[IR]红外光谱

作者：N. Gao 日期：2023-04-17 修订：2023-04-17

1. 原理

红外光谱是一种根据分子内部原子间的相对振动和分子转动等信息来确定物质分子结构和鉴别化合物的分析方法。当一束具有连续波长的红外光通过物质，物质分子中某个基团的振动频率或转动频率和红外光的频率一样时，分子就吸收能量由原来的基态振（转）动能级跃迁到能量较高的振（转）动能级，分子吸收红外辐射后发生振动和转动能级的跃迁，该处波长的光就被物质吸收。红外光谱属于分子光谱，有红外发射和红外吸收光谱两种，常用的一般为红外吸收光谱。红外光谱的波数范围为12800至10 cm-1，对有机化合物的分析最有用的红外区域往往是2500至16000 nm的波长。

2. 仪器

2.1 仪器构成

红外光谱仪主要由光源、样品室、光谱仪、检测器和数据处理系统等组成。光源一般采用热辐射源，如Nernst灯、钨丝灯、硅碳棒灯、硅棒灯、硅膜灯、硅

2.2 仪器分类

2.2.1 棱镜和光栅型红外光谱仪

属于色散型光谱仪，它的单色器为棱镜或光栅，属单通道测量，即每次只测量一个窄波段的光谱元。转动棱镜或光栅，逐点改变其方位后，可测得光源的光谱分布。 随着信息技术和电子计算机的发展，出现了以多通道测量为特点的新型红外光谱仪，即在一次测量中，探测器就可同时测出光源中各个光谱元的信息，例如，在哈德曼变换光谱仪中就是在光栅光谱仪的基础上用编码模板代替入射或出射狭缝，然后用计算机处理探测器所测得的信号。与光栅光谱仪相比，哈德曼变换光谱仪的信噪比要高些。

2.2.2 傅里叶变换型红外光谱仪

它是非色散型的，核心部分是一台双光束干涉仪（图4中虚线框内所示），常用的是迈克耳孙干涉仪。当动镜移动时，经过干涉仪的两束相干光间的光程差就改变，探测器所测得的光强也随之变化，从而得到干涉图。经过傅里叶变换的数学运算后，就可得到入射光的光谱B(v)： 式中I(x)为干涉信号；v为波数；x为两束光的光程差。 傅里叶变换光谱仪的主要优点是： 傅里叶变换红外光谱仪 ①多通道测量使信噪比提高； ②没有入射和出射狭缝限制，因而光通量高，提高了仪器的灵敏度； ③以氦、氖激光波长为标准，波数值的精确度可达0.01厘米； ④增加动镜移动距离就可使分辨本领提高； ⑤工作波段可从可见区延伸到毫米区，使远红外光谱的测定得以实现。

• 上述各种红外光谱仪既可测量发射光谱，又可测量吸收或反射光谱。当测量发射光谱时，以样品本身为光源；测量吸收或反射光谱时，用卤钨灯、能斯脱灯、硅碳棒、高压汞灯（用于远红外区）为光源。所用探测器主要有热探测器和光电探测器，前者有高莱池、热电偶、硫酸三甘肽、氘化硫酸三甘肽等；后者有碲镉汞、硫化铅、锑化铟等。常用的窗片材料有氯化钠、溴化钾、氟化钡、氟化锂、氟化钙，它们适用于近、中红外区。在远红外区可用聚乙烯片或聚酯薄膜。此外，还常用金属镀膜反射镜代替透镜。

3. 傅立叶变化红外光谱学

傅里叶变换红外光谱学（FTIR）是一种极为有效的记录红外光谱信号的测量手段。红外光穿过干涉仪装置后再经过样品（反之亦然）。干涉仪中的一面前后移动的镜子改变红外光中的波长分布。经过此装置的后收集到的红外谱图被称为“干涉图”，代表着此时收集到的光是一组随时间变化的信号。经过数据处理，傅里叶变换将原始信号数据转换为所需的红外光谱图，即一组随波数（或波长）变化的光信号。要得到样品的光谱，还需要一个背景作为参照。