红外光谱（Infrared Spectroscopy, IR） 是一种常用于研究分子结构和化学成分的分析技术，通过测量分子对红外光的吸收，能够提供关于分子振动和转动的信息。红外光谱技术在化学分析、材料科学、生物医学等多个领域有广泛的应用。红外光谱主要包括两种类型：经典红外光谱（IR） 和 傅立叶变换红外光谱（Fourier Transform Infrared Spectroscopy, FTIR）。

红外光谱的基本原理

红外光谱的基本原理是分子振动的特征频率。当分子吸收特定频率的红外光时，分子中的化学键会发生振动和转动。由于不同的化学键有特定的振动频率，不同化学键的吸收光谱具有特征性，可以根据吸收峰的位置和强度来推测分子的结构和成分。

红外区通常分为三个波段：

• 近红外（NIR）：700 nm - 2500 nm (14300 - 4000 cm⁻¹)

• 中红外（MIR）：2500 nm - 25000 nm (4000 - 400 cm⁻¹)，这是最常用的分析波段。

• 远红外（FIR）：25000 nm - 1 mm (400 - 10 cm⁻¹)

在红外光谱中，常常用波数（cm⁻¹）来表示光的频率，波数与波长的关系为：

波数(cm⁻¹)=1波长(cm)\text{波数(cm⁻¹)} = \frac{1}{\text{波长(cm)}}波数(cm⁻¹)=波长(cm)1

经典红外光谱（IR）

传统的红外光谱技术使用单色光通过样品，逐渐改变入射光的波长，记录样品对每个波长的吸收。这种方法相对较慢，但可以产生样品中分子振动的吸收图谱。这种方法虽然直观，但随着技术的发展逐渐被傅立叶变换红外光谱（FTIR）取代。

傅立叶变换红外光谱（FTIR）

傅立叶变换红外光谱（FTIR） 是当前红外光谱分析中最常用的方法，它通过一种复杂的数学方法（傅立叶变换）来处理红外吸收信号，极大地提高了测量速度、灵敏度和信噪比。

FTIR 的工作原理

FTIR 的核心部件是 干涉仪（Michelson 干涉仪），而非传统的单色仪。FTIR 通过干涉仪将宽谱红外光束分成两条路径，并以不同的光程差合并，产生干涉图。样品吸收不同波长的红外光后，检测器接收到一个包含所有频率信息的干涉信号。通过傅立叶变换，将这些复杂的干涉数据转换成样品的吸收光谱。

FTIR 的主要工作流程如下：

1. 光源发射宽带红外光，涵盖所有目标波长。

2. 干涉仪分光，生成干涉光束，这个光束被射到样品上。

3. 样品吸收光：样品会吸收特定波长的红外光。

4. 检测器记录干涉信号：包含所有波长的复合信号。

5. 傅立叶变换处理数据：将复合信号转换成光谱图，展示每种频率的吸收情况。

FTIR 的优点

1. 快速测量：由于干涉仪可以同时获取所有波长的数据，FTIR 的扫描速度非常快。

2. 高分辨率和信噪比：FTIR 技术通过累加多次扫描来提高信号强度，得到更高的信噪比和分辨率。

3. 波长范围广：可以覆盖从近红外到远红外的宽波段。

4. 无需机械扫描：传统的单色仪需要机械调节光栅进行扫描，而 FTIR 使用干涉仪，没有移动部件，稳定性更好。

IR/FTIR 光谱的应用

1. 有机化学分析

FTIR 常用于确定有机化合物的分子结构。不同的官能团（如羰基、羟基、胺基等）在特定波数下产生特征吸收峰，可以通过这些吸收峰来判断分子中的官能团类型。例如：

• C-H 伸缩振动：通常在 2850-3000 cm⁻¹ 之间。

• O-H 伸缩振动：通常在 3200-3600 cm⁻¹ 之间，典型的羟基吸收带宽而强。

• C=O 伸缩振动：通常在 1650-1750 cm⁻¹ 之间，羰基的吸收峰尖锐且强烈。

2. 高分子材料

红外光谱可以用于研究高分子材料中的分子链结构和化学成分。通过分析不同波段的吸收，可以检测出材料中存在的单体、添加剂、杂质等信息。此外，FTIR 还可以用于监测高分子材料的降解、交联和老化过程。

3. 医药与生物

FTIR 可以用于分析生物样品中的蛋白质、脂类和多糖等生物分子的结构。例如，蛋白质的二级结构（如 α-螺旋、β-折叠等）会在红外区产生特征吸收峰。此外，FTIR 在药物开发中也可以用于确定药物中的杂质、成分均匀性和药物-载体相互作用。

4. 环境检测

红外光谱常用于环境样品的检测，例如空气中的有机污染物。通过 FTIR，可以直接测量气体样品中某些有害物质的浓度，如二氧化碳（CO₂）、一氧化碳（CO）和甲烷（CH₄）等。

5. 食品和农业

FTIR 在食品工业中被广泛用于检测食品成分和食品质量。例如，可以测定食品中的水分、脂肪、蛋白质和糖分含量。在农业领域，FTIR 可以用于检测土壤中的有机物和营养成分。

IR/FTIR 光谱的优缺点

优点

1. 快速和高效：FTIR 可以在几秒钟内获得光谱数据。

2. 非破坏性检测：FTIR 对样品的破坏极小，适合需要保留样品的分析场景。

3. 灵敏度高：FTIR 可以检测低浓度的样品，尤其适用于定性分析。

4. 适用广泛的样品形态：可以分析气体、液体、固体等多种样品形式。

缺点

1. 样品制备要求高：尽管 FTIR 能分析多种样品形式，但一些样品需要特定的制备过程，如需要将样品溶解或混合于某些惰性基质中（如KBr片制样）以获得理想的光谱结果。

2. 定量分析难度大：FTIR 对定量分析的精确性较差，主要用于定性分析。

3. 水的干扰：水分子在红外区有强烈的吸收，可能干扰其他成分的分析，因此在水分含量高的样品中需要谨慎处理。

总结

红外光谱（IR），尤其是傅立叶变换红外光谱（FTIR），是分析分子结构和化学成分的重要工具。它在有机化合物、高分子材料、生物医学和环境监测等领域有广泛的应用。FTIR 的优势在于其高分辨率、快速测量和广泛的样品适应性，使其成为现代实验室分析中不可或缺的技术。