红外反射光谱原理实验技术及应用

红外吸收光谱（IR）的基本原理及应用一、红外吸收光谱的历史太阳光透过三棱镜时，能够分解成红、橙、黄、绿、蓝、紫的光谱带；1800年，发现在红光的外面，温度会升高。

这样就发现了具有热效应的红外线。

红外线和可见光一样，具有反射、色散、衍射、干涉、偏振等性质；它的传播速度和可见光一样，只是波长不同，是电磁波总谱中的一部分。

（图一）、波长范围在0.7微米到大约1000微米左右。

红外区又可以进一步划分为近红外区＜0.7到2微米，基频红外区（也称指纹区，2至25微米）和远红外区（25微米至1000微米）三个部分。

1881年以后，人们发现了物质对不同波长的红外线具有不同程度的吸收，二十世纪初，测量了各种无机物和有机物对红外辐射的吸收情况，并提出了物质吸收的辐射波长与化学结构的关系，逐渐积累了大量的资料；与此同时，分子的振动――转动光谱的研究逐步深入，确立了物质分子对红外光吸收的基本理论，为红外光谱学奠定了基础。

1940年以后，红外光谱成为化学和物理研究的重要工具。

今年来，干涉仪、计算机和激光光源和红外光谱相结合，诞生了计算机－红外分光光度计、傅立叶红外光谱仪和激光红外光谱仪，开创了崭新的红外光谱领域，促进了红外理论的发展和红外光谱的应用。

二、红外吸收的本质物质处于不停的运动状态之中，分子经光照射后，就吸收了光能，运动状态从基态跃迁到高能态的激发态。

分子的运动能量是量子化的，它不能占有任意的能量，被分子吸收的光子，其能量等于分子动能的两种能量级之差，否则不能被吸收。

分子所吸收的能量可由下式表示：E＝hυ＝hc/λ式中，E为光子的能量，h为普朗克常数，υ为光子的频率，c为光速，λ为波长。

由此可见，光子的能量与频率成正比，与波长成反比。

分子吸收光子以后，依光子能量的大小，可以引起转动、振动和电子能阶的跃迁，红外光谱就是由于分子的振动和转动引起的，又称振－转光谱。

把分子看成由弹簧和小球组成的结构。

小球代表原子或原子团，弹簧代表原子间的化学键。

原位衰减全反射表面增强红外光谱实验技术-概述说明以及解释1.引言1.1 概述概述原位衰减全反射表面增强红外光谱实验技术是一种重要的分析方法，广泛应用于材料科学、生物医学、环境科学等领域。

它通过将样品置于光波从反射材料到样品再到检测器的光路中，利用材料的全反射特性，将光波限制在较窄的范围内，从而增强红外光谱的信号强度。

这项技术将红外光谱分析的灵敏度和分辨率提高到一个新的水平，为科学研究和实际应用提供了更有力的工具。

在原位衰减全反射表面增强红外光谱实验技术中，样品被放置在一个具有高折射率的反射材料上，例如硅或锗。

当入射光线从高折射率的反射材料射入样品后，发生全反射的现象。

这样，红外光谱仅与样品接触的表面区域相互作用，使得红外谱图中的吸收峰更加明显。

同时，通过改变入射角度和光束的极化方向，我们可以更好地了解样品的物理和化学性质，涵盖更广泛的信息。

原位衰减全反射表面增强红外光谱实验技术具有许多优势。

首先，它不需要样品经过任何处理或制备过程，避免了可能引入的额外误差。

其次，由于红外光谱仅与样品表面相互作用，所需的样品量相对较少，节约了材料的使用成本。

此外，由于该技术具有较高的灵敏度和分辨率，可以检测到较低浓度和小量的样品。

因此，原位衰减全反射表面增强红外光谱实验技术成为了研究微观结构和相互作用的重要工具。

本文将详细介绍原位衰减全反射表面增强红外光谱实验技术的原理和原理解析，探讨其在各个领域中的应用和优势。

通过总结和评价该技术的研究进展，我们将为未来的发展方向提供展望，以期进一步推动这一领域的研究和应用。

1.2 文章结构文章结构部分的内容如下：本文将分为三大部分进行阐述，分别是引言、正文和结论。

具体结构如下所述：1. 引言部分：在引言部分中，首先将对原位衰减全反射表面增强红外光谱实验技术进行概述，介绍该技术的基本原理和应用背景。

然后，将说明文章的结构内容和各部分的目的。

2. 正文部分：正文部分将分为两个小节对原位衰减全反射表面增强红外光谱实验技术进行详细阐述。

红外反射光谱的原理和应用1. 概述红外反射光谱是一种常用的非破坏性表征材料特性的技术，通过测量材料在红外波段的反射能力，可以获得材料的结构、成分、表面特性等信息。

