红外光谱基本理论

　　当一束红外光照射在矿物上时，矿物就要吸收一部分能量，同时将吸收的能量转变为分子振动能和分子转动能。

　　分子振动光谱：分子振动能级比分子转动能级大，当分子振动能级跃迁时伴随有分子转动能级跃迁。

　　分子转动光谱：出现在远红外区，它能给出分子的转动惯量、核间距离、分子的对称性。

　　在近红外、中红外区光子激发分子振动能级的同时，也激发分子转动能级，但不能激发电子能级跃迁。

　　当一束红外光照射在矿物上时，一种可能为矿物内部分子运动全部吸收，不再从矿物内部射出，另一种可能为红外光束强度大，部分能量被分子能级跃迁吸收，还有部分能量透过矿物。

红外光谱有关名词解释

　　波长―二个相邻波峰(波谷)之间距离， 波长单位：微米(μ)。

　　波数―单位长度波振动次数(波长倒数cm-1)，波数单位：厘米-1(cm-1)。

　　频率―每秒钟内振动次数(单位时间通过固定点波数)。

　　透射比―入射矿物光强度(I0)，透过矿物光强度(I)，I / I0。

　　透过率―I / I0×100。

　　红外吸收光谱图―不同频率的辐射于矿物上，导致不同透射比，以纵座标为透过率，横座标为频率，形成矿物变化曲线，则称该矿物红外吸收光谱图。

　　近红外―波长范围：0.78―2.5μ，波数：12820―4000cm-1。

　　中红外―波长范围：2.5―50μ，波数：4000―200cm-1。

　　远红外―波长范围：50―1000μ，波数：200―10cm-1。

　　单位变换：(μ微米、μm毫微米、Å埃、cm厘米)

　　1μ=1000nm=10000Å=10-4cm

　　1Å=10-1nm=10-4μ=10-8cm

　　1cm=104μ=107nm=108 Å

　　1μm=10-7cm

红外光谱相关使用及维护

　　1、如所用的是单光朿型傅里叶红外分光光度计(目前应用*多)，实验室里的CO2含量不能太高，因此实验室里的人数应尽量少，无关人员*好不要进入，还要注意适当通风换气。

　　2、为防止仪器受潮而影响使用寿命，红外实验室应经常保持干燥，即使仪器不用，也应每周开机至少两次，每次半天，同时开除湿机除湿。特别是霉雨季节，*好是能每天开除湿机。

　　3、红外光谱测定*常用的试样制备方法是溴化钾(KBr)压片法(药典收载品种90%以上用此法)，因此为减少对测定的影响，所用KBr*好应为光学试剂级，至少也要分析纯级。使用前应适当研细(200目以下)，并在120℃以上烘4小时以上后置干燥器中备用。如发现结块，则应重新干燥。制备好的空KBr片应透明，与空气相比，透光率应在75%以上。

　　4、测定时实验室的温度应在15～30℃，相对湿度应在65%以下，所用电源应配备有稳压装置和接地线。因要严格控制室内的相对湿度，因此红外实验室的面积不要太大，能放得下必须的仪器设备即可，但室内一定要有除湿装置。

　　5、压片法时取用的供试品量一般为1～2mg，因不可能用天平称量后加入，并且每种样品的对红外光的吸收程度不一致，故常凭经验取用。一般要求所没得的光谱图中绝大多数吸收峰处于10%～80%透光率范围在内。*强吸收峰的透光率如太大(如大于30%)，则说明取样量太少;相反，如*强吸收峰为接近透光率为0%，且为平头峰，则说明取样量太多，此时均应调整取样量后重新测定。

　　6、如供试品为盐酸盐，因考虑到在压片过程中可能出现的离子交换现象，标准规定用氯化钾(也同溴化钾一样预处理后使用)代替溴化钾进行压片，但也可比较氯化钾压片和溴化钾压片后测得的光谱，如二者没有区别，则可使用溴化钾进行压片。

　　7、供试品光谱与对照图谱或对照品图谱的比较：首先是比较各峰(但在3440cm-1附近由水分所产生的峰和在2350cm-1附近由CO2所产生的峰不考虑在内)的峰形峰位(波数)，其次是比较相邻峰之间的相对强度(透光率)，如两者都能对得上，则表示供试品光谱与对照图谱一致。如其中有一项或两项都对不上，应考虑到仪器与测定条件等所存在的差异，此时应取此供试品的对照品用同法同时测定，如测得的对照品光谱与供试品光谱一致，则仍可判为符合规定。

