紅外光譜學

紅外光譜學是光譜學中研究電磁波紅外部分的分支。它包括了許多技術，到目前為止最常用的是吸收光譜學。同所有的分光鏡技術一樣，它可以被用來鑑別一種化合物和研究樣品的成分。紅外光譜學相關表見於文獻，方便查找。

理論

化學鍵的振動是量子化的。分子會吸收特定頻率的紅外線，使化學鍵由振動基態躍遷至激發態（通常是第一激發態）。在通常狀態下，分子的所有共價鍵幾乎全部處于振動的基態。化學鍵的振動可用簡諧振子近似，所以欲使化學鍵振動能級發生改變，吸收光的波數應為：

${\displaystyle \nu ={\frac {1}{2\pi c}}{\sqrt {\frac {k}{\mu }}}}$

其中${\displaystyle \pi }$為圓周率，${\displaystyle c}$為真空中光速，${\displaystyle k}$為化學鍵的「勁度係數」，${\displaystyle \mu }$為約化質量。約化質量由下式給出：

${\displaystyle \mu ={\frac {m_{A}m_{B}}{m_{A}+m_{B}}}}$

其中${\displaystyle m_{A}}$和${\displaystyle m_{B}}$分別為成鍵原子${\displaystyle A}$和${\displaystyle B}$的質量。不同的化學鍵，隨着成鍵原子的不同，約化質量也會不同；而即使對於相同的成鍵原子，由於化學鍵性質不同（比如碳碳雙鍵和碳碳單鍵），其「勁度係數」也會不同。故而不同化學鍵會有不同的特徵頻率。

一個分子的總自由度為3N（N為分子中原子的數量）。其中平移自由度為3，分別對應對於x、y和z三個方向；同樣的，旋轉自由度亦為3。所以對於非線型分子，其振動模式（vibrational mode）的數量為3N-6。由於繞鍵軸旋轉不計入旋轉自由度，對於線型分子，振動模式的數量為3N-5。簡單的雙原子分子只有一種振動模式，那就是伸縮。更複雜的分子，其振動方式也更為複雜。例如亞甲基中的碳氫鍵，就可以以 「對稱伸縮」、「非對稱伸縮」、「剪刀式擺動」、「左右搖擺」、「前後搖擺」和「扭擺」六種方式振動（見下圖）。

對稱伸縮	非對稱伸縮
剪刀式擺動	左右搖擺
前後搖擺	扭擺

一般地，紅外光譜上的信號數量應與分子的振動模式數量相同，但分子的振動模式若為紅外活躍，必須能使分子偶極矩改變；所以並不是所有的振動模式都能在紅外光譜中被觀察到。此外，不同振動模式之間可以耦合，並在紅外光譜上顯示信號。

測量樣品時，一束紅外光穿過樣品，各個波長上的能量吸收被記錄下來。這可以由連續改變使用的單色波長來實現，也可以用傅立葉變換來一次測量所有的波長。這樣的話，透射光譜或吸收光譜或被記錄下來，顯示出被樣品紅外吸收的波長，從而可以分析出樣品中包含的化學鍵。

這種技術專門用在共價鍵的分析。如果樣品的紅外活躍鍵少、純度高，得到的光譜會相當清晰，效果好。更加複雜的分子結構會導致更多的鍵吸收，從而得到複雜的光譜。但是，這項技術還是用在了非常複雜的混合物的定性研究當中。

實用紅外光譜

該技術通常用於分析具有共價鍵的樣品。 具有很少的IR活性鍵和高純度的樣品中可獲得簡單光譜。 更複雜的分子結構會造成更多的吸收帶和更複雜的光譜。

樣品製備

固態樣品可溶解於有機溶劑如二氯甲烷、氯仿或甲苯中，獲取光譜前先掃描相應的純溶劑獲得背景光譜，再掃描含有樣品的溶液，通過計算機處理即可獲得樣品的紅外光譜。也可將樣品與礦物油混合研磨製成糊狀物進行掃描。還可以將樣品與溴化鉀研碎混合充分混合後壓片進行掃描。 液態樣品可以直接通過掃描獲取紅外光譜，也可以製成溶液後進行掃描。

與參考值對照

FTIR

典型方法

在有機分子中吸收鍵的總結

運用

傅立葉變化紅外光譜學

傅里葉變換紅外光譜學（FTIR）是一種極為有效的記錄紅外光譜信號的測量手段。紅外光穿過干涉儀裝置後再經過樣品（反之亦然）。干涉儀中的一面前後移動的鏡子改變紅外光中的波長分布。經過此裝置的後收集到的紅外譜圖被稱為「干涉圖」，代表着此時收集到的光是一組隨時間變化的信號。經過數據處理，傅里葉變換將原始信號數據轉換為所需的紅外光譜圖，即一組隨波數（或波長）變化的光信號。要得到樣品的光譜，還需要一個背景作為參照。

另見

紅外光譜學相關表

外部鍵接

Infrared Spectroscopy （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）（英文）. 基團的基團頻率和振動形式