本文将介绍红外反射光谱的原理以及其在各个领域的应用。

2. 原理红外反射光谱的原理基于材料对红外辐射的吸收和反射。

当红外辐射照射到材料表面时，一部分能量被材料吸收，一部分能量被材料反射。

吸收和反射的能量在不同波数下表现出不同的特征，通过分析这些特征可以了解材料的性质。

3. 红外反射光谱的方法红外反射光谱的方法主要包括FT-IR反射光谱法和ATR（全反射法）。

3.1 FT-IR反射光谱法FT-IR反射光谱法是一种基于菲涅耳反射定律的方法，通过测量被测物料表面的反射光强来获取红外光谱图。

在实验中，通过将样品与金刚石压片接触，利用光学原理和光学组件将反射光转换成可观测的信号，进而进行数据分析。

3.2 ATR反射光谱法ATR反射光谱法是一种全反射原理的方法，通过将样品与一块具有高折射率晶体（例如锗或气体）的特殊棱镜接触，在样品与棱镜的接触界面上产生一定的入射角，并利用全反射现象来测量样品的红外光谱。

4. 红外反射光谱的应用红外反射光谱在各个领域都具有广泛的应用，以下列举了其中的几个应用领域。

4.1 材料科学红外反射光谱可用于分析和鉴定材料的成分、结构和表面状态。

在材料科学领域中，可以通过红外反射光谱来研究材料的晶体结构、氧化还原状态以及表面的化学反应等。

4.2 生物医学红外反射光谱在生物医学领域中被广泛应用于研究生物分子的结构和功能。

通过红外反射光谱技术，可以对生物蛋白质、核酸和药物等进行分析，从而加深对生物体的理解。

4.3 环境监测红外反射光谱可以应用于环境监测领域，通过对大气中气体的红外反射光谱进行分析，可以检测到悬浮颗粒物、有机物、大气污染物等。

4.4 食品安全红外反射光谱可以用于检测食品中的添加剂、污染物和成分分析。

通过对食品样品的红外光谱进行测量和分析，可以实现食品质量和安全性的监测。

红外光谱实验报告1.基本原理1.1概述红外光谱法⼜称“红外分光光度分析法”。

简称“IR”，是分⼦吸收光谱的⼀种。

它利⽤物质对红外光区的电磁辐射的选择性吸收来进⾏结构分析及对各种吸收红外光的化合物的定性和定量分析的⼀法。

被测物质的分⼦在红外线照射下，只吸收与其分⼦振动、转动频率相⼀致的红外光谱。

对红外光谱进⾏剖析，可对物质进⾏定性分析。

化合物分⼦中存在着许多原⼦团，各原⼦团被激发后，都会产⽣特征振动，其振动频率也必然反映在红外吸收光谱上。

据此可鉴定化合物中各种原⼦团，也可进⾏定量分析。

1.2⽅法原理1.2.1红外光谱产⽣条件每种分⼦都有由其组成和结构决定的独有的红外吸收光谱，据此可以对分⼦进⾏结构分析和鉴定。

红外吸收光谱是由分⼦不停地作振动和转动运动⽽产⽣的，分⼦振动是指分⼦中各原⼦在平衡位置附近作相对运动，多原⼦分⼦可组成多种振动图形。

当分⼦中各原⼦以同⼀频率、同⼀相位在平衡位置附近作简谐振动时，这种振动⽅式称简正振动（例如伸缩振动和变⾓振动）。

分⼦振动的能量与红外射线的光量⼦能量正好对应，因此当分⼦的振动状态改变时，就可以发射红外光谱，也可以因红外辐射激发分⼦⽽振动⽽产⽣红外吸收光谱。

分⼦的振动和转动的能量不是连续⽽是量⼦化的。

但由于在分⼦的振动跃迁过程中也常常伴随转动跃迁，使振动光谱呈带状。

所以分⼦的红外光谱属带状光谱。

分⼦越⼤，红外谱带也越多总之，要产⽣红外光谱需要具备以下两个条件：a.辐射应绝缘且能满⾜物质产⽣振动跃迁所需要的能量；b.辐射与物质见⼜相互耦合作⽤，分⼦啊在振动过程中必须有瞬间偶极矩的改变。

