红外光谱法（Infrared Spectroscopy，简称IR）是一种非破坏性的分析技术，广泛应用于化学、材料科学、生物医药、环境科学等多个领域。它通过检测物质对红外辐射的吸收情况，来获取分子结构和官能团信息。本文将围绕红外光谱法的“是什么”、“为什么”、“哪里”、“多少”、“如何”和“怎么”等核心疑问，深入探讨其具体细节和应用，而非流于泛泛的原理介绍。
红外光谱法是什么？——揭示分子的震动“指纹”
核心原理与检测对象
红外光谱法是一种基于分子振动能级跃迁的光谱技术。 简而言之，当一束红外光通过样品时，如果红外光的能量（频率）与样品分子中特定化学键的振动频率相匹配，分子就会吸收这部分能量，导致其振动能级发生跃迁。被吸收的红外光的波长或波数就被记录下来，形成一个吸收光谱。
它主要检测的是分子中化学键的振动模式，包括：
- 伸缩振动（Stretching Vibration）： 键长发生周期性变化，如C-H、O-H、C=O等键的伸缩。
- 弯曲振动（Bending Vibration）： 键角发生周期性变化，如H-C-H的剪式、摇摆、扭转或扇形振动。
这些振动模式具有各自特定的能量，因此会在红外光谱图上产生特征性的吸收峰，就像分子的独特“指纹”。
关键要求： 只有当化学键的振动导致分子偶极矩发生净变化时，才能吸收红外光。例如，对称的同核双原子分子（如O₂、N₂）在红外区没有吸收，因为它们的振动不会引起偶极矩变化。
典型仪器构成
现代红外光谱仪多为傅里叶变换红外光谱仪（FTIR）。其主要组成部分包括：
- 光源： 提供宽范围的红外辐射。常见的有：
- Globar（硅碳棒）： 碳化硅棒，通过电流加热至1000-1500°C发光，覆盖中红外区。
- 镍铬丝（Nernst Glower）： 氧化锆/氧化钇混合物，通常用于远红外。
- 高压汞灯： 通常用于远红外，提供窄带辐射。
- 干涉仪： FTIR的核心部件，通常为迈克尔逊干涉仪。它将光源发出的光束分成两束，一束经过固定镜，另一束经过可动镜，两束光会合产生干涉图。
- 样品仓： 用于放置样品。根据样品状态和测试模式的不同，可安装各种附件。
- 检测器： 接收穿过样品后的红外光，并将其信号转化为电信号。常见的有：
- DTGS（Deuterated Triglycine Sulfate，氘代三甘氨酸硫酸盐）： 热释电检测器，室温下工作，响应速度适中，灵敏度一般，成本较低。
- MCT（Mercury Cadmium Telluride，碲镉汞）： 光导检测器，需液氮冷却（约77K），响应速度快，灵敏度高，适用于低浓度或快速扫描。
- 计算机与软件： 对干涉图进行傅里叶变换，生成常规的吸收光谱图，并进行数据处理、谱库匹配等。
谱图样式与信息
红外光谱图通常以吸光度（Absorbance）或透射率（Transmittance）为纵坐标，以波数（Wavenumber，单位cm⁻¹）为横坐标。
- 波数范围： 通常是4000 cm⁻¹到400 cm⁻¹（中红外区）。
- 官能团区（Functional Group Region，约4000-1500 cm⁻¹）： 这个区域的吸收峰通常对应于特定的官能团（如-OH、C=O、C-H、N-H等）的伸缩振动，其位置相对固定，可用于初步鉴定分子中存在的官能团。
- 指纹区（Fingerprint Region，约1500-400 cm⁻¹）： 这个区域的吸收峰是由复杂的弯曲振动和分子整体骨架振动引起的，峰形多且相互重叠，对分子结构的变化极其敏感，因此被认为是分子的“指纹”，具有高度特异性，常用于精确鉴别和区分异构体。
- 吸收峰： 每个吸收峰的位置（波数）、强度和宽度都携带了关于分子结构和环境的重要信息。
为什么需要红外光谱法？——无与伦比的“指纹”识别能力
独特优势
红外光谱法之所以成为分析化学中不可或缺的工具，原因在于其多方面的优势：
- 快速、非破坏性： 大多数样品可在几秒到几分钟内完成测试，且不对样品造成化学或物理损伤，样品可以回收。
- 普适性强： 几乎所有有机化合物和许多无机化合物都具有红外活性。
- 信息丰富： 能提供分子的官能团信息、分子骨架结构信息，甚至可以用于定性和定量分析。
