红外光谱的基本原理及振动基态产生的条件

红外光谱

一、红外光谱的基本原理

红外光谱的基本原理及振动基态产生的条件

分子运动包括分子整体的转动、组成原子的振动和分子中电子的运动。分子的每一运动状态都具有一定的能量。在分子中，各原子靠相互的键力作用维持在平衡位置，并在平衡位置附近作微小的振动，构成分子的振动模式。分子的振动在一般的情况下是复杂的，因此在一定条件下可把分子的振动看作是几种相互独立的较简单的振动方式的叠加。这些相互独立的较简单的振动方式转为简正振动模式。每种简正振动模式有其特征频率(v)，各种简正振动频率由分子的几何构型、原子间的键力场及原子的质量等因素决定的。

分子在作频率为v的简正振动时，它的振动能量为：En=(1/2+n)hv式中，n是振动能级的振动量子数，取整数0，1，2，…，h是普朗克常量。

振动基态E0称为零点振动能，即便是在零度时也存在零点振动能。当入射光子的能量hv恰好等于振动的能级时，分子有可能吸收光子能量而发生振动状态的跃迁。

可见，hv光=E1-E0=hv0。当入射光的频率等于分子的一个简正振动频率(v光=v0)时，则分子有可能吸收光的能量，从基态跃迁到激发态。按经典理论的说法，就是由于入射光的频率等于振动的固有频率，使分子对光能发生共振吸收(图13-5-1)。

图13-5-1 红外光谱振动基态

产生红外吸收的条件，除了上述的跃迁规律外，同时还必须具有偶极矩的变化，这种振动方式称为红外活性的，反之，在振动过程中偶极矩不发生变化的振动方式是非红外活性的，虽然有振动，但不能吸收红外辐射。一个多原子分子可具有3N-6种(N为组成分子的原子数)简谐振动(对于线性分子只有3N-5种)，各种简谐振动具有一定的能量，在特有的波数位置上应产生吸收，即每种简谐振动相应有一个振动频率。在各种简谐振动中，有的振动属于非红外活性，有的因具有相同的振动频率(但方向相反)而产生振动简并。所以，红外振动频率数目总是少于振动形式数目3N-6(或3N-5)，分子对称型越高，简并越多，振动频率越少于振动数目。

测量和记录红外吸收光谱的仪器称为红外分光光度计。根据分光原理的不同，红外分光光度计可分为两大类型：色散型和干涉型。色散型红外分光光度计依据光的折射和衍射，采用色散元件(棱镜或光栅)进行分光；干涉型红外分光光度计则是基于光相干性原理利用干涉仪达到分光的目的。再根据数学上的傅立叶变换函数的特性对干涉仪进行改进，并利用计算机将其光源的干涉图转换成光源的光谱图，故又称为傅立叶红外分光光度计(fTIR)。

由于傅立叶变换红外分光光度计屏弃了狭缝装置，使得它在任何测量时间内都能够获得辐射源的所有频率的全部信息，同时也消除了狭缝对光谱能量的限制，使得光能的利用率大大提高，即所谓能量输出大，因而它在实际使用上有很多优点。提高了灵敏度、分辨率和精度(0.01cm-1)，减少了杂散光。

二、红外光谱的解析

红外区的划分

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(1)近红外光区：其吸收带主要是由低能电子跃迁、含氢原子团伸缩振动的倍频吸收等产生的。该区的光谱可用于研究稀土和其他过渡金属离子的化合物，及水、含氢原子团化合物的分析(如胶、蜡和宝玉石中的有机染料)。

(2)中红外光区：该区的吸收带主要为基频吸收带，由于基频振动是红外光谱中吸收强的振动，故此区宜用于对宝玉石进行红外光谱的定性和定量分析。①在4000～1250cm-1称为特征频率区，此区的吸收峰较疏，主要包括：含有氢原子的单键、各种三键和双键的伸缩振动的基频峰；②1250～400cm-1频区是宝石矿物鉴定的指纹区。所出现的谱带相当于各种单键的伸缩振动，以及多数基团的弯曲振动。③相关频率：特征频率可以证明官能团的存在，但多数情况下，一个官能团有数种振动形式，而每一种红外活性振动都有一个相应的吸收峰，有时还能观察到倍频峰，因而不能由单一特征峰肯定官能团的存在。特征频率是与相关频率相互依存的吸收峰，其数目是由分子结构和光谱图的波长范围决定的。在中红外光谱区，多数基团都有一组相关峰。