1.2.2应⽤范围红外光谱对样品的适⽤性相当⼴泛，固态、液态或⽓态样品都能⽤该⽅法进⾏分析，⽆机、有机、⾼分⼦化合物也都可检测。

红外光谱分析可⽤于研究分⼦的结构和化学键，也可以作为表征和鉴别化学物种的⽅法。

红外光谱具有⾼度特征性，可以采⽤与标准化合物的红外光谱对⽐的⽅法来做分析鉴定。

利⽤化学键的特征波数来鉴别化合物的类型，并可⽤于定量测定。

第三章红外光谱法3.1 引言红外光谱属于分子光谱，分子光谱是四大谱学之一。

红外光谱和核磁共振光谱，质谱，紫外光谱一样，是鉴别化合物和确定物质分子结构的常用手段之一。

红外光谱分析技术的优点之一是应用范围非常广泛，可以说，对于任何样品，只要样品的量足够多，都可以得到一张红外光谱。

对固体，液体或气体样品，对单一组分的纯净物和多组分的混合物都可以用红外光谱法测定。

对于不同的样品要采用不同的红外制样技术。

对于同一样品，也可以采用不同的制样技术。

采用不同的制样技术测试同一样品时，可能会得到不同的光谱。

因此，要根据测试目的和测试要求采用合适的制样方法，这样才能得到准确可靠的测试数据。

对单一组分或混合物中各组分也可以进行定量分析，尤其是对于一些较难分离并在紫外，可见光区找不到明显特征峰的样品也可以方便，迅速地完成定量分析。

3.2 方法原理红外吸收光谱分析方法主要是依据分子内部原子间的相对振动和分子转动等信息进行测定。

3．2．1 双原子分子的红外吸收频率分子振动可以看作是分子中的原子以平衡点为中心，以很小的振幅做周期性的振动。

这种分子振动的模型可以用经典的方法来模拟，化学键的振动类似于连接两个小球的弹簧，m1和m2分别代表两个小球的质量，即两个原子的质量，弹簧的长度就是分子化学键的长度。

上式中，ν是频率，Hz；к是化学键的力常数，g/s2; μ是原子的折合质量。

发生振动能级跃迁需要能量的大小取决于键两端原子的折合质量和键的力常数，即取决于分子的结构特征。

表某些键的伸缩力常数（毫达因/埃）键类型—C≡C —> —C =C —> —C — C —力常数15 ~ 17 9.5 ~ 9.9 4.5 ~ 5.6峰位 4.5μm 6.0 μm 7.0 μm化学键键强越强（即键的力常数K越大）原子折合质量越小，化学键的振动频率越大，吸收峰将出现在高波数区。

一般说来，单键的к=4×105~6×105 g/s2; 双键的к＝8×105~12×105 g/s2；三键的к=12×105~20×105 g/s2。

高级物理化学实验讲义实验项目名称：红外反射光谱原理、实验技术及应用编写人：苏文悦编写日期：2011-7-7一、实验目的（宋体四号字）1、了解并掌握FTIR-ATR、FTIR-DRS和FTIR-RAS等红外光谱表面分析技术的原理、实验技术及应用2、比较分析FTIR-ATR、FTIR-DRS和FTIR-RAS等红外光谱技术各自适用的样品、同一样品不同红外光谱的谱带位置及形状。

二、实验原理衰减全反射（ATR）、漫反射（DRS）和反射吸收（RAS）都是傅里叶变换红外反射光谱，是FTIR常用的表面分析技术。

1全反射光谱原理、实验技术及应用全反射：光由光密（即光在此介质中的折射率大的）媒质射到光疏（即光在此介质中折射率小的）媒质的界面时，全部被反射回原媒质内的现象。

很多材料如交联聚合物、纤维、纺织品和涂层等，用一般透射法测量其红外光谱往往很困难，但使用FTIR及ATR技术却可以很方便地测绘其红外光谱。

（1）入射角与临界角在通常情况下，光透射样品时是从光疏介质的空气射向光密介质样品的，当垂直入射（入射角θ为0°）时，则全部透过界面；当θ≠0°时，如果两者的折射率相差不大，则光是以原方向透射的，但如折射率差别较大，则会产生折射现象。

当n2与n1有足够的差值(0.5以上)，且入射光从光密介质(n1)射向光疏介图1 入射角（θ）及折射率（n1,n2）对光在界面上行为的影响θc为临界角，sinθc=n2/n1质(n2)，入射角θ大于一定数值时，光线会产生全反射现象。

