08-红外光谱模式识别介绍

Infrared SpectroscopyDalian(116029),China2005-02-25红外光谱（IR）分子振动与红外光谱的基本原理分子中的原子与原子之间的化学键键长、键角不是固定不变的，如同弹簧连接起来的一组球。

整个分子一直在不断的振动着，当一定频率的光经过分子时，就被分子中相同频率的振动的键所吸收，如果分子中没有振动频率相同的键，红外光就不会被吸收。

因此，用连续改变频率的红外光照射样品时，则通过样品槽的红外光有些区域较弱，有些区域较强。

如用频率（v）或波长为横坐标，用透光率（Transmittance，T%）为纵坐标作图，就得到了红外吸收光谱。

可以设想分子中的键与弹簧相似，因此，化学键的振动可按谐振动处理，不同的是化学键振动能量是量子化的。

双原子分子振动的机械模型如下图：子质量（m1与m2）的函数：振动频率如以波数表示，则：分子的振动自由度与峰数分子中键的振动大致可分为伸缩振动和弯曲振动两种，分别以v 和δ表示，如下图所示：伸缩振动引起键长的变化，它们所产生的吸收带在高波数一端，伸缩振动有不对称伸缩和对称伸缩之分，前者在高波数一段。

弯曲振动引起键角的变化，它们的力常数较小，因此它们所产生的吸收带在低波数一端，弯曲振动有面内振动和面外振动之分，前者也在高波数一端。

它们的表示方法如下图：IR谱产生的吸收峰的数目取决于分子振动自由度。

一个原子在空间运动有三个自由度，即向x、y、z三个坐标方向运动，在含有n个原子的分子中，由于当原子结合成分子时，自由度数不损失，所以，分子自由度的总数为3n个。

分子作为一个整体，其运动状态可分为平动、振动及转动三类。

分子自由度数=平动自由度数+转动自由度数+振动自由度数振动自由度数=分子自由度数-平动自由度数-转动自由度数【注意】线性分子的转动自由度为2，非线性分子的转动自由度为3 因此，线性分子振动自由度为3n-5，非线性分子振动自由度为3n-6。

理论上讲，每个振动自由度在红外光谱区都将产生一个吸收峰。

红外光谱分析一、摘要对物质自发发射或受激发射的红外射线进行分光，可得到红外发射光谱，物质的红外发射光谱主要决定于物质的温度和化学组成；对被物质所吸收的红射线进行分光，可得到红外吸收光谱。

红外光谱具有高度的特征性，不但可以用来研究分子的结构和化学键，而且广泛地用于表征和鉴别各种化学物种。

关键词：红外光谱分析的原理红外光谱的优缺点二、红外光谱分析的简介红外光谱分析红外光谱分析（infrared spectra analysis）指的是利用红外光谱对物质分子进行的分析和鉴定。

将一束不同波长的红外射线照射到物质的分子上，某些特定波长的红外射线被吸收，形成这一分子的红外吸收光谱。

工作原理: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。

种类红外光谱仪的种类有：①棱镜和光栅光谱仪。

属于色散型，它的单色器为棱镜或光栅，属单通道测量。

②傅里叶变换红外光谱仪。

它是非色散型的，其核心部分是一台双光束干涉仪。

当仪器中的动镜移动时，经过干涉仪的两束相干光间的光程差就改变，探测器所测得的光强也随之变化，从而得到干涉图。

经过傅里叶变换的数学运算后，就可得到入射光的光谱。

这种仪器的优点：①多通道测量，使信噪比提高。

②光通量高，提高了仪器的灵敏度。

③波数值的精确度可达0.01厘米-1。

红外光谱知识介绍红外光谱红外光区划分：通常将红外波谱区分为近红外(near-infrared)，中红外(middle-infrared)和远红外(far-infrared)。

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，产生分子振动能级和转动能级从基态到激发态的跃迁，使相应于这些吸收区域的透射光强度减弱。

记录红外光的百分透射比与波数或波长关系曲线，就得到红外光谱。

物质的红外光谱是其分子结构的反映，谱图中的吸收峰与分子中各基团的振动形式相对应。

通过比较大量已知化合物的红外光谱，发现：组成分子的各种基团，如O-H、N-H、C-H、C=C、C=O和C C等，都有自己的特定的红外吸收区域，分子的其它部分对其吸收位置影响较小。

通常把这种能代表基团存在、并有较高强度的吸收谱带称为基团频率，其所在的位置一般又称为特征吸收峰。

分子吸收红外辐射后，由基态振动能级（ =0）跃迁至第一振动激发态（ =1）时，所产生的吸收峰称为基频峰。

因为（振动量子数的差值）△=1时， L= ，所以基频峰的位置（ L）等于分子的振动频率。

在红外吸收光谱上除基频峰外，还有振动能级由基态（ =0）跃迁至第二激发态（ =2）、第三激发态（ =3），所产生的吸收峰称为倍频峰。

由 = 0跃迁至 = 2时，△ = 2，则 L = 2 ，即吸收的红外线谱线（ L ）是分子振动频率的二倍，产生的吸收峰称为二倍频峰。

下图是双原子分子的能级示意图，图中EA和EB表示不同能量的电子能级，在每个电子能级中因振动能量不同而分为若干个 = 0、1、2、3……的振动能级，在同一电子能级和同一振动能级中，还因转动能量不同而分为若干个J = 0、1、2、3……的转动能级。

由于分子非谐振性质，各倍频峰并非正好是基频峰的整数倍，而是略小一些。

以HCl为例：基频峰（ 0→1） 2885.9 cm-1 最强二倍频峰（ 0→2 ） 5668.0 cm-1 较弱三倍频峰（ 0→3 ） 8346.9 cm-1 很弱四倍频峰（ 0→4 ） 10923.1 cm-1 极弱五倍频峰（ 0→5 ） 13396.5 cm-1 极弱除此之外，还有合频峰（ 1+ 2，2 1+ 2，），差频峰（ 1- 2，2 1- 2，）等，这些峰多数很弱，一般不容易辨认。