概述內容

紅外光譜分析法是一種常用的物質定量分析和化合物結構鑒定方法。它是由于有機物分子選擇性地吸收紅外光的某些頻率的能量，利用iCAN9傅立葉紅外光譜儀記錄能量吸收與波長或波數的對應關系所形成的吸收譜帶。紅外光譜可劃分為近紅外（0.78~2.5μm），中紅外（2.5~50μm）和遠紅外（50~1000μm）三個波段。

紅外光譜法與紫外吸收光譜分析法、質譜法和核磁共振波譜法一起，被稱為四大譜學方法，已成為有機化合物結構分析的重要手段。

1． 紅外光譜分析法概述

1.1 發展歷程

19世紀初，英國科學家赫謝爾發現紅外線。20世紀初，人們進一步系統地了解了不同官能團具有不同紅外吸收頻率這一事實，1947年以后出現了自動記錄式紅外吸收光譜儀，1960年出現了光柵代替棱鏡作色散元件的第二代紅外吸收光譜儀，但它仍是色散型的儀器，分辨率、靈敏度還不夠高，掃描速度也比較慢，隨著計算機科學的進步，1970年以后出現了傅里葉變換紅外光譜儀，解決了光柵型儀器固有的弱點，使儀器的性能得到了極大的提高。70年代末，出現了激光紅外光譜儀，共聚焦顯微紅外光譜儀等。現在紅外吸收光譜儀還與其他儀器（如氣相色譜、高效液相色譜）聯用，更加擴大了應用范圍，利用計算機存儲及檢索光譜，分析更為方便、快捷。因此，紅外光譜已成為現代分析化學和結構化學*的重要工具。

1.2 紅外光譜區的劃分

紅外光譜在可見光區和微波區之間，其波長范圍大致為0.78~1000μm。習慣上將紅外光區分為三個區：近紅外光區、中紅外光區、遠紅外光區。三個區的波長（波數）范圍和頻率如表所示：

紅外光譜區

1.3 紅外光譜圖的表示方法

紅外吸收光譜中，可用波長λ、頻率v和波數σ來表示吸收譜帶的位置。由于分子振動的頻率數值較大（數量級一般為1013），使用起來不方便，通常選用波長λ（μm）或波數σ（cm-1）來表示，它們之間的關系為

能量與波數成正比，因此，常用波數作為紅外光譜圖的橫軸標度。紅外光譜圖的縱坐標表示紅外吸收的強弱，常用透光率（T）表示，T-σ圖上吸收曲線的峰尖向下，聚苯乙烯的紅外光譜圖如圖所示。

聚苯乙烯薄膜的紅外光譜

2．紅外光譜分析的特點

紅外吸收光譜分析法是通過研究物質結構與紅外吸收之間的關系，進而實現對未知試樣的定性鑒定和定量測定的一種分析方法。紅外吸收光譜用吸收峰譜帶的位置和強度加以表征，是光譜定性和定量分析的基礎。紅外吸收光譜有以下幾個特點：

1. 每種化合物均有紅外吸收，有機化合物的紅外光譜能提供豐富的結構信息；

2. 任何氣態、液態和固態樣品均可進行紅外光譜測定，這是其它儀器分析方法難以做到的；

3. 常規紅外光譜儀器結構簡單，價格不貴；

4. 紅外光譜測定的樣品用量少，測定速度快，儀器操作簡便、重現性好。

紅外吸收光譜具有高度的特征性，除光學異構外，沒有兩種化合物的紅外光譜*相同的。紅外光譜中往往具有幾組相關峰可以相互作證而增強了定性和結構分析的可靠性，因此紅外光譜有化合物“指紋”之稱，是鑒定有機化合物和結構分析的重要工具。

3． 紅外吸收光譜儀（iCAN9傅立葉紅外光譜儀）

3.1 色散型紅外光譜儀的主要部件及工作原理

3.1.1 色散型紅外光譜儀的主要部件

色散型紅外光譜儀是由光源、吸收池、單色器、檢測器以及記錄顯示裝置等五部分組成。

1. 光源

紅外光源是能夠發射高強度連續紅外輻射的物體。常用的主要有能斯特（Nernst）燈和硅碳棒。能斯特燈是用氧化鋯、氧化釔和氧化釷燒結而成的中空棒或實心棒。工作溫度約1700℃，在此高溫下導電并發射紅外線。但在室溫下是非導體，因此在工作之前要預熱。硅碳棒是由碳化硅燒結而成的，工作溫度在1200℃~1500℃。其優點是堅固，發光面積大，壽命長。

