紅外光譜分析原理詳解

1 紅外光的定義

紅外光是英國科學家赫歇爾1800年在實驗室中發現的。它是波長比紅光長的電磁波，具有明顯的熱效應，使人能感覺到而看不見。科學家發現，一定波長的光(可見光或不可見光)照射到某些金屬等材料表面時，金屬等材料會發射電子流，稱為光電效應。

紅外光，又叫紅外線，是波長比可見光要長的電磁波(光)，波長為770納米到1毫米之間，習慣上，往往把紅外區分為三個區域，近紅外區（波長780nm~2500nm），中紅外區（波長2500nm~25000nm），遠紅外區（波長25μm~1000μm）。一般說來，近紅外光譜是由分子的倍頻、合頻產生的；中紅外光譜屬于分子的基頻振動光譜；遠紅外光譜則屬于分子的轉動光譜和某些基團的振動光譜。

由于絕大多數有機物和無機物的基頻吸收帶都出現在中紅外區，因此中紅外區是研究和應用最多的區域，積累的資料也最多，儀器技術最為成熟。通常所說的紅外光譜即指中紅外光譜。

2 紅外光譜的產生

2.1 紅外光譜的定義

光譜分析是一種根據物質的光譜來鑒別物質及確定它的化學組成，結構或者相對含量的方法。按照分析原理，光譜技術主要分為吸收光譜，發射光譜和散射光譜三種；

按照被測位置的形態來分類，光譜技術主要有原子光譜和分子光譜兩種。紅外光譜屬于分子光譜，有紅外發射和紅外吸收光譜兩種，常用的一般為紅外吸收光譜。

當一束具有連續波長的紅外光通過物質，物質分子中某個基團的振動頻率或轉動頻率和紅外光的頻率一樣時，分子就吸收能量由原來的基態振(轉)動能級躍遷到能量較高的振(轉)動能級，分子吸收紅外輻射后發生振動和轉動能級的躍遷，該處波長的光就被物質吸收。

所以，紅外光譜法實質上是一種根據分子內部原子間的相對振動和分子轉動等信息來確定物質分子結構和鑒別化合物的分析方法。將分子吸收紅外光的情況用儀器記錄下來，就得到紅外光譜圖。

當外界電磁波照射分子時，如照射的電磁波的能量與分子的兩能級差相等，該頻率的電磁波就被該分子吸收，從而引起分子對應能級的躍遷，宏觀表現為透射光強度變小。電磁波能量與分子兩能級差相等為物質產生紅外吸收光譜必須滿足條件之一，這決定了吸收峰出現的位置。

紅外吸收光譜產生的第二個條件是紅外光與分子之間有偶合作用，為了滿足這個條件，分子振動時其偶極矩必須發生變化。這實際上保證了紅外光的能量能傳遞給分子，這種能量的傳遞是通過分子振動偶極矩的變化來實現的。

紅外光譜 (Infrared Spectroscopy, IR) 的研究開始于 20 世紀初期，自 1940 年商品紅外光譜儀問世以來，紅外光譜在有機化學研究中得到廣泛的應用。現在一些新技術 （如發射光譜、光聲光譜、色譜—紅外聯用等） 的出現，使紅外光譜技術得到更加蓬勃的發展。

2.2 分子振動類型

伸縮振動和彎曲振動。前者是指原子沿鍵軸方向的往復運動，振動過程中鍵長發生變化。后者是指原子垂直于化學鍵方向的振動。通常用不同的符號表示不同的振動形式，例如，伸縮振動可分為對稱伸縮振動和反對稱伸縮振動，分別用 Vs 和Vas 表示。彎曲振動可分為面內彎曲振動(δ)和面外彎曲振動(γ)。

2.3 紅外光譜表示方法

紅外光譜圖通常用波長(λ)或波數(σ)為橫坐標，表示吸收峰的位置，用透光率(T%)或者吸光度(A)為縱坐標，表示吸收強度。

3 紅外光譜的信息

l 峰位：吸收峰的位置（吸收頻率）

分子內各種官能團的特征吸收峰只出現在紅外光譜的一定范圍，如：C=O的伸縮振動一般在1700cm-1范圍左右。

l 峰強：吸收峰的強度

峰的強度取決于分子振動時偶極矩的變化，偶極矩的變化越小，譜帶強度越弱。

l 峰形：吸收峰的形狀（尖峰、寬峰、肩峰）

不同基團可能在同一頻率范圍內都有紅外吸收，如-OH、-NH的伸縮振動峰都在3400~3200 cm-1，但二者峰型狀有顯著不同，峰型的不同有助于官能團的鑒別。