　　8、压片时KBr的取用量一般为200mg左右(也是凭经验)，应根据制片后的片子厚度来控制KBr的量，一般片子厚度应在0.5mm以下，厚度大于0.5mm时，常可在光谱上观察到干涉条纹，对供试品光谱产生干扰。

　　9、测定用样品应干燥，否则应在研细后置红外灯下烘几分钟使干燥。试样研好并具在模具中装好后，应与真空泵相连后抽真空至少2分钟，以使试样中的水分进一步被抽走，然后再加压到0.8～1GPa(8～10T/cm2)后维持2～5min。不抽真空将影响片子的透明度。

　　10、压片用模具用后应立即把各部分擦干净，必要时用水清洗干净并擦干，置干燥器中保存，以兔锈蚀。

　　11、仪器的简单校正(中国药典规定的方法，操作者自己校正)

　　(1)、波数准确度用仪器所自带的聚苯乙烯膜，按仪器使用说明书要求设置参数，以常用的扫描速度记录红外光谱，chp2005年版规定：用3027cm-1、2851 cm-1、1601 cm-1、1028 cm-1和907 cm-1五个特征吸收峰与测得的光谱上的相应位置处的吸收峰处的波数相比较，傅里叶红外仪在3000 cm-1附近处(实际上就是3027 cm-1和2851 cm-1两个峰)波数误差不得过±5 cm-1，而在1000 cm-1附近处(实际上就是1601 cm-1和1028 cm-1和907 cm-1三个峰)波数误差不得过±1cm-1。而chp200年版则规定：与2851 cm-1、1601 cm-1、1028 cm-1和907 cm-1四个特征吸收峰进行比较，在2000～400 cm-1范围内相差不得过±4 cm-1，在4000～2000 cm-1范围内相差不得过±8 cm-1。

　　(2)、分辨率 用上项校正所测得的聚苯乙烯膜光谱，在3110～2850 cm-1范围内应能分辨出7个吸收峰，其中峰2851 cm-1与谷2870 cm-1之间的透光率之差不得小于18%T，而峰1583 cm-1与谷1589cm-1之间的透光率之差不得小于12%T。

　　12、压片时，应先取供试品研细后再加入KBr再次研细研匀，这样比较容易混匀。研磨所用的应为玛瑙研钵，因玻璃研钵内表面比较粗糙，易粘附样品。研磨时应按同一方向(顺时针或逆时针)均匀用力，如不按同一方向研磨，有可能在研磨过程中使供试品产生转晶，从而影响测定结果。研磨力度不用太大，研磨到试样中不再有肉眼可见的小粒子即可。试样研好后，应通过一小的漏斗倒入到压片模具中(因模具口较小，直接倒入较难)，并尽量把试样铺均匀，否则压片后试样少的地方的透明度要比试样多的地方的低，并因此对测定产生影响。另外，如压好的片子上出现不透明的小白点，则说明研好的试样中有未研细的小粒子，应重新压片。

红外光谱发展史

　　雨后天空出现的彩虹，是人类经常观测到的自然光谱。而真正意义上对光谱的研究是从英国科学家牛顿(Newton) 开始的。1666 年牛顿证明一束白光可分为一系列不同颜色的可见光，而这一系列的光投影到一个屏幕上出现了一条从紫色到红色的光带。牛顿导入“光谱”(spectrum)一词来描述这一现象。牛顿的研究是光谱科学开端的标志。

　　从牛顿之后人类对光的认识逐渐从可见光区扩展到红外和紫外区。1800 年英国科学家W. Herschel 将来自太阳的辐射构成一副与牛顿大致相同的光谱，然后将一支温度计通过不同颜色的光，并且用另外一支不在光谱中的温度计作为参考。他发现当温度计从光谱的紫色末端向红色末端移动时，温度计的读数逐渐上升。特别令人吃惊的是当温度计移动到红色末端之外的区域时，温度计上的读数达到*高。这个试验的结果有两重含义，首先是可见光区域红色末端之外还有看不见的其他辐射区域存在，其次是这种辐射能够产生热。由于这种射线存在的区域在可见光区末端以外而被称为红外线。(1801 年德国科学家J.W. Ritter 考察太阳光谱的另外一端，即紫色端时发现超出紫色端的区域内有某种能量存在并且能使AgCl 产生化学反应，该试验导致了紫外线的发现。