- 样品制备简单： 对于许多样品，特别是通过ATR附件，几乎无需复杂的样品前处理。
- 原位监测能力： 结合特殊附件，可在反应过程中实时监测物质变化。
分子振动与红外吸收的物理基础
分子并非静止的，其内部原子会不断进行振动。这些振动可以被量子化为一系列离散的能级。当红外光的频率与分子振动能级之间的能量差相匹配时，分子便会吸收光子，从较低的振动能级跃迁到较高的振动能级。
偶极矩变化是核心： 只有当分子的振动导致其瞬时偶极矩发生变化时，才能与红外光电磁波的电场部分发生相互作用，从而吸收红外光。例如，CO₂分子中对称的伸缩振动虽然改变了键长，但由于两个C=O键的偶极矩变化方向相反且大小相等，总偶极矩没有净变化，因此该振动模式是红外非活性的；而非对称伸缩振动则会导致偶极矩变化，从而具有红外活性。
傅里叶变换（FTIR）的优势
相较于早期的色散型红外光谱仪，傅里叶变换红外光谱仪（FTIR）具有显著优势，使其成为主流：
- 多路复用优势（Fellgett’s Advantage）： FTIR同时检测所有频率的光，而不是逐个频率扫描。这意味着在相同时间内，FTIR能收集到更多的信息，从而大大提高了信噪比（S/N）和测量速度。
- 高通量优势（Jacquinot’s Advantage）： FTIR使用干涉仪，没有狭缝，因此能够允许更多的光通过，到达检测器，再次提高了信噪比。
- 精度优势（Connes’ Advantage）： 使用He-Ne激光器作为内部校准参考，可以精确地测量可动镜的位移，从而确保波数标尺的极高准确性和重现性。
- 速度快： 可以在极短时间内完成一次扫描（如几秒），适合实时监测和快速样品分析。
红外光谱法用在哪里？——遍布各行各业的“侦探”
广泛应用领域
红外光谱法因其多功能性，已渗透到以下多个领域：
- 有机化学与聚合物科学： 结构鉴定、反应监测、聚合物组成分析、共聚物比例、交联度、降解产物分析。
- 制药工业： 原料药（API）及辅料的质量控制、药物纯度鉴定、多晶型分析、药物降解产物研究、片剂包衣均匀性检测。
- 材料科学： 复合材料组分分析、表面分析、薄膜特性研究、涂层检测、纳米材料表征。
- 石油化工： 石油产品组分分析、润滑油氧化程度、燃料添加剂检测、聚合物添加剂分析。
- 食品科学与农业： 食品成分（脂肪、蛋白质、碳水化合物）分析、掺假检测、农产品质量评估、农药残留检测（间接）。
- 环境科学： 水体、土壤、空气污染物监测、微塑料识别、废弃物分类。
- 法医学： 毒品鉴定、纤维、油漆、墨水等痕迹物证分析。
- 艺术品与文物保护： 颜料、粘合剂、涂层等材料的鉴定，评估文物保存状况。
- 生物科学： 蛋白质二级结构分析、脂质膜相变研究、细胞组分分析、微生物鉴定。
具体的应用实例
聚合物鉴定与质量控制
在塑料回收行业，红外光谱法能快速准确地识别混合塑料中的不同种类，如将聚乙烯(PE)与聚丙烯(PP)或聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)区分开来，因为它们具有独特的“指纹区”吸收峰。这对于后续的分类和再利用至关重要。
药物纯度与多晶型分析
制药公司利用红外光谱法来验证药物原料的纯度，并监测生产过程中是否引入杂质。更重要的是，它能够区分同一化合物的不同晶型（多晶型），因为不同的晶体结构会导致晶格振动和分子间相互作用的微小差异，从而体现在红外光谱的波数和峰形上，这对于药物的稳定性、溶解度和生物利用度有着重要影响。
油品分析
在汽车和机械维护中，润滑油的红外光谱可以揭示其氧化程度、硝化产物、水含量、燃油稀释以及磨损颗粒的存在，从而评估润滑油的使用寿命和发动机的健康状况。例如，C=O伸缩振动峰的增强通常指示氧化产物的积累。
刑事物证分析
法医实验室常使用微区红外光谱仪来分析微量物证，如衣服上的微小纤维、车祸现场的油漆碎片、毒品粉末或爆炸物残留。通过与标准谱图库进行比对，可以快速确定物质的化学性质，为案件侦破提供关键线索。
关于样品与测试的“多少”与“如何”？——精细操作的艺术
样品制备与用量
红外光谱法的样品制备方法多样，旨在使红外光能有效穿透样品。所需的样品量通常很少。
