红外光谱解析（红外光竟然能鉴定物质结构？）

红外光谱分析(红外光真的能识别物质结构吗？)

一般来说，世界上所有的物质都在运动。除了人们可以直接观察到的宏观运动，如流动的河流、疾驰的汽车等。，还有构成物质的分子和原子的微观运动。这些运动很难直接观察或捕捉到，通常通过间接的方式来认识和研究，比如做饭时满屋的香味(气味分子的扩散运动)。微观世界的物质运动和宏观现象一样，必然伴随着能量的变化和转移。这些变化与电磁波直接相关，可以用一个简单的关系式来表示，即普朗克定律:

其中是能量的变换值，H是普朗克常数和电磁波的频率。

电磁波是以波的形式传播的电磁场。将对应的电磁波按照波长或频率的顺序排列，就是电磁波谱(如下图)。根据波长、频率、波源的不同，电磁波谱大致可分为:γ射线、X射线、紫外线、可见光、红外线、微波、无线电波。本文将介绍利用红外辐射进行红外光谱分析。

当分子振动时，它们也旋转。红外吸收光谱是由分子振动能级跃迁(伴随着转动能级跃迁)产生的，实际上是分子振动和转动的叠加，所以也叫分子振动转动光谱。接下来，让我们踏上探索红外吸收光谱形成过程的旅程。

和可见光一样，红外辐射可以是a，从物质表面反射b，被物质吸收c，穿透物质(如下图)。

材料吸收电磁辐射应满足两个条件:

(1)辐射应该具有刚好足以满足物质跃迁的能量；

(2)辐射与物质之间存在相互作用。

当分子受到一定频率(一定能量)的红外光照射时，如果分子中某个基团的振动频率与红外辐射的振动频率相同，则满足第一个条件。为了满足第二个条件，分子的偶极矩必须改变。什么是偶极矩？我们知道，任何分子整体都是电中性的，但分子中的每个原子由于获得或失去外层电子的难易程度不同，表现出不同的电负性，使得分子表现出不同的极性。我们通常用偶极矩μ来表示分子极性的大小(如下图所示):

只有偶极矩变化的振动才能产生可观测的红外吸收光谱。因为d的瞬时值是不断变化的，分子的偶极矩μ也随之变化。当用一定频率的红外光照射分子时，如果分子中某一基团的振动频率与其相同，那么这两个基团就会发生共振。此时光的能量通过分子偶极矩的变化传递到分子中，增加了基团的振动能量，振幅增大，于是基团吸收一定频率的红外光，产生振动跃迁。

用频率连续变化的红外光照射分子时，如果红外光的振动频率与分子中各基团的振动频率不同，这部分红外光就不会被吸收(如上图)。这样，由于穿过分子的红外光被吸收的方式不同，在某些波长范围内被部分吸收后减弱，而在其他波长范围内不被吸收。样品的红外吸收光谱可以通过用傅里叶变换红外光谱仪记录分子吸收的红外光来获得。下图是傅里叶变换红外光谱仪记录红外光谱的过程:

通过这些红外吸收光谱，我们可以分析物质的结构，获得有用的结构信息。那么具体怎么看呢？

分子中原子的基本振动形式有两种，即伸缩振动和变角振动，其中变角振动包括弯曲振动和形变振动。如果我们把分子比作两个用弹簧连接的刚性球(如下图)，那么弹簧的长度就代表了化学键的长度。

对于双原子分子，拉伸振动只有一种形式，即两个小球在同一直线上来回拉伸；对于多原子分子，有多种振动形式，如H2O分子的对称伸缩振动、反对称伸缩振动和弯曲(变形)振动(图1)，以及甲基的伸缩振动和不同种类的弯曲(变形)振动(图2)。

图1水分子的红外光谱

图2甲基的振动形式

红外光谱为了表达方便，用波长λ(单位微米)和波数(单位cm-1)来表征。波数是波长的倒数，表示每厘米光波的波数。波数和波长之间的关系是:

v(厘米-1)=1/λ(厘米)=10000/λ(微米)

传统上，根据红外波长，红外光谱分为三个区域:近红外区、中红外区和远红外区。三个区域的波长和波数范围如下图所示:

其中，近红外光谱是由分子的倍频和组合产生的；中红外光谱属于分子的基频振动光谱；远红外光谱属于分子的旋转光谱和某些基团的振动光谱。因为大部分有机物和无机物的基频吸收带都出现在中红外区，所以中红外区是研究和应用最多、数据积累最多、仪器技术最成熟的区域。

我们通常所说的红外光谱是指波长在2.5-25 μm之间的中红外光谱，就像每个人的指纹不同一样，每个化合物都有自己的“指纹”——红外光谱，其最重要的应用是中红外区域的有机化合物的结构鉴定。与标准谱图比较，可以确定化合物的结构。对于未知样品，可以通过官能团、顺反异构化、取代基位置、氢键、络合物形成等结构信息来推断结构。红外光谱、紫外光谱、质谱、核磁共振并称为物质结构分析的“四大光谱”，是仪器分析中重要的分析手段之一。

随着红外光谱附属技术(如显微镜、漫反射、镜面反射、掠角反射和衰减全反射)和计算机软件技术(如差分光谱技术、红外光谱压缩数据库及其网络传输)的快速发展，红外光谱技术的应用迅速扩展到许多领域。

新型冠状病毒肺炎疫情严峻，测温成为防控疫情的必要手段。红外测温仪作为关键医疗设备，在疫情防控中发挥着主导作用。

比如红外热成像体温快速筛查仪，可以对人群密集的公共场所进行大面积监控，对高温区域进行自动跟踪报警，配合可见光视频，快速发现并跟踪体温较高的人群(如上图)。所有高于绝对零度(-273℃)的物体都会发出红外辐射。人体发出的红外辐射被探测器和红外热像仪的光学镜头捕获，然后这些红外辐射能量分布图案被反射到光敏元件上，从而得到红外热像，对应的是物体表面的热分布场。

一般来说，红外热像仪是将物体发出的不可见的红外能量转化为可见的热图像。图像顶部的不同颜色代表被测物体的不同温度。此外，还有红外耳温计和红外额温计。本发明设备简单，使用方便，经济实惠，用途广泛，能够连续快速的测量人体温度。

还有遥感技术，就是太阳辐射通过大气层到达地面，一部分与地面反应后反射，然后再次穿过大气层，到达传感器，传感器记录下这部分能量，再传回地面(如下图)。其中红外遥感技术是指传感器的工作波段仅限于红外波段，主要感受地面物体反射或自身辐射的红外线，有时不受夜晚的限制。

此外，红外光谱在化学、环境分析、半导体和超导材料等其他领域的应用也得到广泛发展。