天美讲堂丨“谱”说“心”语——红外光谱和傅里叶变换红外光谱仪

红外（IR）光谱是分析实验室中最常用的，定性和定量光谱分析技术之一。它测量红外辐射与样品的相互作用，以提供化学鉴定。红外研究的三个主要区域是近红外区14000~4000cm^-1，中红外区4000~400cm^-1和远红外区400~10cm^-1。

中红外区域是最受关注的区域，因为它包含用于物质识别的特征波段，通常被认为是标准红外光谱。红外光谱仪检测引发分子振动的红外信号，分子内的官能团具有独特的振动能量，在红外光谱中特定波段产生信号响应，从而识别特定样品。固体，液体和气体均可以使用红外光谱进行分析（通用分析技术）。

图1 电磁波谱分布

第一台红外光谱仪诞生于1835年，并很快成为化学表征的工具。这台红外光谱仪是色散型光谱仪，色散型光谱仪中红外光被色散成连续的频率（波长），每个波长处的信号被连续检测。色散型光谱仪，需要很长时间才能获得目标波段的信号¹。在20世纪60年代后期，随着傅里叶变换红外光谱（FTIR）技术的发展，红外光谱检测有了突破，现在，它几乎完全取代了色散光谱仪。FTIR光谱仪同时测量所有频率，从而大大加快了采集时间，提高了信噪比和波数精度。

FTIR光谱仪的设计是基于1891年由迈克尔逊设计的双光束干涉仪²，它的工作原理是使用分束器将光束分成两条路径，一条光束由固定的镜子（定镜）反射，另一条由移动的镜子（动镜）反射。在引入光程差后，它们在分束器处重新汇合，光束之间产生干涉。由于动镜的运动引起第二光束移动距离的变化，产生的红外光具有变化的频率分布。检测器上的信号被记录为时域干涉图，然后进行傅里叶变换转换成频域信号，得到红外光谱³。

图2 傅里叶变换红外光谱仪结构

分子具有红外活性（振动过程中必须有偶极矩的变化）时，可以进行红外信号的响应检测。红外振动的两种主要模式是弯曲振动（改变键角）和伸缩振动（改变键长）。伸缩振动比弯曲振动发生的频率更高，因为弯曲键比拉伸键需要更多的能量。

图3 中红外光谱波段反馈的样品信息

样品通常具有许多伸缩和弯曲振动，从而产生高度特异性的红外光谱。红外光谱可以分为四个主要部分，如图3所示。光谱的高波数段是单键伸缩振动的区域，例如水中的O-H在该区域有一个宽峰。2500cm^-1和2000cm^-1之间可以观察到三键的伸缩振动，如乙腈中的C≡N。在2000cm^-1~1500cm^-1之间为双键伸缩振动区，如羧酸中的C=O键会在该区域出现信号响应。在典型红外光谱中要关注的波段被称为指纹区域。指纹区是光谱的一个复杂区域，包含几个伸缩和弯曲振动波段。虽然它是光谱中最难解释的区域，但它也提供了最具特征的信息，提供了样品的“化学指纹”。

FTIR光谱提供简单、无损、可靠的样品定性或定量分析。不论工业领域的应用还是学术研究，都可以利用样品红外光谱的特异性，对样品进行“化学指纹识别”。

1. T. Theophanides, “Introduction to Infrared Spectroscopy,” in Infrared Spectroscopy - Materials Science, Engineering and Technology, no. May, InTech, 2012.

2. H.-U. Gremlich, “Infrared and Raman Spectroscopy,” in Ullmann’s Encyclopedia of Industrial Chemistry, Weinheim, Germany: Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, 2000.

3. P. R. Griffiths and J. A. de Haseth, Fourier Transform Infrared Spectrometry. Hoboken, NJ, USA: John Wiley & Sons, Inc., 2007.