红外光谱分析
出处：按学科分类—工业技术 企业管理出版社《计量专业工程师手册》第636页（3218字）
1．简介
物质分子有选择地吸收了辐射光的能量，引起分子内部振动能级和转动能级的跃迁，用光谱仪器记录下能量随波长变化的过程，便得到了物质的红外吸收光谱。
红外光谱法研究在振动中伴随有偶极矩变化的化合物，除了单原子和同核分子外(Ne，He，O2，N2等)，几乎所有的有机化合物在红外区都有吸收。红外吸收带的波长位置与吸收谱带的强度，反映了分子结构的特点，可以用来鉴定未知物结构、组成或确定其化学基团，吸收谱带的强度与分子组成或化学基团的含量有关，因此可以进行定量分析和纯度测定。
红外光谱区处于可见光和微波区之间，波长范围在0．75～1000μm。根据仪器技术和应用不同，又分近红外区(0．75～2．5μm)，中红外区(2．5～25μm)，和远红外区(25～1000μm)。近红外区的谱带是由低能电子跃迁、含氧原子团伸缩振动的倍频吸收产生的，因而此区光谱适合研究烯土和过渡金属化合物，适合水、醇和某些高分子化合物及含氢原子团化合物的定量分析。绝大多数有机化合物和无机离子的基频吸收带出现在中红外光区。由于基频振动是红外光谱中吸收最强的振动，所以该区适合进行红外光谱的定性定量分析。远红外区的吸收带主要由气体分子中的纯转动跃迁、振动一转动跃迁，液体和固体中重原子的伸缩振动、某些变角振动、骨架振动及晶格振动引起的，所以对异构体的研究特别方便。
2．红外光谱仪的主要特性及检定
红外分光光度计由光源、单色器、液槽、检测器和记录仪等部份构成。图12．10－7是其结构方框图。
1．光源；2．样品池；3．单色器；4．检测器；5．放大器；6．记录器
图12．10－7 红外分光光度计构成示意图
(1)光源。中红外区较实用的光源主要有硅碳棒和能斯特灯，硅碳棒的工作温度在1200～1400℃，发光面积大，价格便宜，操作方便。能斯特灯是由混合的烯土金属氧化物制成，工作温度为1750℃，它寿命长、稳定性好，但不如硅碳棒操作方便。
(2)单色器。红外分光光度计的单色器是指从入口狭缝到出口狭缝这段光程中包含的部份，其功能是把通过样品池和参比池进入入射狭缝的复合光色散成单色光，再射到检测器上。色散元件主要有棱镜和光栅，因光栅分辨好，价格便宜，因此目前多被采用。
(3)检测器。红外分光光度计的检测器主要有高真空热电偶，测热辐射计和气体检测计，此外还有光电导池、热释电检测器等。
目前使用最广的红外分光光度计是双光束红外分光光度计，结构示意图如图12．10－8。自光源发出的光束对称地分为两束，一束透过样品池，另一束透过参比池，两光束经半园扇形镜调制后进入单色器，再交替落到检测器上。产生交流电信号输送出来。
S－光源；A－光阑；G－光栅；D－探测器；S1、S2－狭路；M1～M8－反射镜；R－样品室；R′－参考室
图12．10－8 双光束红外分光光度计
傅利叶红外分光光度计是近年发展起来的第三代红外分光光度计，图12．10－9是其结构示意图。它与色散型的红外分光光度计的主要区别在于干涉计和电子计标机两部份。仪器中的迈克尔逊干涉计的作用是使由光源发出的两束光，经过不同的路程后再聚到某一点上时发生干涉现象。干涉强度I(s)，对光程差s(或时间t)和辐射频率呈图12．10－4函数关系，若将被测样品放入光路中，样品吸收了某些频率的能量，干涉图发生了变化，这样的谱必须经过傅利叶变换，才能得到吸收强度随频率变化的普通红外谱图，这种变化处理比较麻烦，因此需借助计算机。
R－光源；B－光束分裂器；F－固定镜；M1－动镜；S－样品池；D－探测器；A－放大器；F′－滤光器；A／D－模数转换器；D／A－数模转换器；CPU－计算机；P－打印机；R′－显示及记录；Ⅰ－干涉图；I′－光谱图
图12．10－9 傅里叶变换红外分光光度计构成示意图
(a)单色光干涉图；(b)叠加后的干涉图；(c)复合光干涉图的叠加。
图12．10－10 干涉谱图
傅利叶红外分光光度计的特点是扫描速度快、测量时间短；分辨率能达到0．01cm－1，灵敏度高(10－9－10－12g)，重复性能达0．1%，杂散光小于0．01%。测定光谱范围为1000－10cm－1，是近代化学研究不可缺少的基本设备之一。
红外光谱在化学领域中的应用是多方面的，不仅用于分子结构的基础研究，而且广泛地用于化合物的定性、定量分析和反应机理的研究等。为了保证分析结果的准确、可靠性，红外光谱仪应根据计量检定规程定期检定，检定的主要项目及技术指标如下：
①波数正确度与重复性
②透射比正确度和重复性
③分辨率(分辨深度≥1%)
④杂散辐射
注：仪器按波数范围分为A、B、C类。A类为4000～650cm－1，B类为4000～400cm－1，C类为4000～200cm－1。
此外还有仪器噪声，100%线的平直度等项目，检定条件及检定方法请参看JJG681－90色散型红外分光光度计检定规程。
【参考文献】：
［1］王江主编，现代计量测试技术，中国计量出版社，1990。
［2］鲁绍曾主编，现代计量学概论，中国计量出版社，1987。
［3］全浩主编，标准物质及应用技术，中国标准出版社，1990。
［4］潘秀荣编，分析化学准确度的保证和评价，中国计量出版社，1985。
［5］陈复生主编，精密分析仪器及应用，四川科学技术出版社，1988。
［6］赵藻藩等编，仪器分析，高等教育出版社，1988。
［7］国家技术监督局，国家计量检定规程汇编，化学(一)、(二)，中国计量出版社，1989。
［8］罗涤明，计量技术，1993年第6期。
［9］罗涤明，计量技术，1994年第8期。