红外光谱基本原理
红外光谱的基本原理
红外光谱的基本原理
红外光谱是一种化学分析技术，通过测定被分析物料在红外辐射下吸
收或反射的光谱，得到物质分子中的群振动模式和化学键信息，从而识别
物质种类与结构，推断出分子结构、化学键数目、键性质、分布以及分子
组分等信息。
红外光谱的基本原理是物质吸收红外辐射时，被分子振动激发使得分
子的结构产生变化，从而产生红外光吸收。
有机化合物中的键振动可分为
基本振动和任意相互作用振动两种类型，基本振动与单个键的振动有关，
而任意相互作用振动则主要与分子中不同化学键的相互作用有关。
红外光谱中的波数与物质的化学键、结构有关，波数越高，振动频率
越快，对应的键能越大。
因此，不同的化学键、化学基团都有其特有的红
外光谱吸收带。
例如，C-H键和C=C键的吸收带出现在不同的波数范围内，因此可以通过观察吸收带位置来推断它们在分子中的位置和数量。
由于红外光谱具有非破坏性、快速、准确、灵敏度高等优点，广泛应
用于材料科学、环境科学、生物医学和未知物质分析等领域。
例如，红外
光谱可用于分析食品、化妆品、药品等样品的成分和质量控制，识别污染物、染料、化学品等物质，甚至是探测宇宙中的分子等。
红外光谱仪原理
红外光谱仪原理
红外光谱仪工作原理是基于物质分子在红外辐射下与电磁波发生相互作用的原理。
红外光谱仪的工作原理主要分为以下几个步骤：
1. 辐射源：红外光谱仪使用的红外辐射源通常为钨丝灯、红外激光等，这些辐射源能够产生特定波长的红外辐射。
2. 入射光：红外辐射通过准直系统准确地引导到样品上。
通常采用反射或透射方式进行红外光谱测量。
3. 样品与辐射相互作用：红外辐射与样品分子发生相互作用，导致样品分子产生振动、转动等运动状态的变化。
4. 探测器：经过与样品相互作用后的辐射被传感器或探测器接收和转换成电信号。
5. 光谱仪分析：电信号经过放大、滤波、转换等处理后，传送到光谱仪分光仪或光电倍增管等设备分析。
6. 结果展示：根据所得到的光谱数据，可以通过电脑或其
他数据处理设备展示、分析和解释样品分子的结构和特性。
总体来说，红外光谱仪利用物质分子在红外辐射下的吸收
特性，通过分析样品的红外光谱，可以了解样品的分子结构、物理化学性质等相关信息。
ir(红外光谱)的原理
ir(红外光谱)的原理
红外光谱法（IR）的原理是：分子能选择性吸收某些波长的红外线，而引起分子中振动能级和转动能级的跃迁，检测红外线被吸收的情况可得到物质的红外吸收光谱，又称分子振动光谱或振转光谱。
在红外线照射下，当辐射能量与分子振动、转动频率相一致时，被测物质分子会产生其特定的红外光谱，据此可鉴定出化合物中各种原子团。
IR具有测定快速、特征性强、试样用量少、操作简便等优点。
但是，红外光谱一般只提供物质分子中官能团的相关信息，而对于一些复杂化合物，特别是新化合物，单靠IR 检测技术并不能解决问题，需要与其他分析手段互相配合，才能确定分子结构。
如需了解更多关于IR的原理，建议查阅相关文献或咨询专业化学家。
4红外光谱基本原理
4红外光谱基本原理红外光谱是一种通过分析物质在红外区域吸收、发射和散射的辐射来研究其结构和组成的技术。
它是一种非常有用的分析工具，广泛应用于物质科学、生命科学、环境科学等领域。
下面将详细介绍红外光谱的基本原理。
1.基本概念：红外光波长介于可见光和微波之间，其波长范围为0.78-1000微米。
红外光谱实验中常使用的是3个区域：近红外（0.78-2.5微米）、中红外（2.5-25微米）和远红外（25-1000微米）。
不同的分子结构会因为特定波长的红外光而发生吸收，产生特征性的光谱图像。