(3)远红外光区：该区的吸收带主要与气体分子中的纯转动跃迁、振动-转动跃迁，一般不在此区范围内进行宝玉石分析。

三、试样的制备

现代的傅立叶红外光谱仪附有显微透射和反射红外光谱装置，可以不破坏样品直接检测。对不透明的宝石采用反射红外光谱装置检测，对透明的宝石采用透射红外光谱装置检测。对于宝石矿物原料则采用粉末法制备样品。粉末法制备样品制备的方法主要有2种：压片法和糊状法。

(1)压片法：一般将宝玉石样品取下1～3mg，放在玛瑙研钵中制成粉末，加100～300mg KBr混合研磨均匀，再加入到压模内，压制成一定直径或厚度的透明片。然后进行测定。

(2)糊状法：如果是研究宝玉石中的氢的存在形式，则将试样研成粉末后和石蜡油混合研磨制成糊膏，以减少在样品中的散射。

一般来说，在制备试样时应注意以下几点：①试样是单一组分的物质；②试样的浓度或测试厚度应选择适当，以使光谱中大多数吸收峰的透光度处于15%～70%范围内；③试样中不应含有游离水。

四、红外光谱在宝石学中的应用

红外光谱是振动光谱，它是物质内部的显微结构和键合的灵敏探测器。根据所观测到的吸收峰的位置、对称性和相对强度，可提供非常有用的结构和成分信息。利用特征吸收谱带的频率，推断分子中存在某一基团成键。进而再由特征吸收谱带频率的位移，推断邻接基团的特征，由分子的特征吸收谱带强度的改变，可对其混合物和化合物进行定量分析。

红外光谱图的表示：纵坐标表示透过率(或吸收率)，横坐标表示波长(nm)或频率(cm-1)。红外光谱在宝玉石学中有着广泛的应用。

(1)宝玉石物相的鉴定：与钻石相似的无色宝石，如无色的立方氧化锆、钇铝榴石和锡石等和钻石十分相似，但它们的红外光谱图有明显的区别。

(2)钻石类型的判定：如图13-5-2是用FTIR判定钻石类型的一个好方法。

图13-5-2 用红外光谱(FTIR)判定钻石类型

图13-5-3 金刚石的红外光谱图

(3)浸染宝玉石的检测：如翡翠的A、B和C货的检测，镀膜处翡翠的鉴定。

(4)近红外区是宝玉石中碳、氢和氧等元素存在形式研究的特征区。矿物中若有水分子存在，则它的组合频和倍频均在近红外区(如绿柱石和电气石等)。红外光谱图中(图13-5-3)显示IIb型金刚石结构中存在H2分子，其振动谱峰位于4106cm-1。

色散型光谱仪主要有几部分组成及其作用

色散型光谱仪主要由光源、分光系统、检测器三部分组成。

1、光源产生的光分为两路：一路通过样品，一路通过参比溶液。

2、切光器控制使参比光束和样品光束交替进入单色器。

3、检测器在样品吸收后破坏两束光的平衡下产生信号，该信号被放大后被记录。

拓展资料

主要由红外光源、分束器、干涉仪、样品池、探测器、计算机数据处理系统、记录系统等组成，是干涉型红外光谱仪的典型代表，不同于色散型红外仪的工作原理，它没有单色器和狭缝，利用迈克尔逊干涉仪获得入射光的干涉图，然后通过傅里叶数学变换，把时间域函数干涉图变换为频率域函数图（普通的红外光谱图）。

1、光源：傅里叶变换红外光谱仪为测定不同范围的光谱而设置有多个光源。通常用的是钨丝灯或碘钨 灯（近红外）、硅碳棒（中红外）、高压汞灯及氧化钍灯（远红外）。

2、分束器：分束器是迈克尔逊干涉仪的关键元件。其作用是将入射光束分成反射和透射两部分，然后 再使之复合，如果可动镜使两束光造成一定的光程，则复合光束即可造成相长或相消干涉。

对分束器的要求是：应在波数v处使入射光束透射和反射各半，此时被调制的光束振幅。根据使用波段范围不同，在不同介质材料上加相应的表面涂层，即构成分束器。

3、探测器：傅里叶变换红外光谱仪所用的探测器与色散型红外分光光度计所用的探测器无本质的区 别。常用的探测器有硫酸三甘钛（TGS）、铌酸钡锶、碲镉汞、锑化铟等。

4、数据处理系统：傅里叶变换红外光谱仪数据处理系统的核心是计算机，功能是控制仪器的作，收集 数据和处理数据。

近红外光谱分析仪的组成

近红外光谱仪器从分光系统可分为固定波长滤光片、光栅色散、快速傅立叶变换、声光可调滤光器和阵列检测五种类型。

滤光片型主要作专用分析仪器，如粮食水分测定仪。由于滤光片数量有限，很难分析复杂体系的样品。光栅扫描式具有较高的信噪比和分辨率。由于仪器中的可动部件（如光栅轴）在连续高强度的运行中可能存在磨损问题，从而影响光谱采集的可靠性，不太适合于在线分析。傅立叶变换近红外光谱仪是具有较高的分辨率和扫描速度，这类仪器的弱点同样是干涉仪中存在移动性部件，且需要较严格的工作环境。声光可调滤光器是采用双折射晶体，通过改变射频频率来调节扫描的波长，整个仪器系统无移动部件，扫描速度快。但目前这类仪器的分辨率相对较低，价格也较高。