这个“一定数值”的角度称为临界角，也即当折射角φ等于90°时的入射角θ称为临界角θc，如图1，其中临界角θc和折射率n1和n2有如下关系： sinθ=n2/n1显然，临界角的数值取决于样品折射率与全反射晶体的折射率之比，对同一种全反射晶体，不同材质的样品会有不同的临界角值，表1所列数值可看出这一关系。

表1在ATR和MIR方法中必须选用远大于临界角的入射角，即sinθ>n2/n1,以确保全反射的产生和所获光谱的质量，本实验运用单次衰减全反射ATR附件，反射晶体是锗，入射角固定为45°，远大于临界角。

红外光谱在材料表征中的应用红外光谱是一种重要的材料表征工具，它可以通过检测材料对红外辐射的吸收和散射来研究材料的结构和性质。

红外光谱广泛应用于化学、物理、材料科学等领域，为我们提供了深入了解材料的方法。

一、红外光谱的基本原理红外光谱是通过在材料表面投射红外辐射，然后测量材料对红外辐射的吸收和散射来分析材料的结构和成分。

红外辐射包含了可见光和微波之间的电磁波，它的频率范围为300 GHz到400 THz。

不同的材料会对不同的波长的红外辐射表现出吸收的峰值，这些峰值可以用来确定材料的特性。

二、红外光谱在有机化学中的应用红外光谱在有机化学中有着广泛的应用。

有机化合物通常在红外光谱中表现出明显的特征吸收峰，这些峰可以帮助确定分子中的功能团和官能团。

通过红外光谱的分析，我们可以判断分子中是否含有羟基、羰基、烷基等官能团，从而推断出化合物的结构和性质。

此外，红外光谱还可以用于分析有机化合物的纯度和检测化学反应的进程。

三、红外光谱在材料科学中的应用红外光谱在材料科学中也有着重要的应用。

通过红外光谱分析材料，我们可以得到材料的吸收谱图，从而了解材料的成分和结构。

例如，通过红外光谱可以确定某种材料中是否含有特定的化学键，比如羟基键、酯基键等。

此外，红外光谱还可以用于研究材料的结晶性质、取向性和相变等特性。

四、红外光谱在物理学中的应用红外光谱在物理学中也有重要的应用。

通过红外光谱的分析，可以研究材料的振动谱和转动谱，从而了解材料的分子结构、晶格结构和性质。

例如，通过红外光谱可以检测材料中存在的不同类型的振动模式，包括平移、弯曲、伸缩等振动，这些振动可以帮助我们判断材料的化学键类型和键强度。

五、红外光谱在医学和生物学中的应用红外光谱在医学和生物学中也有着广泛的应用。

例如，通过红外光谱可以检测人体组织中的蛋白质、脂肪和碳水化合物等分子的存在和组成。

利用红外光谱的技术，可以研究生物体内分子结构的变化和有机化合物的特征，从而帮助诊断疾病和评估药物治疗效果。

现代近红外光谱分析技术的原理及应用1 简介近红外光（near infrared,NIR）是介于可见光（VIS）和中红外光（MIR或IR）之间的电磁波美国材料检测协会（ASTM）将近红外光谱区定义为波长780-2526nm的光谱区（波数为12820-3959cm-1）习惯上又将近红外区划分为近红外短波（780-1100nm）和近红外长波（1100-2526nm）两个区域。

从20世纪50年代起，近红外光谱技术就在农副产品分析中得到广泛应用，但是由于技术上的原因，在随后的20多年中进展不大。

进入20世纪80 年代后，随着计算机技术的迅速发展，以及化学计量学方法在解决光谱信息提取和消除背景干扰方面取得的良好效果，加之近红外光谱在测试技术上所独有的特点，人们对近红外光谱技术的价值有了进一步的了解从而进行了广泛的研究。

数字化光谱仪器与化学计量学方法的结合标志着现代近红外光谱技术的形成。

数字化近红外光谱技术在20 世纪90年代初开始商品化。

近年来，近红外光谱的应用技术获得了巨大发展，在许多领域得到应用，对推进生产和科研领域的技术进步发挥了巨大作用。

近红外光谱技术是90年代以来发展最快、最引人注目的光谱分析技术，测量信号的数字化和分析过程的绿色化使该技术具有典型的时代特征。

由于近红外光在常规光纤中有良好的传输特性，使近红外光谱技术在实时在线分析领域中得到很好的应用。

在工业发达国家，这种先进的分析技术已被普遍接受，例如1978年美国和加拿大采用近红外法代替凯氏法，作为分析小麦蛋白质的标准方法。

20世纪90年代初,外国厂商开始在我国销售近红外光谱分析仪器产品,但在很长时间内，进展不大，其原因主要是：首先，近红外光谱分析要求光谱仪器、光谱数据处理软件（主要是化学计量学软件）和应用样品模型结合为一体，缺一不可。