　　1881年Abney 和Festing **次将红外线用于分子结构的研究。他们Hilger光谱仪拍下了46个有机液体的从0.7到1.2微米区域的红外吸收光谱。由于这种仪器检测器的限制，所能够记录下的光谱波长范围十分有限。随后的重大突破是测辐射热仪的发明。1880年天文学家Langley在研究太阳和其他星球发出的热辐射时发明一种检测装置。该装置由一根细导线和一个线圈相连，当热辐射抵达导线时能够引起导线电阻非常微小的变化。而这种变化的大小与抵达辐射的大小成正比。这就是测辐射热仪的核心部分。用该仪器突破了照相的限制，能够在更宽的波长范围检测分子的红外光谱。采用NaCl作棱镜和测辐射热仪作检测器，瑞典科学家Angstrem**次记录了分子的基本振动(从基态到**激发态)频率。1889年Angstrem**证实尽管CO和CO2都是由碳原子和氧原子组成，但因为是不同的气体分子而具有不同的红外光谱图。这个试验*根本的意义在于它表明了红外吸收产生的根源是分子而不是原子。而整个分子光谱学科就是建立在这个基础上的。不久Julius发表了20个有机液体的红外光谱图，并且将在3000cm-1的吸收带指认为甲基的特征吸收峰。这是科学家们**次将分子的结构特征和光谱吸收峰的位置直接联系起来。图1是液体水和重水部分红外光谱图，主要为近红外部分。图中可观察到水分子在739和970nm处有吸收峰存在，这些峰都处在可见光区红色一端之外。由于氢键作用，液体水的红外光谱图比气态水的谱图要复杂得多。

　　红外光谱仪的研制可追溯的20 世纪初期。1908 年Coblentz 制备和应用了用氯化钠晶体为棱镜的红外光谱议;1910 年Wood 和Trowbridge6 研制了小阶梯光栅红外光谱议;1918 年Sleator 和Randall 研制出高分辨仪器。20 世纪40 年代开始研究双光束红外光谱议。1950 年由美国PE 公司开始商业化生产名为Perkin-Elmer 21 的双光束红外光谱议。与单光束光谱仪相比，双光束红外光谱议不需要由经过专门训练的光谱学家进行操作，能够很快的得到光谱图。因此Perkin-Elmer 21 很快在美国畅销。Perkin-Elmer 21 的问世大大的促进了红外光谱仪的普及。

　　现代红外光谱议是以傅立叶变换为基础的仪器。该类仪器不用棱镜或者光栅分光，而是用干涉仪得到干涉图，采用傅立叶变换将以时间为变量的干涉图变换为以频率为变量的光谱图。傅立叶红外光谱仪的产生是一次**性的飞跃。与传统的仪器相比，傅立叶红外光谱仪具有快速、高信噪比和高分辨率等特点。更重要的是傅立叶变换催生了许多新技术，例如步进扫描、时间分辨和红外成像等。这些新技术大大的拓宽了红外的应用领域，使得红外技术的发展产生了质的飞跃。如果采用分光的办法，这些技术是不可能实现的。这些技术的产生，大大的拓宽了红外技术的应用领域。是用红外成像技术得到的地球表面温度分布和地球大气层中水蒸气含量图。没有傅立叶变换技术，不可能得到这样的图像。图1.2 Perkin-Elmer 21 双光束红外光谱议。该仪器是由美国Perkin-Elmer 公司1950 开始制造，是*早期商业化生产的双光束红外光谱议。

　　红外光谱的理论解释是建立在量子力学和群论的基础上的。1900 年Plank在研究黑体辐射问题时，给出了**的Plank 常数h, 表示能量的不连续性。量子力学从此走上历史舞台。1911 年W Nernst 指出分子振动和转动的运动形态的不连续性是量子理论的必然结果。1912 年丹麦物理化学家Niels Bjerrum 提出HCl 分子的振动是带负电的Cl 原子核带正电的H 原子之间的相对位移。分子的能量由平动、转动和振动组成，并且转动能量量子化的理论，该理论被称为旧量子理论或者半经典量子理论。后来矩阵、群论等数学和物理方法被应用于分子光谱理论。随着现代科学的不断发展，分子光谱的理论也在不断的发展和完善。分子光谱理论和应用的研究还在发展之中。多维分子光谱的理论和应用就是研究方向之一。