红外光谱仪的基本原理

红外其实已经是一种比较成熟的测试手段了，在很多教科书中都能找到。鉴于有很多朋友希望我们能够进行一些简单的总结归纳，这里我们对红外光谱进行简单的分享。今天我们将进行一些基本原理的介绍。

什么是光谱技术?有哪些分类，红外属于哪一类?

光谱分析是一种根据物质的光谱来鉴别物质及确定它的化学组成，结构或者相对含量的方法。按照分析原理，光谱技术主要分为吸收光谱，发射光谱和散射光谱三种；按照被测位置的形态来分类，光谱技术主要有原子光谱和分子光谱两种。红外光谱属于分子光谱，有红外发射和红外吸收光谱两种，常用的一般为红外吸收光谱。

红外吸收光谱的定义及产生

分子的振动能量比转动能量大，当发生振动能级跃迁时，不可避免地伴随有转动能级的跃迁，所以无法测量纯粹的振动光谱，而只能得到分子的振动-转动光谱，这种光谱称为红外吸收光谱红外吸收光谱也是一种分子吸收光谱。

当样品受到频率连续变化的红外光照射时，分子吸收了某些频率的辐射并由其振动或转动运动引起偶极矩的净变化，产生分子振动和转动能级从基态到激发态的跃迁，使相应于这些吸收区域的透射光强度减弱。记录红外光的百分透射比与波数或波长关系曲线，就得到红外光谱。

红外吸收光谱的基本原理是什么?

分子运动有平动，转动，振动和电子运动四种，其中后三种为量子运动。分子从较低的能级E1，吸收一个能量为hv的光子，可以跃迁到较高的能级E2,整个运动过程满足能量守恒定律E2-E1=hv。能级之间相差越小，分子所吸收的光的频率越低，波长越长。

红外吸收光谱是由分子振动和转动跃迁所引起的,组成化学键或官能团的原子处于不断振动(或转动)的状态，其振动频率与红外光的振动频率相当。所以，用红外光照射分子时，分子中的化学键或官能团可发生振动吸收，不同的化学键或官能团吸收频率不同，在红外光谱上将处于不同位置，从而可获得分子中含有何种化学键或官能团的信息。

红外光谱法实质上是一种根据分子内部原子间的相对振动和分子转动等信息来确定物质分子结构和鉴别化合物的分析方法。

分子的转动能级差比较小，所吸收的光频率低，波长很长，所以分子的纯转动能谱出现在远红外区(25-300 μm)。振动能级差比转动能级差要大很多，分子振动能级跃迁所吸收的光频率要高一些，分子的纯振动能谱一般出现在中红外区(2.5-25 μm)。(注：分子的电子能级跃迁所吸收的光在可见以及紫外区，属于紫外可见吸收光谱的范畴)

值得注意的是，只有当振动时，分子的偶极矩发生变化时，该振动才具有红外活性(注：如果振动时，分子的极化率发生变化，则该振动具有拉曼活性)。

红外光谱仪基本原理

红外光谱仪是利用物质对不同波长的红外辐射的吸收特性，进行分子结构和化学组成分析的仪器。红外光谱仪通常由光源，单色器，探测器和计算机处理信息系统组成。根据分光装置的不同，分为色散型和干涉型。

对色散型双光路光学零位平衡红外分光光度计而言，当样品吸收了一定频率的红外辐射后，分子的振动能级发生跃迁，透过的光束中相应频率的光被减弱，造成参比光路与样品光路相应辐射的强度差，从而得到所测样品的红外光谱。

傅立叶变换红外光谱仪被称为第三代红外光谱仪，利用麦克尔逊干涉仪将两束光程差按一定速度变化的复色红外光相互干涉，形成干涉光，再与样品作用。探测器将得到的干涉信号送入到计算机进行傅立叶变化的数学处理，把干涉图还原成光谱图。

光源发出的光被分束器(类似半透半反镜)分为两束，一束经透射到达动镜，另一束经反射到达定镜。两束光分别经定镜和动镜反射再回到分束器，动镜以一恒定速度作直线运动，因而经分束器分束后的两束光形成光程差，产生干涉。干涉光在分束器会合后通过样品池，通过样品后含有样品信息的干涉光到达检测器，然后通过傅里叶变换对信号进行处理，Z终得到透过率或吸光度随波数或波长的红外吸收光谱图。

红外光谱仪主要特点

（1）、扫描速度更快，色散型红外仪器一般需要20分钟左右，而傅里叶几十秒就可以了。这主要是因为傅里叶变换红外光谱仪是按照全波段进行数据采集的，得到的光谱是对多次数据采集求平均后的结果。

（2）、傅里叶红外光谱仪较色散红外仪器，信噪比和分辨率都高，傅里叶红外能达到15000以上的信噪比和0.5波数的分辨率。傅里叶变换红外光谱仪所用的光学元件少，没有光栅或棱镜分光器，降低了光的损耗，而且通过干涉进一步增加了光的信号，因此到达检测器的辐射强度大，信噪比高。

（3）、傅里叶变换红外光谱仪采用的傅里叶变换对光的信号进行处理，避免了电机驱动光栅分光时带来的误差，所以重现性比较好。

（4）、另外，傅里叶红外能扩展更多的附件，而色散红外仪器的局限性就较大。

红外光谱仪应用范围

对样品进行定性和定量分析，一般适合于有机物、无机物、聚合物、蛋白质二级结构、包裹体、微量样品的分析。此外，通过仪器配备的光谱谱库，可对未知物样品光谱可以进行谱库检索，对混合物样品可以进行剖析。广泛应用于医药化工、地矿、石油、煤炭、环保、海关、宝石鉴定、刑侦鉴定等领域。

红外光谱仪操作环境与方法

仪器环境要求

室内温度：18℃～25℃

相对湿度：≤60%

仪器条件

仪器供电电压：220v±10%，频率50hz±10%