紅外光譜所表示的基本意義和信息？

紅外光譜 [1] （infrared spectra），以波長或波數為橫坐標 以強度或其他隨波長變化的性質為縱坐標所得到的反映紅外射線與物質相互作用的譜圖。

按紅外射線的波長范圍，可粗略地分為近紅外光譜（波段為0.8～2.5微米）、中紅外光譜（2.5～25微米）和遠紅外光譜（25～1000微米）。

對物質自發發射或受激發射的紅外射線進行分光，可得到紅外發射光譜，物質的紅外發射光譜主要決定于物質的溫度和化學組成；對被物質所吸收的紅外射線進行分光，可得到紅外吸收光譜。

每種分子都有由其組成和結構決定的獨有的紅外吸收光譜，它是一種分子光譜。分子的紅外吸收光譜屬于帶狀光譜。原子也有紅外發射和吸收光譜，但都是線狀光譜。 量子場論或量子電動力學可以正確地描述和解釋紅外射線（一種電磁輻射）與物質的相互作用。

若采用半經典的理論處理方法，即對組成物質的分子和原子作為量子力學體系來處理，輻射場作為一種經典物理中的電磁波并忽略其光子的特征，則分子紅外光譜是由分子不停地作振動和轉動而產生的。

分子振動是指分子中各原子在平衡位置附近作相對運動，多原子分子可組成多種振動模式。

當孤立分子中各原子以同一頻率、同一相位在平衡位置附近作簡諧振動時，這種振動方式稱簡正振動。含N個原子的分子應有3N－6個簡正振動方式；如果是線性分子，只有3N－5個簡正振動方式。圖中示出非線性3原子分子僅有的3種簡正振動模式。

分子的轉動指的是分子繞質心進行的運動。分子振動和轉動的能量不是連續的，而是量子化的。

當分子由一種振動（或轉動）狀態躍遷至另一種振動（或轉動）狀態時，就要吸收或發射與其能級差相應的光。 研究紅外光譜的方法主要是吸收光譜法。使用的光譜有兩種類型。一種是單通道或多通道測量的棱鏡或光柵色散型光譜儀，另一種是利用雙光束干涉原理并進行干涉圖的傅里葉變換數學處理的非色散型的傅里葉變換紅外光譜儀。 紅外光譜具有高度的特征性，不但可以用來研究分子的結構和化學鍵，如力常數的測定等，而且廣泛地用于表征和鑒別各種化學物種。 紅外識譜歌 紅外可分遠中近，中紅特征指紋區， 1300來分界，注意橫軸劃分異。 看圖要知紅外儀，弄清物態液固氣。 樣品來源制樣法，物化性能多聯系。 識圖先學飽和烴，三千以下看峰形。 2960、2870是甲基，2930、2850亞甲峰。 1470碳氫彎，1380甲基顯。

二個甲基同一碳，1380分二半。 面內搖擺720，長鏈亞甲亦可辨。

烯氫伸展過三千，排除倍頻和鹵烷。

末端烯烴此峰強，只有一氫不明顯。 化合物，又鍵偏，～1650會出現。

烯氫面外易變形，1000以下有強峰。 910端基氫，再有一氫990。 順式二氫690，反式移至970； 單氫出峰820，干擾順式難確定。

炔氫伸展三千三，峰強很大峰形尖。

三鍵伸展二千二，炔氫搖擺六百八。

芳烴呼吸很特征，1600～1430。 1650～2000，取代方式區分明。 900～650，面外彎曲定芳氫。

五氫吸收有兩峰，700和750； 四氫只有750，二氫相鄰830； 間二取代出三峰，700、780，880處孤立氫 醇酚羥基易締合，三千三處有強峰。 C－O伸展吸收大，伯仲叔醇位不同。 1050伯醇顯，1100乃是仲， 1150叔醇在，1230才是酚。 1110醚鏈伸，注意排除酯酸醇。