但被分析样品会由于样品产地的不同而不同，国内外的样品通常有差异，因此，进口仪器的应用模型一般不适合分析国内样品。

红外反射光谱原理实验技术及应用一、红外反射光谱原理红外反射光谱的原理基于物质对红外光的吸收和反射。

在红外光谱图中，纵坐标表示样品吸收或反射的光强，横坐标表示光波数，即1/λ。

红外光通过样品表面时，一部分被吸收，一部分被反射。

反射光谱是指测量反射光的光谱，可分为全光谱反射和透射反射两种形式。

二、红外反射光谱实验技术1.仪器设备2.实验步骤(1)样品制备：将待测样品均匀涂覆在透明的反射基底上，如KBr片、硅片或玻璃片等。

(2)样品安装：将样品底部与透明基底紧密接触，避免空气或其它外界物质的干扰。

(3)光谱测量：将红外光源发出的红外光照射到样品，通过光学系统将反射光收集，经过光谱仪器进行检测和记录。

(4)数据分析：对得到的光谱图进行数据处理，如寻峰定性、峰位确定、峰强度计算等。

三、红外反射光谱应用1.物质鉴定：红外反射光谱可以通过比较样品的光谱图与数据库中已知物质的光谱图，快速鉴定未知化合物的成分。

2.质量控制：红外反射光谱可以用于药品、食品、化妆品等行业的质量控制，通过检测样品中的成分和质量指标，保证产品的质量稳定性。

3.表面分析：红外反射光谱可以对材料表面的化学成分和结构进行分析，用于材料表面的污染分析和材料界面的相互作用研究。

4.生物医学应用：红外反射光谱可以用于生物组织和细胞的研究，通过分析生物样品的红外反射光谱，可以了解生物体内的化学成分和分子结构。

总之，红外反射光谱是一种全面、快速、非破坏性的分析方法，具有广泛的应用前景。

随着仪器设备和数据处理技术的不断发展，红外反射光谱在化学、材料科学、生物医学等领域的重要性将不断提升。

实验固体样品红外光谱的采集及分析当样品受到频率连续变化的红外光照射时，分子吸收某些频率的辐射，并由其振动运动或转动运动引起偶极矩的净变化，产生的分子振动和转动能级从基态到激发态的跃迁，从而形成的分子吸收光谱称为红外光谱，又称为分子振动转动区域名称波长(µm) 波数(cm-1) 能级跃迁类型近红外区泛频区0.75-2.5 13158-4000 OH、NH、CH键的倍频吸收2.5-25 4000-400 分子振动/伴随转动中红外区根本振动区25-300 400-10 分子转动远红外区分子转动区映了光的频率。

一、红外光谱的三要素1.峰位分子内各种官能团的特征吸收峰只出现在红外光波谱的一定范围，如：C=O 的伸缩振动一般在1700 cm-1左右。

2.峰强红外吸收峰的强度取决于分子振动时偶极矩的变化，振动时分子偶极矩的变化越小，谱带强度也就越弱。

一般说来，极性较强的基团(如C=O)振动，吸收强度较大；极性较弱的基团(如C=C,N-C等)振动，吸收强度较弱；红外吸收强度分别用很强(vs)、强(s)、中(m)、弱(w)表示.3.峰形不同基团的某一种振动形式可能会在同一频率范围内都有红外吸收，如-OH、-NH的伸缩振动峰都在3400~3200 cm-1，但二者峰形状有显著不同。

此时峰形的不同有助于官能团的鉴别。

常见官能团红外吸收特征频率表可见附录二、红外光谱仪的作用一是分析某化合物中是否含有某些官能团。

如羰基：C=O：在1720cm-1左右有伸缩振动吸收峰；羟基：O-H：在3400cm-1左右有伸缩振动吸收峰；CH3-，-CH2-中的碳氢键在2950cm-1和2890cm-1左右有两个吸收峰；醚键〔或醇中的〕C-O 键：在1010cm-1左右有一较大吸收峰。

例如：某化合物只有在1720cm-1左右处有一较大吸收峰，该化合物可能为醛或酮。

又如：某化合物只有在3400cm-1和1010cm-1左右处有两个较大吸收峰，该化合物可能为醇。