- 液体样品：
- 薄膜法： 将一滴液体直接滴在两片红外透光晶片（如NaCl、KBr、BaF₂等，因其在红外区无吸收）之间，形成薄膜。用量极少，通常只需几微升。
- 液体池法： 对于挥发性液体或需要精确厚度的，使用带有固定光程的液体池。
- 溶液法： 将样品溶解在合适的红外透光溶剂（如CCl₄、CS₂等，但需注意溶剂自身的吸收峰）中，放入液体池。
- 固体样品：
- KBr压片法： 将少量固体样品（通常1-5 mg）与100-200 mg干燥的KBr粉末在玛瑙研钵中充分研磨均匀，然后放入压片模具中，在高压下压制成透明或半透明的薄片。KBr自身在红外区不吸收。
- 糊状法（Nujol Mull）： 将少量固体样品与几滴高纯度的矿物油（Nujol）研磨成糊状，涂抹在红外晶片上。需注意Nujol自身在C-H键区域有吸收峰，会干扰样品在该区域的信息。
- 衰减全反射（ATR）法： 最常用且简便的方法。 将固体或液体样品直接紧密地压在ATR晶体（如金刚石、ZnSe、Ge等）表面。红外光在晶体内部全反射时，会产生一个倏逝波穿透到样品表面几微米深，被样品吸收。几乎不需要样品制备，样品量只需“指甲盖大小”或几微升。
- 漫反射（DRIFTS）法： 适用于粉末样品。将样品与KBr粉末混合（或直接测试），红外光照射到样品表面后，发生漫反射，被收集并检测。通常用于分析粗糙表面、涂层或粉末。
- 气体样品：
- 气体池法： 将气体样品导入具有长光程（通常10 cm到几米甚至几十米，通过多次反射实现）的气体池中进行测量。
测试耗时与分辨率
* 测试耗时：
* 单次扫描时间：现代FTIR通常只需几秒钟（如10-30秒）即可完成一次高分辨率的扫描。
* 数据累加：为了提高信噪比，通常会进行多次扫描累加（如32次、64次甚至更多），总耗时也仅在数分钟之内。
* 分辨率：
* 波数分辨率：常见的FTIR仪器的分辨率可在0.5 cm⁻¹到16 cm⁻¹之间选择，标准测试通常设定为4 cm⁻¹。更高的分辨率可以区分更接近的吸收峰，但会增加扫描时间和降低信噪比。
* 检测限： 红外光谱法通常不是痕量分析的首选，其检测限一般在百分之几到千分之几的浓度范围，更适用于主要组分或特定官能团的定性、半定量和定量分析。
谱图解读与分析
解读红外光谱图是获取分子结构信息的关键步骤，通常遵循以下流程：
- 概览全图： 首先观察整个谱图的特征，判断是简单的还是复杂的分子。
- 关注官能团区（4000-1500 cm⁻¹）：
- O-H伸缩振动： 3650-3200 cm⁻¹（醇、酚），宽而强烈的峰（氢键）；3600 cm⁻¹（游离O-H），尖锐。
- N-H伸缩振动： 3500-3300 cm⁻¹（胺、酰胺），伯胺有双峰，仲胺有单峰。
- C-H伸缩振动： 3300-2700 cm⁻¹（炔烃C≡C-H在~3300，烯烃C=C-H在~3100-3000，饱和烷烃C-H在~2960-2850）。
- C≡C和C≡N伸缩振动： 2260-2100 cm⁻¹（炔烃、腈），通常是中等强度窄峰。
- C=O伸缩振动： 1850-1650 cm⁻¹（醛、酮、羧酸、酯、酰胺等），通常是非常强烈的吸收峰，是羰基化合物的标志。峰位受共轭、环张力、氢键等影响。
- C=C伸缩振动： 1680-1620 cm⁻¹（烯烃）；1600-1450 cm⁻¹（芳香族，常有多个峰）。
- 分析指纹区（1500-400 cm⁻¹）： 这个区域的峰虽然难以单独归属，但对特定分子具有唯一性。通过与已知化合物的谱图或谱库进行比对，可以实现精确的分子鉴定。
- 结合其他信息： 红外光谱法通常与其他分析技术（如核磁共振NMR、质谱MS、紫外-可见光谱UV-Vis）结合使用，以获得更全面的结构信息。
- 谱库匹配： 现代软件通常内置或可加载庞大的标准红外谱图库。通过算法将待测样品谱图与库中谱图进行比对，可以快速识别未知化合物。
红外光谱法的类型与操作细节——多样化的“视角”
常见测试模式与技术
除了标准的透射（Transmission）模式，红外光谱法还发展出多种高级测试技术，以适应不同样品和分析需求：
- 衰减全反射红外光谱（ATR-IR）：