随着阵列检测器件生产技术的日趋成熟，采用固定光路、光栅分光、阵列检测器构成的NIR仪器，以其性能稳定、扫描速度快、分辨率高、信噪比高以及性能价格比好等特点正越来越引起人们的重视。在与固定光路相匹配的阵列检测器中，常用的有电荷耦合器件（CCD）和二极管阵列（PDA）两种类型，其中Si基CCD多用于近红外短波区域的光谱仪，InGaAs基PDA检测器则用于长波近红外区域。

近红外光谱仪器的主要性能指标

在近红外光谱仪器的选型或使用过程中，考虑仪器的哪些指标来满足分析的使用要求，这是分析工作者需要考虑的问题。对一台近红外光谱仪器进行评价时，必须要了解仪器的主要性能指标，下面就简单做一下介绍。

1、仪器的波长范围

对任何一台特定的近红外光谱仪器，都有其有效的光谱范围，光谱范围主要取决于仪器的光路设计、检测器的类型以及光源。近红外光谱仪器的波长范围通常分两段，700～1100nm的短波近红外光谱区域和1100～2500nm的长波近红外光谱区域。

2、光谱的分辨率

光谱的分辨率主要取决于光谱仪器的分光系统，对用多通道检测器的仪器，还与仪器的像素有关。分光系统的光谱带宽越窄，其分辨率越高，对光栅分光仪器而言，分辨率的大小还与狭缝的设计有关。仪器的分辨率能否满足要求，要看仪器的分析对象，即分辨率的大小能否满足样品信息的提取要求。有些化合物的结构特征比较接近，要得到准确的分析结果，就要对仪器的分辨率提出较高的要求，例如异构体的分析，一般要求仪器的分辨率好于1nm。[1]

3、波长准确性

光谱仪器波长准确性是指仪器测定标准物质某一谱峰的波长与该谱峰的标定波长之。波长的准确性对保证近红外光谱仪器间的模型传递非常重要。为了保证仪器间校正模型的有效传递，波长的准确性在短波近红外范围要求好于0.5nm，长波近红外范围好于1.5nm。

4、波长重现性

波长的重现性指对样品进行多次扫描，谱峰位置间的异，通常用多次测量某一谱峰位置所得波长或波数的标准偏表示（傅立叶变换的近红外光谱仪器习惯用波数cm-1表示）。波长重现性是体现仪器稳定性的一个重要指标，对校正模型的建立和模型的传递均有较大的影响，同样也会影响终分析结果的准确性。一般仪器波长的重现性应好于0.1nm。

5、吸光度准确性

吸光度准确性是指仪器对某标准物质进行透射或漫反射测量，测量的吸光度值与该物质标定值之。对那些直接用吸光度值进行定量的近红外方法，吸光度的准确性直接影响测定结果的准确性。

6、吸光度重现性

吸光度重现性指在同一背景下对同一样品进行多次扫描，各扫描点下不同次测量吸光度之间的异。通常用多次测量某一谱峰位置所得吸光度的标准偏表示。吸光度重现性对近红外检测来说是一个很重要的指标，它直接影响模型建立的效果和测量的准确性。一般吸光度重现性应在0.001～0.0004A之间。

7、吸光度噪音

吸光度噪音也称光谱的稳定性，是指在确定的波长范围内对样品进行多次扫描，得到光谱的均方。吸光度噪音是体现仪器稳定性的重要指标。将样品信号强度与吸光度噪音相比可计算出信噪比。

8、吸光度范围

吸光度范围也称光谱仪的动态范围，是指仪器测定可用的吸光度与能检测到的吸光度之比。吸光度范围越大，可用于检测样品的线性范围也越大。

9、基线稳定性

基线稳定性是指仪器相对于参比扫描所得基线的平整性，平整性可用基线漂移的大小来衡量。基线的稳定性对我们获得稳定的光谱有直接的影响。

10、杂散光

杂散光定义为除要求的分析光外其它到达样品和检测器的光量总和，是导致仪器测量出现非线性的主要原因，特别对光栅型仪器的设计，杂散光的控制非常重要。杂散光对仪器的噪音、基线及光谱的稳定性均有影响。一般要求杂散光小于透过率的0.1％。

