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。
红外光谱基本原理课件
红外光谱仪的性能指标
波长范围
表示仪器能够测量的红外 光波长范围，常用的波长 范围有近红外、中红外和 远红外。
分辨率
表示仪器能够分辨的最小 波长差，分辨率越高，仪 器性能越好。
信噪比
表示仪器输出信号与噪声 的比值，信噪比越高，仪 器性能越好。
扫描速度
表示仪器完成一次光谱扫 描所需的时间，扫描速度 越快，仪器性能越好。
谱带形状
不同化学键或基团的红外 光谱谱带形状也不同，谱 带形状与分子内部的对称 性和振动模式有关。
02
红外光谱仪器
红外光谱仪的基本构造
光源
发射一定波长的红外 光，常用光源有碘钨 灯和溴钨灯。
干涉仪
将光源发出的红外光 变成干涉光，常用的 干涉仪有迈克尔逊干 涉仪和马赫-曾德尔干 涉仪。
检测器
检测干涉光的强度， 常用的检测器有热电 堆检测器和量子化能 检测器。
在生物学中的应用
生物大分子结构研究
红外光谱可以用于研究蛋白质、核酸等生物大分子的结构和构象 变化。
生物活性物质分析
红外光谱可以用于分析生过红外光谱研究药物与靶点分子间的相互作用，有助于药物设计 和筛选过程的优化。
在环境科学中的应用
有机污染物分析
红外光谱可以用于检测和鉴定水 体、土壤等环境样品中的有机污
染物，如农药、石油烃等。
气体分析
红外光谱可以用于分析大气中的气 体成分，如二氧化碳、甲烷等，有 助于监测和评估大气环境质量。
地质样品分析
红外光谱可以用于分析岩石、矿物 等地质样品，通过分析其成分和结 构，有助于地质学研究和矿产资源 勘探。
04
数据处理系统
对检测器输出的信号 进行处理，计算出光 谱图。
红外光谱产生的原理及应用
红外光谱产生的原理及应用红外光谱产生的原理红外光谱是一种用于研究物质结构和性质的分析技术。
它基于红外辐射与物质相互作用产生的光谱现象。
红外辐射是电磁辐射的一部分，具有较长的波长。
在分析对象（样品）吸收红外光时，分子会发生振动或转动，并产生特征性的振动光谱。
这些振动光谱通过红外光谱仪来检测和记录。
红外光谱仪由光源、样品和探测器组成。
光源产生红外辐射，样品与红外辐射相互作用并发生光谱响应，而探测器则记录并分析这些响应。
红外光谱产生的原理可以简单概括为以下几个步骤：1.光源产生红外辐射：红外光谱仪中的光源产生红外辐射。
常见的光源包括硅灯（固体光源）和氨化镉灯（气体光源）。
2.红外辐射通过样品：红外辐射穿过待测样品，与样品内的化学键相互作用。
不同化学键对红外辐射的吸收、反射和透射表现出不同的光谱特征。
3.探测器接收光谱信号：红外辐射穿过样品后，到达探测器。
探测器会转换光信号为电信号，并对信号进行放大和处理。
4.记录和分析光谱数据：探测器输出的电信号会被记录下来，并通过计算机进行数据分析和处理。
常见的分析方法包括傅立叶变换红外光谱（Fourier Transform Infrared Spectroscopy，简称FTIR）和散射红外光谱。
红外光谱的应用红外光谱在多个领域有着广泛的应用。
下面列举了一些主要的应用领域和相关的应用案例。
1. 化学分析•有机物质鉴定：通过对有机物质的红外吸收谱进行分析，可以确定其分子结构和化学组成。
•无机物质分析：红外光谱还可以用于无机物质的成分分析，如金属离子、矿石和无机固体材料等。
2. 环境监测•大气污染监测：红外光谱可以用于监测大气中的污染物，例如CO、CO₂、SO₂和NO₂等。
•水质检测：红外光谱技术可以用于监测水中的有机化合物、金属离子和污染物等。
3. 医药和生物科学•药物分析：红外光谱可以用于药物的质量控制和成分分析。
•蛋白质和核酸研究：红外光谱可以用于研究蛋白质和核酸的结构和构象变化。
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。
红外光谱的检测原理
红外光谱的检测原理
红外光谱的检测原理是基于物质吸收、散射和透射红外光的特性。
红外光谱仪通过向样品中发射一束宽频谱的红外光，然后检测样品对不同频率红外光的吸收程度。
红外光谱检测原理的基本步骤如下：
1. 发射红外光：红外光源发射出一束宽频谱的红外光，通常范围为4000至400 cm^-1（波长为
2.5至25 μm）。
2. 样品与红外光的相互作用：发射的红外光经过样品时，会与样品分子内部的共振频率相吻合的红外光被吸收。
不同样品具有不同的化学键、官能团和分子结构，因此对红外光的吸收也有所不同。
3. 探测红外光的强度：检测器会测量透过样品的红外光的强度变化。
吸收红外光后，样品中的化学键会发生振动和转动，并使红外光的强度减弱。
4. 绘制红外光谱图：将检测到的红外光强度与红外光的频率或波数进行关联，可以绘制出样品的红外光谱图。
这个谱图通常呈现为一个曲线，横坐标表示波数或频率，纵坐标表示吸收强度。
根据红外光谱图的特征峰位、峰形和峰强度，可以确定样品中的化学键种类、官能团和分子结构。
红外光谱的检测原理被广泛应用在化学、材料科学、制药、食品安全等领域，用于物质的鉴定、质量控制和分析。
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。
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（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)C h
：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：
EE(v1)E(v)h2h
k mr
1 1 k 2C 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。
红外光谱基本原理
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
远红外 光谱
波红拉长外曼3及光000μ近光m红谱~3外0μm可谱见光
紫外光 谱
谱
100mμ以 下
X光光 谱
运动 原子核 形式 的转动
分子的 转动及 长波振 动
分子中 原子的 相对振 动及振 转光谱
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
原子的 内层电 子的转 移
波数 (cm1)波1长 04()
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 将提供十分有用的信息。
（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
Fkx
x=0
F mamd2x
d2t
1 k 2 mr
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。
2、光谱分类及对应的微观运动
电磁波的能量变换公式 Eh
⊿E为能量的变换值
mr
m1 m2 m1 m2
x x0 cos
kt m
1 1 k 2C mr
m d 2 x kx d 2t
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；
二、几种振动形式
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
νs
非对称伸缩振动
νas
（二）弯曲振动
（1）三原子弯曲振动AX2型 （-CH2-）
2B(J1)
2B4h2I
h
c42mrre2c
在室温下，处于J=0的分子可跃迁到J=1，J=1的分子可跃迁到J=2， 其波数由上式决定。
由于J的不同，转动光谱应为一系列等距离的谱线，它们的间距为
2B。
（二）分子的转动光谱
表3 HCl分子的远红外吸收光谱
谱线 序数
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
80.03 104.16 124.30 145.03 165.51 185.86 206.38 226.50
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
波长 5×105~10 1000~5T0H5z0（~2.5太μ 赫2兹.5~0）.75技7术50~400 400~100
μ
光谱 核磁共 名称 振波谱
μ频率0. 1～10 THzμ之间的电m磁μ 波， mμ
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
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
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）
波数 (cm1)波1长 (cm)
刘密新等编著.仪器分析. 清华大学出版社， 2002
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
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。
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。
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：
h2
E转J(J1)82IBh(Jc 1)J
B h
8 2IC
I总转动惯量，J转动量子数。
根据选律，只有⊿J=±1是允许的，所以 ⊿E=2B(J+1)hc