若與π鍵緊相連，二個吸收要看準， 1050對稱峰，1250反對稱。 苯環若有甲氧基，碳氫伸展2820。 次甲基二氧連苯環，930處有強峰， 環氧乙烷有三峰，1260環振動， 九百上下反對稱，八百左右最特征。 縮醛酮，特殊醚，1110非縮酮。 酸酐也有C－O鍵，開鏈環酐有區別， 開鏈強寬一千一，環酐移至1250。 羰基伸展一千七，2720定醛基。 吸電效應波數高，共軛則向低頻移。 張力促使振動快，環外雙鍵可類比。 二千五到三千三，羧酸氫鍵峰形寬， 920，鈍峰顯，羧基可定二聚酸、 酸酐千八來偶合，雙峰60嚴相隔， 鏈狀酸酐高頻強，環狀酸酐高頻弱。 羧酸鹽，偶合生，羰基伸縮出雙峰， 1600反對稱，1400對稱峰。 1740酯羰基，何酸可看碳氧展。 1180甲酸酯，1190是丙酸， 1220乙酸酯，1250芳香酸。 1600兔耳峰，常為鄰苯二甲酸。 氮氫伸展三千四，每氫一峰很分明。 羰基伸展酰胺I，1660有強峰； N－H變形酰胺II，1600分伯仲。 伯胺頻高易重疊，仲酰固態1550； 碳氮伸展酰胺III，1400強峰顯。 胺尖常有干擾見，N－H伸展三千三， 叔胺無峰仲胺單，伯胺雙峰小而尖。 1600碳氫彎，芳香仲胺千五偏。 八百左右面內搖，確定最好變成鹽。 伸展彎曲互靠近，伯胺鹽三千強峰寬， 仲胺鹽、叔胺鹽，2700上下可分辨， 亞胺鹽，更可憐，2000左右才可見。 硝基伸縮吸收大，相連基團可弄清。 1350、1500，分為對稱反對稱。 氨基酸，成內鹽，3100～2100峰形寬。 1600、1400酸根展，1630、1510碳氫彎。 鹽酸鹽，羧基顯，鈉鹽蛋白三千三。 礦物組成雜而亂，振動光譜遠紅端。 鈍鹽類，較簡單，吸收峰，少而寬。 注意羥基水和銨，先記幾種普通鹽。 1100是硫酸根，1380硝酸鹽， 1450碳酸根，一千左右看磷酸。 硅酸鹽，一峰寬，1000真壯觀。 勤學苦練多實踐，紅外識譜不算難。 紅外光譜發展史 雨后天空出現的彩虹，是人類經常觀測到的自然光譜。而真正意義上對光譜的研究是從英國科學家牛頓(Newton) 開始的。1666 年牛頓證明一束白光可分為一系列不同顏色的可見光，而這一系列的光投影到一個屏幕上出現了一條從紫色到紅色的光帶。牛頓導入“光譜”（spectrum）一詞來描述這一現象。牛頓的研究是光譜科學開端的標志。 從牛頓之后人類對光的認識逐漸從可見光區擴展到紅外和紫外區。1800 年英國科學家W. Herschel 將來自太陽的輻射構成一副與牛頓大致相同的光譜，然后將一支溫度計通過不同顏色的光，并且用另外一支不在光譜中的溫度計作為參考。他發現當溫度計從光譜的紫色末端向紅色末端移動時，溫度計的讀數逐漸上升。特別令人吃驚的是當溫度計移動到紅色末端之外的區域時，溫度計上的讀數達到最高。這個試驗的結果有兩重含義，首先是可見光區域紅色末端之外還有看不見的其他輻射區域存在，其次是這種輻射能夠產生熱。由于這種射線存在的區域在可見光區末端以外而被稱為紅外線。（1801 年德國科學家J.W. Ritter 考察太陽光譜的另外一端，即紫色端時發現超出紫色端的區域內有某種能量存在并且能使AgCl 產生化學反應，該試驗導致了紫外線的發現。 1881年Abney 和Festing 第一次將紅外線用于分子結構的研究。他們Hilger光譜儀拍下了46個有機液體的從0.7到1.2微米區域的紅外吸收光譜。由于這種儀器檢測器的限制，所能夠記錄下的光譜波長范圍十分有限。隨后的重大突破是測輻射熱儀的發明。1880年天文學家Langley在研究太陽和其他星球發出的熱輻射時發明一種檢測裝置。