* 原理： 利用光的全反射原理，当红外光在ATR晶体内部全反射时，会在晶体表面产生倏逝波，穿透样品表面约0.5-5微米。
* 应用： 适用于固体、液体、凝胶、浆状物等几乎所有类型的样品，无需或仅需极少量样品前处理，对不透明或厚样品尤其方便。例如，直接测试聚合物薄膜、药片表面、油漆层、甚至水果表皮。 - 漫反射红外光谱（DRIFTS）：
* 原理： 红外光照射到不透明粉末或粗糙固体样品表面时，一部分光会深入样品内部并被吸收，然后以漫反射的形式射出。
* 应用： 适用于粉末、土壤、催化剂、涂层、纸张、织物等样品，可用于定性、定量分析和反应监测。 - 显微红外光谱（Micro-IR）：
* 原理： 将红外光谱仪与光学显微镜结合，通过聚焦红外光束到微小区域（通常几十微米），并收集来自该微区的红外光谱。
* 应用： 适用于微量样品分析（如法医物证、异物分析）、样品不均匀性分析、层状结构分析。 - 气相色谱-红外联用（GC-IR）：
* 原理： 将气相色谱仪（GC）的分离能力与红外光谱仪的结构鉴定能力结合。GC将混合物分离成单一组分，然后每个组分依次进入IR检测器进行光谱分析。
* 应用： 复杂有机混合物的组分分离与鉴定，如香精、香料、药物代谢产物、环境污染物等。 - 热重分析-红外联用（TGA-IR）：
* 原理： 将热重分析仪（TGA）与红外光谱仪联用，TGA在加热过程中测量样品质量变化，同时将样品分解产生的挥发性气体导入IR检测器进行实时分析。
* 应用： 聚合物热分解机理研究、材料热稳定性评估、分析聚合物中添加剂的挥发或分解产物。
日常操作与维护要点
为了确保红外光谱仪的长期稳定运行和数据准确性，日常操作与维护至关重要：
- 环境控制： 保持实验室环境清洁、干燥，避免高湿度和灰尘。许多红外晶体（如KBr、NaCl）易吸潮，导致晶体混浊，影响透光率。因此，仪器内部通常会放置干燥剂（如分子筛）。
- 背景扫描： 每次测试样品前，必须进行背景扫描（不放样品或放空白衬底），以消除空气中CO₂和水蒸气的吸收以及仪器本身的影响。
- 校准： 定期使用聚苯乙烯标准膜进行波数校准和仪器性能检查，确保波数的准确性。
- 检测器维护： 对于MCT检测器，每次使用前需加注液氮冷却。
- 光学元件清洁： 定期用专用擦镜纸或无尘布轻轻擦拭ATR晶体和样品仓的光学表面，避免刮伤。
- 干燥剂更换： 定期检查仪器内部的干燥剂状态，及时更换变色或失效的干燥剂。
与其他光谱技术的比较
红外光谱法与其他光谱技术各有侧重，常常结合使用以提供更全面的信息：
- 与拉曼光谱（Raman Spectroscopy）：
- 互补性： 红外和拉曼光谱都是基于分子振动，但它们的选择定则不同。红外活跃的振动通常涉及到偶极矩变化，而拉曼活跃的振动涉及到分子极化率的变化。这意味着红外不活泼的振动在拉曼中可能很强，反之亦然。例如，对称的C=C双键在红外中吸收弱或不吸收，但在拉曼中可能很强。
- 水处理： 水在红外区有强吸收，因此IR不适合水溶液样品；而水在拉曼光谱中信号很弱，因此拉曼是水溶液分析的理想选择。
- 样品破坏： 拉曼光谱有时会引起荧光干扰或样品发热。
- 与核磁共振光谱（NMR Spectroscopy）：
- 信息类型： 红外主要提供官能团信息和分子骨架振动信息。NMR（¹H NMR, ¹³C NMR等）则提供更详细的分子拓扑结构信息，如氢原子和碳原子的化学位移、偶合常数、相对数量等，是解析未知化合物结构最强大的工具。
- 样品要求： NMR通常需要较高浓度的样品溶液，且需要使用氘代溶剂。红外对样品量要求较低，样品状态多样。
- 与紫外-可见光谱（UV-Vis Spectroscopy）：
- 原理： UV-Vis基于电子能级跃迁，主要用于检测共轭体系和π→π*、n→π*跃迁，提供有关共轭程度和显色团的信息。
- 应用： UV-Vis主要用于定量分析和监测，红外主要用于定性分析和结构鉴定。
通过对红外光谱法从“是什么”到“怎么”的多维度解析，我们可以看到这项技术在揭示分子奥秘、解决实际问题方面的强大能力和广泛前景。它并非仅仅是一种分析手段，更是我们深入理解物质世界微观构成的有力工具。
