的分光镜技术一样，它可以被用来鉴别一种化合物和研究样品的成分。对物质自发发射或受激发射的红外射线进行分光，可得到红外发射光谱，物质的红外发射光谱主要决定于物质的温度和化学组成；对被物质所吸收的红外射线进行分光，可得到红外吸收光谱。每种分子都有由其组成和结构决定的独有的红外吸收光谱，它是一种分子光谱。分子的红外吸收光谱属于带状光谱。原子也有红外发射和吸收光谱，但都是线状光谱。红外光谱具有高度的特征性，不但可以用来研究分子的结构和化学键，如力常数的测定等，而且广泛地用于表征和鉴别各种化学物种。

2.红外光谱发展史：

红外辐射是18世纪末，19世纪初才被发现的。1800年英国物理学家赫谢尔（Herschel）用棱镜使太阳光色散，研究各部分光的热效应，发现在红色光的外侧具有最大的热效应，说明红色光的外侧还有辐射存在，当时把它称为“红外线”或“热线”。这是红外光谱的萌芽阶段。由于当时没有精密仪器可以检测，所以一直没能得到发展。过了近一个世纪，才有了进一步研究并引起注意。

1892年朱利叶斯（Julius）用岩盐棱镜及测热辐射计（电阻温度计），测得了20几种有机化合物的红外光谱，这是一个具有开拓意义的研究工作，立即引起了人们的注意。1905年库柏伦茨（Coblentz）测得了128种有机和无机化合物的红外光谱，引起了光谱界的极大轰动。这是红外光谱开拓及发展的阶段。

到了20世纪30年代，光的二象性、量子力学及科学技术的发展，为红外光谱的理论及技术的发展提供了重要的基础。不少学者对大多数化合物的红外光谱进行理论上研究和归纳、总结，用振动理论进行一系列键长、键力、能级的计算，使红外光谱理论日臻完善和成熟。尽管当时的检测手段还比较简单，仪器仅是单光束的，手动和非商化的，但红外光谱作为光谱学的一个重要分支已为光谱学家和物理、化学家所公认。这个阶段是红外光谱理论及实践逐步完善和成熟的阶段。

20世纪中期以后，红外光谱在理论上更加完善，而其发展主要表现在仪器及实验技术上的发展：①1947年世界上第一台双光束自动记录红外分光光度计在美国投入使用。这是第一代红外光谱的商品化仪器；②20世纪60年代，采用光栅作的单色器，比起棱镜单色器有了很大的提高，但它仍是色散型的仪器，分辨率、灵敏度还不够高，扫描速度慢。这是第二代仪器；③20世纪70年代，干涉型的傅里叶变换红外光谱仪及计算机化色散型的仪器的使用，使仪器性能得到极大的提高。这是第三代仪器；④20世纪70年代后期到80年代，用可调激光作为红外光源代替单色器，具有更高的分辨本领、更高灵敏度，也扩大应用范围。这是第四代仪器。

现在红外光谱仪还与其它仪器如GC、HPLC联用，更扩大了其使用范围。而用计算机存贮及检索光谱，使分析更为方便、快捷。

3.红外光谱原理：

电磁光谱的红外部分根据其同可见光谱的关系，可分为近红外光、中红外光和远红外光。远红外光（大约400-10 cm-1）同微波毗邻，能量低，可以用于旋转光谱学。中红外光（大约4000-400 cm-1）可以用来研究基础振动和相关的旋转-振动结构。更高能量的近红外光（14000-4000 cm-1）可以激发泛音和谐波振动。

红外光谱法的工作原理是由于振动能级不同，化学键具有不同的频率。共振频率或者振动频率取决于分子等势面的形状、原子质量、和最终的相关振动耦合。为使分子的振动模式在红外活跃，必须存在永久双极子的改变。具体的，在波恩-奥本海默和谐振子近似中，例如，当对应于电子基态的分子哈密顿量能被分子几何结构的平衡态附近的谐振子近似时，分子电子能量基态的势面决定的固有振荡模，决定了共振频率。然而，共振频率经过一次近似后同键的强度和键两头的原子质量联系起来。这样，振动频率可以和特定的键型联系起来。

简单的双原子分子只有一种键，那就是伸缩。更复杂的分子可能会有许多键，并且振动可能会共轭出现，导致某种特征频率的红外吸收可以和化学组联系起来。常在有机化合物中发现的CH2组，可以以“对称和非对称伸缩”、“剪刀式摆动”、“左右摇摆”、“上下摇摆”和“扭摆”六种方式振动。

测量样品时，一束红外光穿过样品，个个波长上的能量吸收被记录下来。这可以由连续改变使用的单色波长来实现，也可以用傅立叶变换来一次测量所有的波长。这样的话，透射光谱或吸收光谱或被记录下来，显示出被样品红外吸收的波长，从而可以分析出样品中包含的化学键。

这种技术专门用在共价键的分析上，而且主要用于有机化学中。如果样品的红外活跃键少、纯度高，得到的光谱会相当清晰，效果好。更加复杂的分子结构会导致更多的键吸收，从而得到复杂的光谱。但是，这项技术还是用在了非常复杂的混合物的定性研究当中。

红外光谱原理示意图(1) 红外光谱原理示意图(2)

4.红外光谱应用：

①红外光谱法的一般特点：特征性强、测定快速、不破坏试样、试样用量少、

C O

OH

作简便、能分析各种状态的试样、分析灵敏度较低、定量分析误差较大

②对样品的要求：（1）试样纯度应大于98％，或者符合商业规格，这样才便

于与纯化合物的标准光谱或商业光谱进行对照，多组份试样应预先用分馏、萃取重结晶或色谱法进行分离提纯，否则各组份光谱互相重叠，难予解析；（2）试样不应含水（结晶水或游离水），水有红外吸收，与羟基峰干扰，而且会侵蚀吸收池的盐窗。所用试样应当经过干燥处理；（3）试样浓度和厚度要适当，使最强吸收透光度在5～20%之间

③定性分析和结构分析：红外光谱具有鲜明的特征性，其谱带的数目、位置、形状和强度都随化合物不同而各不相同。因此，红外光谱法是定性鉴定和结构分析的有力工具。

④定量分析：红外光谱有许多谱带可供选择，更有利于排除干扰。红外光源发光能量较低，红外检测器的灵敏度也很低，ε＜103吸收池厚度小、单色器狭缝宽度大，测量误差也较大。对于农药组份、土壤表面水份、田间二氧化碳含量的测定和谷物油料作物及肉类食品中蛋白质、脂肪和水份含量的测定，红外光谱法是较好的分析方法。

举例：有一化合物分子式为C7H6O2，其红外光谱如下图，试推断其结构。

由图观察可得出：

(1)U＝1＋7＋0.5×(-6)＝5，可能有苯环、双键各一个。

(2)1684cm-1强峰是νC=O吸收（对不饱和贡献为1）。

(3)在3300－2500cm-1区域有宽而散的νO－H吸收峰；935cm-1为羧酸二聚体的γO －H吸收；－1400和－1300cm-1为羧酸的νC－O和δO－H吸收。

(4)1600、1582cm-1是苯环的νC=C特征吸收；3070、3012cm-1是苯环的νC-H特征吸收；715、699cm-1是单取代苯的特征吸收。因此分子中肯定存在苯环结构（对不饱和贡献为4），并具有羧酸的特征吸收，所以是芳酸。又因νC=O在较低频率的1684cm-1，这表明:羧基直接与苯环相连。综上所述，该化合物结构为苯甲酸——

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