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紅外光竟然能鑒定物質結構？ 紅外光譜解析

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紅外光譜分析(紅外光真的能識別物質結構嗎？)
一般來說，世界上所有的物質都在運動 。除了人們可以直接觀察到的宏觀運動，如流動的河流、疾馳的汽車等 。，還有構成物質的分子和原子的微觀運動 。這些運動很難直接觀察或捕捉到，通常通過間接的方式來認識和研究，比如做飯時滿屋的香味(氣味分子的擴散運動) 。微觀世界的物質運動和宏觀現象一樣，必然伴隨著能量的變化和轉移 。這些變化與電磁波直接相關，可以用一個簡單的關系式來表示，即普朗克定律:
其中是能量的變換值，H是普朗克常數和電磁波的頻率 。
電磁波是以波的形式傳播的電磁場 。將對應的電磁波按照波長或頻率的順序排列，就是電磁波譜(如下圖) 。根據波長、頻率和波源的不同，電磁波譜大致可以分為:γ射線、X射線、紫外線、可見光、紅外線、微波和無線電波，本文將介紹利用紅外輻射進行紅外光譜分析 。
【紅外光竟然能鑒定物質結構？ 紅外光譜解析】當分子振動時，它們也旋轉 。紅外吸收光譜是由分子振動能級躍遷(伴隨著轉動能級躍遷)產生的，實際上是分子振動和轉動的疊加，所以也叫分子振動轉動光譜 。接下來，讓我們踏上探索紅外吸收光譜形成過程的旅程 。
和可見光一樣，紅外輻射可以是a，從物質表面反射b，被物質吸收c，穿透物質(如下圖) 。
材料吸收電磁輻射應滿足兩個條件:
(1)輻射應該具有剛好足以滿足物質躍遷的能量；
(2)輻射與物質之間存在相互作用 。
當分子受到一定頻率(一定能量)的紅外光照射時，如果分子中某個基團的振動頻率與紅外輻射的振動頻率相同，則滿足第一個條件 。為了滿足第二個條件，分子的偶極矩必須改變 。什么是偶極矩？我們知道，任何分子整體都是電中性的，但分子中的每個原子由于獲得或失去外層電子的難易程度不同，表現出不同的電負性，使得分子表現出不同的極性 。我們通常用偶極矩μ來表示分子極性的大小(如下圖所示):
只有偶極矩變化的振動才能產生可觀測的紅外吸收光譜 。因為d的瞬時值是不斷變化的，分子的偶極矩μ也隨之變化 。當用一定頻率的紅外光照射分子時，如果分子中某一基團的振動頻率與其相同，那么這兩個基團就會發生共振 。此時光的能量通過分子偶極矩的變化傳遞到分子中，增加了基團的振動能量，振幅增大，于是基團吸收一定頻率的紅外光，產生振動躍遷 。
用頻率連續變化的紅外光照射分子時，如果紅外光的振動頻率與分子中各基團的振動頻率不同，這部分紅外光就不會被吸收(如上圖) 。這樣，由于穿過分子的紅外光被吸收的方式不同，在某些波長范圍內被部分吸收后減弱，而在其他波長范圍內不被吸收 。樣品的紅外吸收光譜可以通過用傅里葉變換紅外光譜儀記錄分子吸收的紅外光來獲得 。下圖是傅里葉變換紅外光譜儀記錄紅外光譜的過程:
通過這些紅外吸收光譜，我們可以分析物質的結構，獲得有用的結構信息 。那么具體怎么看呢？
分子中原子的基本振動形式有兩種，即伸縮振動和角振動，其中角振動包括彎曲振動和形變振動 。如果我們把分子比作兩個用彈簧連接的剛性球(如下圖)，那么彈簧的長度就代表了化學鍵的長度 。
對于雙原子分子，拉伸振動只有一種形式，即兩個小球在同一直線上來回拉伸；對于多原子分子，有多種振動形式，如H2O分子的對稱伸縮振動、反對稱伸縮振動和彎曲(變形)振動(圖1)，以及甲基的伸縮振動和不同種類的彎曲(變形)振動(圖2) 。
圖1水分子的紅外光譜
圖2甲基的振動形式
紅外光譜為了表達方便，用波長λ(單位微米)和波數(單位cm-1)來表征 。波數是波長的倒數，表示每厘米光波的波數 。波數和波長之間的關系是:
v(厘米-1)=1/λ(厘米)=10000/λ(微米)
傳統上，根據紅外波長，紅外光譜分為三個區域:近紅外區、中紅外區和遠紅外區 。三個區域的波長和波數范圍如下圖所示:
其中，近紅外光譜是由分子的倍頻和組合產生的；中紅外光譜屬于分子的基頻振動光譜；遠紅外光譜屬于分子的旋轉光譜和某些基團的振動光譜 。因為大部分有機物和無機物的基頻吸收帶都出現在中紅外區，所以中紅外區是研究和應用最多、數據積累最多、儀器技術最成熟的區域 。
我們通常所說的紅外光譜是指波長在2.5-25 μm之間的中紅外光譜，就像每個人的指紋不同一樣，每個化合物都有自己的“指紋”——紅外光譜，其最重要的應用是中紅外區域的有機化合物的結構鑒定 。與標準譜圖比較，可以確定化合物的結構 。對于未知樣品，可以通過官能團、順反異構化、取代基位置、氫鍵、絡合物形成等結構信息來推斷結構 。紅外光譜、紫外光譜、質譜、核磁共振并稱為物質結構分析的“四大光譜”，是儀器分析中重要的分析手段之一 。

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