11、扫描速度

扫描速度是指在一定的波长范围内完成1次扫描所需要的时间。不同设计方式的仪器完成1次扫描所需的时间有很大的别。例如，电荷耦合器件多通道近红外光谱仪器完成1次扫描只需20ms，速度很快；一般傅立叶变换仪器的扫描速度在1次/s左右；传统的光栅扫描型仪器的扫描速度相对较慢，目前较快的扫描速度也不过2次/s左右。

12、数据采样间隔

采样间隔是指连续记录的两个光谱信号间的波长。很显然，间隔越小，样品信息越丰富，但光谱存储空间也越大；间隔过大则可能丢失样品信息，比较合适的数据采样间隔设计应当小于仪器的分辨率。

13、测样方式

测样方式在此指仪器可提供的样品光谱采集形式。有些仪器能提供透射、漫反射、光纤测量等多种光谱采集形式。

14、软件功能

软件是现代近红外光谱仪器的重要组成部分。软件一般由光谱采集软件和光谱化学计量学处理软件两部分构成。前者不同厂家的仪器没有很大的区别，而后者在软件功能设计和内容上则别很大。光谱化学计量学处理软件一般由谱图的预处理、定性或定量校正模型的建立和未知样品的预测三大部分组成，软件功能的评价要看软件的内容能否满足实际工作的需要。

傅里叶红外光谱仪有哪几部分，各自的功能

傅立叶红外光谱仪核心的部分是 迈克尔逊干涉仪。可以说没有干涉仪就没有傅立叶变换红外光谱。正是因为红外光源经过迈克尔逊干涉仪发生多色光相干，经过样品吸收之后，检测器检测到含有样品信息的红外干涉光的干涉图信号，再经过计算机将干涉图信号经过傅立叶变换，才转换成红外光谱。

其余的部件，如：检测器，光源，光学反射镜，采集卡，计算机等。

光源：用于产生宽带的红外光，样品吸收光源产生的红外光后引起样品分子的振动态跃迁，从而引其透过样品的红外光在相应波长上的透过强度的变化，这也是红外光谱能检测分子振动特征峰的理论来源。

光学反射镜：用于改变红外光的光路

检测器：用于检测透过样品的红外吸收信号，并将光信号转换成电信号传送给计算机的采集卡。

采集卡：用于采集检测器检测到的信号，并将信号存储、处理成光谱。

计算机：用于控制光谱仪的运行，协调迈克尔逊干涉仪，检测器和采集卡的运行、数据采集和处理。

5. 傅里叶变换红外光谱仪的基本结构,有哪些特点?简述工作原理?

红外线和可见光一样都是电磁波，而红外线是波长介于可见光和微波之间的一段电磁波。红外光又可依据波长范围分成近红外、中红外和远红外三个波区，其中中红外区（2.5～25μm；4000～400cm－1）能很好地反映分子内部所进行的各种物理过程以及分子结构方面的特征，对解决分子结构和化学组成中的各种问题为有效，因而中红外区是红外光谱中应用广的区域，一般所说的红外光谱大都是指这一范围。

红外光谱属于吸收光谱，是由于化合物分子振动时吸收特定波长的红外光而产生的，化学键振动所吸收的红外光的波长取决于化学键动力常数和连接在两端的原子折合质量，也就是取决于分子的结构特征。这就是红外光谱测定化合物结构的理论依据。

红外光谱作为“分子的指纹”广泛用于分子结构和物质化学组成的研究。根据分子对红外光吸收后得到谱带频率的位置、强度、形状以及吸收谱带和温度、聚集状态等的关系便可以确定分子的空间构型，求出化学建的力常数、键长和键角。从光谱分析的角度看主要是利用特征吸收谱带的频率推断分子中存在某一基团或键，由特征吸收谱带频率的变化推测临近的基团或键，进而确定分子的化学结构，当然也可由特征吸收谱带强度的改变对混合物及化合物进行定量分析。

傅里叶红外光谱仪由光源、迈克尔逊干涉仪、样品池、检测器和计算机组成，由光源发出的光经过干涉仪转变成干涉光，干涉光中包含了光源发出的所有波长光的信息。当上述干涉光通过样品时某一些波长的光被样品吸收，成为含有样品信息的干涉光，由计算机采集得到样品干涉图，经过计算机快速傅里叶变换后得到吸光度或透光率随频率或波长变化的红外光谱图。

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