2.能谱原理：红外光谱实验中，光源会发射包含多种波长的光线，传到样品后被样品吸收或散射，再经过光栅或薄膜进行分光，最后检测器接收信号并转化为光谱图像。
光谱图像的x轴表示波数，即波长的倒数，单位为cm-1；y 轴表示吸光度。
3.振动原理：分子中的原子围绕在它们的平衡位置附近振动，不同的结合方式会导致不同的振动模式。
红外光谱实验中，主要研究分子的拉伸振动和弯曲振动。
拉伸振动是分子的化学键的伸缩；弯曲振动是分子中的原子围绕一些化学键弯曲。
不同的化学键和分子之间的间隔或角度会导致不同的红外吸收峰。
4.红外光谱图谱：红外光谱图谱是反映分子结构和成分的图形。
图谱中的吸收峰可以用于标识和鉴定化合物。
常见的红外光谱图谱包括：指纹区、功能性基团区和吸收强度区。
指纹区是红外光谱的特征区域，提供物质的结构信息。
功能性基团区是一些特定波数的吸收峰，可以用于确定分子中的官能团。
吸收强度区用于衡量不同光谱峰的强度。
5.红外光谱应用：红外光谱广泛应用于各个领域，如医学、生物学、化学、环境科学和材料科学等。
在医学领域，红外光谱被用于研究生物分子的结构和功能，如蛋白质、核酸、糖类等。
在生物学研究中，红外光谱可用于检测细胞的化学组成和分子结构。
在环境科学中，红外光谱可用于监测大气污染物、检测土壤中的有害物质等。
在材料科学中，红外光谱被广泛用于材料的表面和界面分析、材料结构研究以及材料的表征等。
红外光谱的基本原理
红外光谱的基本原理红外光谱是一种分析技术，通过测量物质在红外辐射下的吸收和散射来确定物质的结构和组成。
红外光谱的基本原理可以归结为分子的振动和转动。
红外光谱涉及的能量范围一般在3000 cm-1到10 cm-1之间，这个范围对应着分子的振动、转动和一些电子运动的能级。
因为红外辐射的能量与分子的振动和转动的能级相匹配，所以红外光可以被分子中一部分原子吸收，从而发生光谱吸收。
分子的振动可以分为伸缩振动、弯曲振动和转动振动。
伸缩振动是分子中原子之间的相对运动，弯曲振动则是两个或多个原子之间改变绝对角度的运动。
转动振动涉及到分子整体发生旋转的运动。
红外光谱的实验装置一般包括光源、样品室、光谱计和检测器。
光源产生红外光束，被样品室内的样品吸收、散射或透射。
样品室是一个封闭的容器，内部设置好样品和红外透明的窗口。
光谱计通过光束分离装置将入射光分成不同波长，然后通过检测器来测量相应的信号强度。
红外光谱图上的峰对应着样品中特定的化学键或分子基团。
不同的化学键和基团对红外光的吸收有不同的谱特征，参考指纹区域的红外光谱峰可以提供物质的识别和组成信息。
红外光谱分析主要包括定性分析和定量分析。
定性分析通过比较样品的红外光谱峰和已知物质的峰值数据库，确定样品中有哪些化学键或基团。
定量分析则是通过对吸收峰强度进行定量计算，得到样品中特定成分的浓度。
红外光谱广泛应用于有机化学、分析化学、材料科学等领域。
例如，在药物研发中，红外光谱可以用于分析药物的结构和纯度；在环境监测中，红外光谱可以用于分析大气中的污染物；在食品科学中，红外光谱可以用于分析食品的成分和质量等。
总之，红外光谱是一种非常有用的分析技术，可以通过测量物质在红外辐射下的吸收和散射，得到物质的结构和组成信息，以及一些物理和化学特性的定量和定性分析。
通过了解红外光谱的基本原理，我们可以更好地理解和应用这一技术。
红外光谱知识点
红外光谱知识点一、红外光谱的基本原理。
1. 概念。
- 红外光谱（Infrared Spectroscopy，IR）是分子能选择性吸收某些波长的红外线，而引起分子中振动能级和转动能级的跃迁，检测红外线被吸收的情况可得到物质的红外吸收光谱。
2. 分子振动类型。
