紅外光譜儀是利用物質對不同波長的紅外輻射的吸收特性，進行分子結構和化學組成分析的儀器。紅外光譜儀通常由光源，單色器，探測器和計算機處理信息系統組成。根據分光裝置的不同，分為色散型和干涉型。對色散型雙光路光學零位平衡紅外分光光度計而言，當樣品吸收了一定頻率的紅外輻射後，分子的振動能級發生躍遷，透過的光束中相應頻率的光被減弱，造成參比光路與樣品光路相應輻射的強度差，從而得到所測樣品的紅外光譜。
基本介紹
- 中文名：紅外光譜儀
- 外文名：infrared spectrometer
- 套用範圍：工業、農業、醫學、科學、軍事
- 原理：物質對不同波長的紅外輻射的吸收
理論,原理,分類,套用,特點,套用領域,注意事項,
理論
電磁光譜的紅外部分根據其同可見光譜的關係，可分為近紅外光、中紅外光和遠紅外光。 遠紅外光（大約400-10 cm-1）同微波毗鄰，能量低，可以用於旋轉光譜學。中紅外光（大約4000-400 cm-1）可以用來研究基礎震動和相關的旋轉-震動結構。更高能量的近紅外光（14000-4000 cm-1）可以激發泛音和諧波震動。紅外光譜法的工作原理是由於震動能級不同，化學鍵具有不同的頻率。共振頻率或者振動頻率取決於分子等勢面的形狀、原子質量、和最終的相關振動耦合。為使分子的振動模式在紅外活躍，必須存在永久雙極子的改變。具體的，在波恩-奧本海默和諧振子近似中，例如，當對應於電子基態的分子哈密頓量能被分子幾何結構的平衡態附近的諧振子近似時，分子電子能量基態的勢面決定的固有振盪模，決定了共振頻率。然而，共振頻率經過一次近似後同鍵的強度和鍵兩頭的原子質量聯繫起來。這樣，振動頻率可以和特定的鍵型聯繫起來。簡單的雙原子分子只有一種鍵，那就是伸縮。更複雜的分子可能會有許多鍵，並且振動可能會共軛出現，導致某種特徵頻率的紅外吸收可以和化學組聯繫起來。常在有機化合物中發現的CH2組，可以以 “對稱和非對稱伸縮”、“剪刀式擺動”、“左右搖擺”、“上下搖擺”和“扭擺”六種方式振動。
原理
傅立葉變換紅外光譜儀被稱為第三代紅外光譜儀，利用麥可遜干涉儀將兩束光程差按一定速度變化的複色紅外光相互干涉，形成干涉光，再與樣品作用。探測器將得到的干涉信號送入到計算機進行傅立葉變化的數學處理，把干涉圖還原成光譜圖。
紅外光譜儀原理圖
紅外光譜儀原理圖分類
一般分為兩類，一種是光柵掃描的，很少使用；另一種是麥可遜干涉儀掃描的，稱為傅立葉變換紅外光譜，這是目前最廣泛使用的。 光柵掃描的是利用分光鏡將檢測光(紅外光)分成兩束，一束作為參考光，一束作為探測光照射樣品，再利用光柵和單色儀將紅外光的波長分開，掃描並檢測逐個波長的強度，最後整合成一張譜圖。 傅立葉變換紅外光譜是利用麥可遜干涉儀將檢測光(紅外光)分成兩束，在動鏡和定鏡上反射回分束器上，這兩束光是寬頻的相干光，會發生干涉。相干的紅外光照射到樣品上，經檢測器採集，獲得含有樣品信息的紅外干涉圖數據，經過計算機對數據進行傅立葉變換後，得到樣品的紅外光譜圖。傅立葉變換紅外光譜具有掃描速率快，解析度高，穩定的可重複性等特點，被廣泛使用。
套用
套用於染織工業、環境科學、生物學、材料科學、高分子化學、催化、煤結構研究、石油工業、生物醫學、生物化學、藥學、無機和配位化學基礎研究、半導體材料、日用化工等研究領域。
紅外光譜可以研究分子的結構和化學鍵，如力常數的測定和分子對稱性等，利用紅外光譜方法可測定分子的鍵長和鍵角，並由此推測分子的立體構型。根據所得的力常數可推知化學鍵的強弱，由簡正頻率計算熱力學函式等。分子中的某些基團或化學鍵在不同化合物中所對應的譜帶波數基本上是固定的或只在小波段範圍內變化，因此許多有機官能團例如甲基、亞甲基、羰基，氰基，羥基，胺基等等在紅外光譜中都有特徵吸收，通過紅外光譜測定，人們就可以判定未知樣品中存在哪些有機官能團，這為最終確定未知物的化學結構奠定了基礎。
由於分子內和分子間相互作用，有機官能團的特徵頻率會由於官能團所處的化學環境不同而發生微細變化，這為研究表征分子內、分子間相互作用創造了條件。
分子在低波數區的許多簡正振動往往涉及分子中全部原子，不同的分子的振動方式彼此不同，這使得紅外光譜具有像指紋一樣高度的特徵性，稱為指紋區。利用這一特點，人們採集了成千上萬種已知化合物的紅外光譜，並把它們存入計算機中，編成紅外光譜標準譜圖庫。
人們只需把測得未知物的紅外光譜與標準庫中的光譜進行比對，就可以迅速判定未知化合物的成份。
當代紅外光譜技術的發展已使紅外光譜的意義遠遠超越了對樣品進行簡單的常規測試並從而推斷化合物的組成的階段。紅外光譜儀與其它多種測試手段聯用衍生出許多新的分子光譜領域，例如，色譜技術與紅外光譜儀聯合為深化認識複雜的混合物體系中各種組份的化學結構創造了機會；把紅外光譜儀與顯微鏡方法結合起來，形成紅外成像技術，用於研究非均相體系的形態結構，由於紅外光譜能利用其特徵譜帶有效地區分不同化合物，這使得該方法具有其它方法難以匹敵的化學反差。
使用紅外光譜儀對材料進行定性分析，廣泛套用於各大、專院校，科研院所及廠礦企業。常見具備紅外光譜儀檢測能力的機構有：四川大學、西南交通大學、中藍晨光化工研究院、華通特種工程塑膠研究中心等。
進行化合物的鑑定 進行未知化合物的結構分析
進行化合物的定量分析 進行化學反應動力學、晶變、相變、材料拉伸與結構的瞬變關係研究
工業流程與大氣污染的連續檢測
在煤炭行業對游離二氧化矽的監測
衛生檢疫，製藥，食品，環保，公安，石油， 化工，光學鍍膜，光通信，材料科學等諸多領域珠寶行業的檢測
水晶石英羥基的測量 聚合物的成分分析 藥物分析......