該裝置由一根細導線和一個線圈相連，當熱輻射抵達導線時能夠引起導線電阻非常微小的變化。而這種變化的大小與抵達輻射的大小成正比。這就是測輻射熱儀的核心部分。用該儀器突破了照相的限制，能夠在更寬的波長范圍檢測分子的紅外光譜。采用NaCl作棱鏡和測輻射熱儀作檢測器，瑞典科學家Angstrem第一次記錄了分子的基本振動（從基態到第一激發態）頻率。1889年Angstrem首次證實盡管CO和CO2都是由碳原子和氧原子組成，但因為是不同的氣體分子而具有不同的紅外光譜圖。這個試驗最根本的意義在于它表明了紅外吸收產生的根源是分子而不是原子。而整個分子光譜學科就是建立在這個基礎上的。不久Julius發表了20個有機液體的紅外光譜圖，并且將在3000cm-1的吸收帶指認為甲基的特征吸收峰。這是科學家們第一次將分子的結構特征和光譜吸收峰的位置直接聯系起來。圖1是液體水和重水部分紅外光譜圖，主要為近紅外部分。圖中可觀察到水分子在739和970nm處有吸收峰存在，這些峰都處在可見光區紅色一端之外。由于氫鍵作用，液體水的紅外光譜圖比氣態水的譜圖要復雜得多。 紅外光譜儀的研制可追溯的20 世紀初期。1908 年Coblentz 制備和應用了用氯化鈉晶體為棱鏡的紅外光譜議；1910 年Wood 和Trowbridge6 研制了小階梯光柵紅外光譜議；1918 年Sleator 和Randall 研制出高分辨儀器。20 世紀40 年代開始研究雙光束紅外光譜議。1950 年由美國PE 公司開始商業化生產名為Perkin-Elmer 21 的雙光束紅外光譜議。與單光束光譜儀相比，雙光束紅外光譜議不需要由經過專門訓練的光譜學家進行操作，能夠很快的得到光譜圖。因此Perkin-Elmer 21 很快在美國暢銷。Perkin-Elmer 21 的問世大大的促進了紅外光譜儀的普及。 現代紅外光譜議是以傅立葉變換為基礎的儀器。該類儀器不用棱鏡或者光柵分光，而是用干涉儀得到干涉圖，采用傅立葉變換將以時間為變量的干涉圖變換為以頻率為變量的光譜圖。傅立葉紅外光譜儀的產生是一次革命性的飛躍。與傳統的儀器相比，傅立葉紅外光譜儀具有快速、高信噪比和高分辨率等特點。更重要的是傅立葉變換催生了許多新技術，例如步進掃描、時間分辨和紅外成像等。這些新技術大大的拓寬了紅外的應用領域，使得紅外技術的發展產生了質的飛躍。如果采用分光的辦法，這些技術是不可能實現的。這些技術的產生，大大的拓寬了紅外技術的應用領域。 是用紅外成像技術得到的地球表面溫度分布和地球大氣層中水蒸氣含量圖。沒有傅立葉變換技術，不可能得到這樣的圖像。圖1.2 Perkin-Elmer 21 雙光束紅外光譜議。該儀器是由美國Perkin-Elmer 公司1950 開始制造，是最早期商業化生產的雙光束紅外光譜議。 紅外光譜的理論解釋是建立在量子力學和群論的基礎上的。1900 年普朗克在研究黑體輻射問題時，給出了著名的Plank 常數h, 表示能量的不連續性。量子力學從此走上歷史舞臺。1911 年W Nernst 指出分子振動和轉動的運動形態的不連續性是量子理論的必然結果。1912 年丹麥物理化學家Niels Bjerrum 提出HCl 分子的振動是帶負電的Cl 原子核帶正電的H 原子之間的相對位移。分子的能量由平動、轉動和振動組成，并且轉動能量量子化的理論，該理論被稱為舊量子理論或者半經典量子理論。后來矩陣、群論等數學和物理方法被應用于分子光譜理論。隨著現代科學的不斷發展，分子光譜的理論也在不斷的發展和完善。分子光譜理論和應用的研究還在發展之中。多維分子光譜的理論和應用就是研究方向之一。