- 伸缩振动：原子沿键轴方向伸缩，键长发生变化而键角不变的振动，又分为对称伸缩振动（νs）和不对称伸缩振动（νas）。
例如，对于亚甲基（-CH₂ -），对称伸缩振动时两个C - H键同时伸长或缩短；不对称伸缩振动时一个C - H键伸长，另一个缩短。
- 弯曲振动：又称变形振动，是使键角发生周期性变化而键长不变的振动。
它包括面内弯曲振动（如剪式振动δ、面内摇摆振动ρ）和面外弯曲振动（如面外摇摆振动ω、扭曲振动τ）等。
以水分子为例，H - O - H的键角可以发生弯曲变化。
3. 红外吸收的条件。
- 分子振动必须伴随偶极矩的变化。
具有对称中心的分子，如二氧化碳（O = C = O），其对称伸缩振动不产生偶极矩变化，所以在红外光谱中没有该振动的吸收峰；而不对称伸缩振动产生偶极矩变化，有吸收峰。
- 辐射光子具有的能量与发生振动跃迁所需的能量相等。
根据E = hν（h为普朗克常量，ν为频率），只有当红外光的频率与分子振动频率相匹配时，才会发生吸收。
二、红外光谱仪及其工作原理。
1. 仪器类型。
- 色散型红外光谱仪：主要由光源、单色器、样品池、检测器和记录系统等部分组成。
光源产生的红外光经过单色器分光后，依次通过样品池和参比池，被样品吸收后的光强与参比光强比较，检测器检测光强的变化并转换为电信号，经记录系统得到红外光谱图。
- 傅里叶变换红外光谱仪（FT - IR）：基于迈克尔逊干涉仪原理。
光源发出的光经过干涉仪后变成干涉光，再照射到样品上，样品对干涉光有选择地吸收，含有样品信息的干涉光被检测器检测，经计算机进行傅里叶变换处理后得到红外光谱图。
它具有分辨率高、扫描速度快、光通量高等优点。
红外光谱的原理
红外光谱的原理红外光谱技术是一种利用由红外线产生的热光（又称热释射光）来探测和分析物质特性的方法。
其特点是可以无接触地测量被测样品，既可以空间上进行物体或液体的测量，也可以进行化学分析、分子检测等任务。
它的本质是，当激光照射被测样品时，被测样品就发出红外热释射，而热释射会被特定的光分辨率探头收集，由此可以推测出样品的状态信息。
红外光谱的基本原理可以分为以下四个步骤：1、发射原理：任何物质，其能量状态都会有所变化，并以热释射方式发射出去；2、吸收原理：热释射出来的红外光谱，会根据样品的不同状态而被吸收；3、波长分布：热释射出来的红外光，是根据样品状态的不同而分布的，这就是波长分布；4、特征吸收波段：样品不同特性的不同状态，会在特定波段发出本身的特定吸收波段，从而确定样品的信息。
红外光谱技术是现代科学技术中重要的一环，由它可以对物质的性质及其状态进行精确的检验，便于工业检测和分析。
它应用于生物学、材料科学、化学、农林、矿物等领域，可用于筛选、分离、鉴定、检测、诊断分析、结构建模等工作。
与传统的检测方法（如原子吸收光谱分析、热重分析以及气相色谱）相比，红外光谱技术具有快速、准确、可靠、灵敏度高等优点，除此之外，它还具有非接触及易于携带的优点，因此被普遍应用于现代生产环境、现代军事及科学技术中。
红外光谱技术可以深入分析样品的特性及其状态，用以确定物质检测结果及特性，对物质分类、检测及分析都显得尤为重要。
此外，红外光谱技术可用于传感器技术，可被用于远程检测、质量控制以及远程科学研究等领域。
它能更加精确地检测和分析物质环境特性，从而促进和改善现代农业、工业和科研的发展。
综上所述，红外光谱技术具有快速、准确、可靠、非接触、可携带等优点，是一项重要的技术，应用于生物学、材料科学、化学、农林、矿物等领域，可用于筛选、分离、鉴定、检测、诊断分析、结构建模等工作，在现代科学技术领域发挥重要作用。
红外光谱基本原理
