紅外光譜儀（infrared spectrometer）是利用物質(zhì)對不同波長的紅外輻射的吸收特性，進行分子結(jié)構(gòu)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(tǒng)組成。根據(jù)分光裝置的不同，分為色散型和干涉型。由于色散型很少使用，目前廣泛使用的是干涉型的傅里葉變換紅外光譜儀，本文以干涉型的介紹為主。

傅里葉變換紅外光譜儀

原理及特點

傅立葉變換紅外光譜儀（FTIR）被稱為第三代紅外光譜儀，利用麥克爾遜干涉儀將兩束光程差按一定速度變化的復色紅外光相互干涉，形成干涉光，再與樣品作用。探測器將得到的干涉信號送入計算機進行傅立葉變換的數(shù)學處理，把干涉圖還原成光譜圖。

▍這種儀器的優(yōu)勢：

1、多通道測量，使信噪比提高。

2、光通量高，提高了儀器的靈敏度。

3、波數(shù)值精確度可達0.01cm-1。

4、增加動鏡的移動距離，可使分辨本領提高。

5、工作波段可從可見光區(qū)延伸到毫米區(qū)，實現(xiàn)遠紅外光譜的測定。

6、掃描速率快，分辨率高，穩(wěn)定的可重復性。

材料分析表征中的應用

紅外光譜分析可用于研究分子的結(jié)構(gòu)和化學鍵，也可以作為表征和鑒別化學物種的方法。紅外光譜具有高度特征性，可以采用與標準化合物的紅外光譜對比的方法來做分析鑒定。[ZC4] 之所以能測試樣品的這些性能，是因為紅外光譜分析法是根據(jù)不同物質(zhì)會選擇性吸收紅外光區(qū)的電磁輻射來進行結(jié)構(gòu)分析、對各種吸收紅外光的化合物進行定量和定性分析的一種方法。

測試原理的相關公式如下：

1、滿足紅外吸收的能量關系

λ：紅外光波長

h：普朗克常數(shù)

c：光速

?E：分子的振動能級差

2、振動頻率與質(zhì)量和鍵能的關系

以雙原子分子作簡諧振動為假設模型，得到

ν：波數(shù)

c：光速

k：鍵的力常數(shù)

μ：折合質(zhì)量（或叫約化質(zhì)量）

應用舉例：

1、分子的結(jié)構(gòu)和化學鍵，如力常數(shù)（可推知化學鍵的強弱）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，并由此推測分子的立體構(gòu)型。

2、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征吸收，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(jié)構(gòu)奠定了基礎。

3、分子在低波數(shù)區(qū)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征性，稱為指紋區(qū)。利用這一特點，人們采集了成千上萬種已知化合物的紅外光譜，并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。

紅外吸收光譜圖

樣品要求

紅外光譜測試可以采用氣體、液體或固體樣品。如果樣品的紅外活性鍵少、純度高，得到的光譜會相當清晰，效果好。而更加復雜的分子結(jié)構(gòu)或外部環(huán)境的影響會導致更多的鍵吸收和譜帶的位移，影響圖譜的質(zhì)量。

所以為了得到清晰、質(zhì)量高的圖譜，同時也為了便于分析，對于測試樣品有以下幾點基本要求。

1、樣品必須預先純化，以保證有足夠的純度；

2、樣品須預先除水干燥，避免損壞儀器，同時避免水峰對樣品譜圖的干擾；

3、易潮解的樣品，應放置在干燥器內(nèi)；

4、對易揮發(fā)、升華、對熱不穩(wěn)定的樣品，請用帶密封蓋或塞子的容器盛裝并蓋緊，同時必須注明；

5、對于有毒性和腐蝕性的樣品，用戶必須用密封容器裝好。送樣時必須分別在樣品瓶標簽的明顯位置上注明。

注：不同的制樣方法會帶來不同的樣品要求，應具體問題具體分析

檢測標準

GB/T21186-2007 傅里葉變換紅外光譜儀

疑難解答

Q：分子吸收紅外輻射需要滿足哪些條件？其吸收強度主要由哪些因素決定？

A：分子吸收紅外輻射必須滿足兩個條件：

1、一定頻率的紅外輻射，其能量剛好滿足振動躍遷的能級差；

2、只有在振動過程中偶極矩發(fā)生變化的那些振動方式才能吸收紅外輻射，這樣的振動方式稱為具有紅外活性。紅外吸收譜帶的強度決定于偶極矩變化的大小。振動時偶極矩變化越大，吸收強度越大。

Q：用紅外光譜法研究高分子材料時，影響頻率位移和圖譜質(zhì)量的因素有哪些？

A：

1、影響頻率位移的因素

①外部因素

• 物理狀態(tài)的影響：同一個樣品不同相態(tài)（氣、液、固），它們的光譜有很大差別，這與分子間相互作用力有關；

• 溶劑的影響：同一物質(zhì)在不同的溶劑中，由于溶質(zhì)與溶劑的相互作用不同，因此測得的光譜吸收帶頻率也不同；

• 粒度的影響：主要由散射引起。粒度越大，基線上升，峰寬而強度低，反之亦然；

②內(nèi)部因素

• 主要是分子內(nèi)部結(jié)構(gòu)的原因引起的變化：如誘導效應、共軛效應、鍵應力和空間效應、氫鍵效應、耦合效應、費米共振。

2、影響圖譜質(zhì)量的因素

①儀器參數(shù)的影響

• 光通量、增益、掃描次數(shù)等直接影響信噪比，同時要根據(jù)不同的附件及測試要求及時進行必要的調(diào)整，以得到滿意的譜圖。

②環(huán)境的影響

• 光譜中的吸收帶并非都是由光譜本身產(chǎn)生的，潮濕的空氣、樣品的污染、殘留溶劑、由瑪瑙研缽或玻璃器皿所帶入的二氧化硅、溴化鉀壓片時吸附的水等原因均可產(chǎn)生附加的吸收帶，故在光譜解析時應特別加以注意。

③樣品厚度的影響

• 樣品的厚度或合適的樣品量是很重要的，通常要求厚度為10～50μm，對于極性物質(zhì)如聚酯要求厚度小一些，對非極性物質(zhì)如聚烯烴要求厚一些。有時為了觀察弱吸收帶，如某些含量少的基團、端基、側(cè)鏈，少量共聚組分等，應該用較厚的樣品測定光譜，若用KBr壓片法用量也應作相應的調(diào)整。

Q：對聚合物紅外光譜的解釋需要注意哪些要素？

A：需要注意三要素。第一，譜帶的位置。它代表某一基團的振動頻率，也是說明是否含有某種基團的標志；第二，譜帶的形狀。例如氫鍵和離子的官能團會產(chǎn)生很寬的紅外譜帶，這對于鑒定特殊基團的存在十分重要；第三、譜帶的相對強度。譜帶的強弱對比不但是一種基團含量的定量分析基礎，而且可以暗示某一特殊基團或元素的存在。分子中有極性較強的基團將產(chǎn)生強的吸收，如羰基、醚基等譜帶的吸收都很強。