特點
1、 只需三個分束器即可覆蓋從紫外到遠紅外的區段；
2、 專利干涉儀，連續動態調整，穩定性極高；
3、 可實現LC/FTIR、TGA/FTIR、GC/FTIR等技術聯用；
4、 智慧型附屬檔案即插即用，自動識別，儀器參數自動調整；
5、 光學台一體化設計，主部件對針定位，無需調整。
套用領域
進行化合物的鑑定 進行未知化合物的結構分析
進行化合物的定量分析 進行化學反應動力學、晶變、相變、材料拉伸與結構的瞬變關係研究
工業流程與大氣污染的連續檢測
在煤炭行業對游離二氧化矽的監測
衛生檢疫，製藥，食品，環保，公安，石油， 化工，光學鍍膜，光通信，材料科學等諸多領域珠寶行業的檢測
水晶石英羥基的測量 聚合物的成分分析 藥物分析......
注意事項
1、測定時實驗室的溫度應在15～30℃，相對濕度應在65%以下，所用電源應配備有穩壓裝置和接地線。因要嚴格控制室內的相對濕度，因此紅外實驗室的面積不要太大，能放得下必須的儀器設備即可，但室內一定要有除濕裝置。
2、如所用的是單光朿型傅立葉紅外分光光度計(目前套用最多)，實驗室里的CO2含量不能太高，因此實驗室里的人數應儘量少，無關人員最好不要進入，還要注意適當通風換氣。
3、如供試品為鹽酸鹽，因考慮到在壓片過程中可能出現的離子交換現象，標準規定用氯化鉀(也同溴化鉀一樣預處理後使用)代替溴化鉀進行壓片，但也可比較氯化鉀壓片和溴化鉀壓片後測得的光譜，如二者沒有區別，則可使用溴化鉀進行壓片。
4、為防止儀器受潮而影響使用壽命，紅外實驗室應經常保持乾燥，即使儀器不用，也應每周開機至少兩次，每次半天，同時開除濕機除濕。特別是霉雨季節，最好是能每天開除濕機。
5、紅外光譜測定最常用的試樣製備方法是溴化鉀(KBr)壓片法(藥典收載品種90%以上用此法)，因此為減少對測定的影響，所用KBr最好應為光學試劑級，至少也要分析純級。使用前應適當研細(200目以下)，並在120℃以上烘4小時以上後置乾燥器中備用。如發現結塊，則應重新乾燥。製備好的空KBr片應透明，與空氣相比，透光率應在75%以上。
6、壓片法時取用的供試品量一般為1～2mg，因不可能用天平稱量後加入，並且每種樣品的對紅外光的吸收程度不一致，故常憑經驗取用。一般要求所沒得的光譜圖中絕大多數吸收峰處於10%～80%透光率範圍在內。最強吸收峰的透光率如太大(如大於30%)，則說明取樣量太少；相反，如最強吸收峰為接近透光率為0%，且為平頭峰，則說明取樣量太多，此時均應調整取樣量後重新測定。
7、測定用樣品應乾燥，否則應在研細後置紅外燈下烘幾分鐘使乾燥。試樣研好並具在模具中裝好後，應與真空泵相連後抽真空至少2分鐘，以使試樣中的水分進一步被抽走，然後再加壓到0.8～1GPa(8～10T/cm2)後維持2～5min。不抽真空將影響片子的透明度。
8、壓片時KBr的取用量一般為200mg左右(也是憑經驗)，應根據製片後的片子厚度來控制KBr的量，一般片子厚度應在0.5mm以下，厚度大於0.5mm時，常可在光譜上觀察到干涉條紋，對供試品光譜產生干擾。
9、壓片時，應先取供試品研細後再加入KBr再次研細研勻，這樣比較容易混勻。研磨所用的應為瑪瑙研缽，因玻璃研缽內表面比較粗糙，易粘附樣品。研磨時應按同一方向(順時針或逆時針)均勻用力，如不按同一方向研磨，有可能在研磨過程中使供試品產生轉晶，從而影響測定結果。研磨力度不用太大，研磨到試樣中不再有肉眼可見的小粒子即可。試樣研好後，應通過一小的漏鬥倒入到壓片模具中(因模具口較小，直接倒入較難)，並儘量把試樣鋪均勻，否則壓片後試樣少的地方的透明度要比試樣多的地方的低，並因此對測定產生影響。另外，如壓好的片子上出現不透明的小白點，則說明研好的試樣中有未研細的小粒子，應重新壓片。
10、壓片用模具用後應立即把各部分擦乾淨，必要時用水清洗乾淨並擦乾，置乾燥器中保存，以免鏽蝕。