气体样品： 气体样品槽
试样的处理和制备
（一）、红外光谱法对试样的要求 红外光谱的试样可以是液体、固体或
气体，一般应要求： （1）试样应该是单一组份的纯物质，纯 度应>98%。
多组份试样预先用分馏、萃取、重结 晶或色谱法进行分离提纯，否则各组分光 谱相互重叠，难于判断。
（2）试样中不应含有游离水。水本 身有红外吸收，会严重干扰样品谱， 而且后涂制或压制成膜。也 可将试样溶解在低沸点的易挥发溶剂中， 涂在盐片上，待溶剂挥发后成膜测定。
沸点较高的试样，直接滴在两片盐 片之间，形成液膜。
3 . 固体试样
（1）压片法
将1~2mg试样与200mg纯KBr研 细均匀，置于模具中，用（5~10） 107Pa压力在油压机上压成透明薄 片，即可用于测定。
（2）石蜡糊法
将干燥处理后的试样研细，与液体石 蜡混合，调成糊状，夹在盐片中测定。
（3）薄膜法
红外光谱的吸收强度
五、红外光谱的作用
1．可以确定化合物的类别 2．确定官能团： 例：—CO—，—C＝C—，—C≡C— 3．推测分子结构（简单化合物） 4．定量分析
第二节 仪 器 介 绍 及实验技术
一、仪器类型与结构
1、类型： 色散型 干涉型（傅立叶变换红外光谱仪） 2、结构
由红外光源、单色器、样品室、检测器、 放大器和记录仪组成。 光源：能斯特灯和硅碳棒。
色散型红外光谱仪
傅立叶红外光谱仪
Nicolet公司的AVATAR 360 FT-IR
内部结构
傅里叶变换红外光谱仪结构框图
干涉仪
样品室
检测器
光源
计算机
显示器 绘图仪
干涉图 FTS
光谱图
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2、光谱分类及对应的微观运动
电磁波的能量变换公式
E h
⊿E为能量的变换值
h为普朗克常数 ν为电磁波的频率
2、光谱分类及对应的微观运动
表1 常用的有机光谱及其对应的微观运动
50~2.5μ 2.5~0.75 750~400 波长 5×105~10 1000~50 THz （太赫兹）技术 μ μ μ mμ 400~100 mμ 100mμ以 下
（2）四原子弯曲振动AX3型
对称变角振动δs
非对称变角振动δas
（三）变形振动δ ′
芳环化合物、环烷及其他类型的环状化合物，其光谱图中 不少谱带与骨架的变形振动有关，这种振动分面内和面外 变形振动两种形式。以五元环为例：
（四）振动方程式
Hook’s Law
x=0
F kx
d 2x F ma m 2 d t
k x x 0 cos mt
1 2C 1 k mr
1 2
k mr
d 2x m 2 kx d t
m1 m2 mr m1 m2
k化学键的力常数；mr为双原子的折合质量
三、分子的振动、转动和振转光谱
经典力学方法得到的振动光谱应是一条很窄的谱 线，而实际上谱线都是有一定宽度的吸收带； 而且在一定的条件下用高分辨仪器可以分辨出谱 线的精细结构； 此外，经典力学方法也无法解释倍频、合频、差 频的现象。 所以，必须用量子力学来解释。
主要内容
一、概述
红外光谱的发展 光谱分类及对应的微观运动
二、几种振动形式 三、分子的振动、转动和振转光谱
分子的振动光谱 分子的转动光谱 分子的振转光谱
四、红外光谱与分子结构间的关系 五、红外分光光度计
一、概述
1、发展
1900年英国天文学家Hershl用实验证明了红外光的存在； 20世纪初人们进一步系统地了解了不同官能团有不同红外 吸收频率； 1950年以后出现了自动记录式红外分光光度计； 1970年以后出现了傅里叶变换红外光谱仪； 此后，红外测定技术，如全反射红外、显微红外、光声光 谱以及红外联机技术不断发展和完善，使红外光谱法得到 了广泛应用。