2. 單色器

單色器的作用是把通過樣品池和參比池的復合光色散成單色光，再射到檢測器上加以檢測。色散元件有棱鏡和光柵兩種類型。

3. 檢測器

熱檢測器分為三類：真空熱電偶、熱電檢測器和光電導檢測器。

真空熱電偶：根據熱電偶的兩端點由于溫度不同產生溫差熱電勢這一原理，讓紅外光照射熱電偶的一端，使兩端點間的溫度不同，而產生電勢差。一般用于色散型儀器。

熱電檢測器：它用硫酸三甘肽（簡稱TGS）的單晶薄片作為檢測元件。TGS的極化效應與溫度有關，溫度升高，極化強度降低。熱電檢測器的特點是響應速度很快，目前使用廣泛的晶體材料是氘化硫酸三甘肽（DTGS）。

光電導檢測器：InSb、InAs、PbSe等半導體材料，受光照射后導電性變化而產生信號。光檢測器的靈敏度比熱檢測器高幾倍，但需要液氮冷卻。

4. 吸收池

由于玻璃、石英等對紅外光均有吸收，因此紅外光譜吸收池窗口一般用一些鹽類的單晶作為透光材料制作而成，如NaCl、KBr、Csl等。這些材料易吸潮，操作環境應干燥。

3.1.2 色散型紅外光譜儀的工作原理

光源輻射被分成等強度的兩束：一束通過樣品池，另一束通過參比池。通過參比池的光束經衰減器與通過樣品池的光束會合于切光器處。切光器使兩光束再經半圓扇形鏡調制后進人單色器，交替落到檢測器上。iCAN9傅立葉紅外光譜儀若試樣在某一波數對紅外光有吸收，兩光束的強度就不平衡，因此檢測器產生一個交變信號。該信號經放大、整流后，會使光梳遮擋參比光束，直至兩光束強度相等。光梳的移動聯動記錄筆，畫出一個吸收峰。因此分光元件轉動的全過程就得到一張紅外吸收光譜圖，如圖。

色散型紅外光譜儀的工作原理圖

3.2 傅里葉變換紅外光譜儀的主要部件及工作原理

iCAN9傅立葉紅外光譜儀沒有色散元件，主要由光源、邁克爾遜干涉儀、試樣插入裝置、檢測器、計算機和記錄儀等部分組成。

色散型紅外光譜儀（上）與干涉型紅外光譜儀（下）原理圖

傅里葉變換紅外吸收光譜儀的核心部分是邁克爾遜干涉儀，圖3是它的光學示意和工作原理圖。由光源發出的紅外光先進入干涉儀，干涉儀主要由互相垂直排列的固定反射鏡（定鏡）和可移動反射鏡（動鏡）以及與兩反射鏡成45°角的分光板組成。分光板使照射在它上面的入射光分裂為等強度的兩束。透射光穿過分光板被動鏡反射，沿原路回到分光板并被反射到達檢測器；反射光同理。這樣，在檢測器上所得到透射光和反射光的相干光。當動鏡以勻速向分光板移動時，也即連續改變兩光束的光程差時，就會得到干涉圖。當試樣吸收了某頻率的能量，所得到的干涉圖強度曲線就會發生變化，通過計算機將這種干涉圖進行快速傅里葉變換后，即可得到我們熟悉的紅外吸收光譜圖。

邁克爾遜干涉儀

干涉型紅外光譜儀的工作原理圖

4． 紅外吸收光譜的應用

4.1 紅外吸收光譜的定性分析

紅外光譜重要的應用是中紅外區有機化合物的結構鑒定。通過與標準譜圖比較，可以確定化合物的結構；對于未知樣品，通過官能團、順反異構、取代基位置、氫鍵結合以及絡合物的形成等結構信息可以推測結構。

4.2 紅外吸收光譜的定量分析

由于紅外吸收光譜的譜帶較多，選擇余地大，所以能較方便地對單組分或多組分進行定量分析。用色散型紅外吸收光譜儀進行定量分析時，靈敏度較低，尚不適于微量組分的測定。而用傅里葉變換紅外吸收光譜儀進行定量測定，精密度和準確度明顯優于色散型。近年來紅外光譜的定量分析應用也有不少報道，尤其是近紅外、遠紅外區的研究報告在增加。如近紅外區用于含有與C，N，O等原子相連基團化合物的定量；遠紅外區用于無機化合物研究等。

但由于紅外輻射能量較小，分析時需要較寬的光譜通帶，造成使用的帶寬常常與吸收峰的寬度在同一個數量級，從而出現吸光度與濃度間的非線性關系。而物質的紅外吸收峰又比較多，難以找出不受干擾的檢測峰。因此，紅外吸收光譜法用于定量分析較少。

隨著紅外光譜儀器硬件技術（漫反射、衰減全反射等配件）和計算機軟件技術（如差譜技術、紅外光譜譜圖壓縮數據庫及其網絡傳輸等）的高速發展，紅外光譜技術的應用領域迅速拓寬，逐漸普及為常規的測試技術。如紅外光譜法在臨床醫學和藥物分析方面得到了廣的應用，另外在在化學、化工方面的應用、在環境分析方面的應用、在半導體和超導材料上的應用都得到了廣的發展。

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