1 波数(cm ) 波长(cm)
1
4 10 波数(cm1 ) 波长( )
2、光谱分类及对应的微观运动
每一化合物有其特定的光谱，因而可以通过红外 光谱对化合物进行鉴别； 在这些有机光谱中，以红外光谱的谱带最为众多 和复杂，可以获得反映分子结构的信息； 有机化合物官能团的基团频率以及骨架振动频率 都存在一定的规律，这对未知化合物的结构测定形式
分子中原子的振动分为三种类型：
伸缩振动 弯曲振动 变形振动
变角振动
二、几种振动形式
（一）伸缩振动
（1）双原子伸缩振动AX型，以νβ表示
（2）三原子伸缩振动AX2型
νs
νas
（3）四原子伸缩振动AX3型
对称伸缩振动
非对称伸缩振动
νs
νas
（二）弯曲振动
（1）三原子弯曲振动AX2型 （-CH2-）
h2 E转 J ( J 1) 2 BhcJ(J 1) 8 I
光谱 核磁共 名称 振波谱 运动 原子核 形式 的转动
频率0. 1～10 THz之间的电磁波， 远红外 波长 红外及 近红外 可见光 紫外光 3000μm~30μm
光谱 拉曼光 谱 分子中 原子的 相对振 动及振 转光谱 光谱 谱 谱 分子的 转动及 长波振 动 分子中 涉及氢 原子的 振动 分子中 外层电 子的转 移 分子中 外层电 子的转 移
基频峰是分子吸收光子后从 一个能级跃迁到相邻的高一 能级产生的吸收。V =0 V=1 倍频峰(2)是分子吸收比原有 能量大一倍的光子之后，跃 迁两个以上能级产生的吸收 峰，出现在基频峰波数n倍处。 合频峰是在两个以上基频峰 波数之和(组频 1+ 2)或差 (1 - 2)处出现的吸收峰。 热峰来源于跃迁时低能级不 是基态的一些吸收峰。
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。
（二）分子的转动光谱
转动光谱涉及的能量较小，约为10-2~10-8eV之间，对应波长为 100~1000μ，属于远红外区。 从能级图上可知，转动运动可以直接影响振动光谱。 假设双原子分子为刚性哑铃型模型，解薛定谔方程：
（一）分子的振动光谱
解薛定谔方程，可得分子的振动能量：
E振 (v 1/ 2)h (v 1/ 2)h C
：化学键的振动频率； v ：振动量子数，取0,1,2,……。
任意两个相邻的能级间的能量差为：
h E E (v 1) E (v) h 2 k mr
X光光 谱 原子的 内层电 子的转 移
注：① 通常的红外光谱指中红外，波段2.5~25μm，4000~400cm-1； ② 化学研究中的分类方法，物理学中近、中、远红外分类范围不一样； ③ 可见和紫外常用nm表示，mμ=nm，nm=10Å
2、光谱分类及对应的微观运动
单位：
C
λ波长，ν频率，C光速（3×1016cm/s）
1 1 2C k mr
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。
表2 某些键的伸缩力常数（毫达因/埃）
键类型 力常数 峰位
—CC — > —C =C — > —C — C — 15 17 9.5 9.9 4.5 5.6 4.5m 6.0 m 7.0 m
近代光谱分析
主要内容
红外光谱基本原理 傅里叶变换红外光谱仪 红外发射光谱 红外反射光谱 遥感傅里叶变换红外光谱 红外光声光谱 红外联机
第一章 红外光谱基本原理
2007.4.10
参考资料
张叔良编著.红外光谱分析与新技术. 中国医 药科技出版社, 1993 陈允魁等编著.仪器分析.上海交通大学出版 社，1992 刘密新等编著.仪器分析. 清华大学出版社， 2002