红外谱学检测

红外谱学检测（又称红外光谱分析）是利用物质对红外光的吸收特性来分析其分子结构、化学成分及化学状态的一种光谱分析技术，广泛应用于化学、材料、生物、医药等多个领域。

其核心原理是分子振动能级跃迁时会吸收特定波长的红外光，形成特征吸收谱带，通过解析谱带的位置、强度和形状，可实现对物质的定性或定量分析。

一、基本原理

分子由原子通过化学键连接而成，原子间的振动（如伸缩振动、弯曲振动）具有特定的频率，当红外光的频率与分子振动频率相同时，分子会吸收该频率的光，从低振动能级跃迁到高振动能级。

不同分子的化学键类型、原子种类及空间结构不同，振动频率存在差异，因此会产生独特的 “红外指纹”—— 红外光谱。

官能团区与指纹区：红外光谱通常分为两个区域：

官能团区（4000~1300 cm⁻¹）：主要对应分子中官能团（如 O-H、N-H、C=O、C=C）的伸缩振动，谱带特征性强，可用于识别分子中含有的官能团。

指纹区（1300~400 cm⁻¹）：对应分子的弯曲振动及部分单键伸缩振动，谱带复杂但具有高度特异性，如同人的指纹，可用于区分结构相似的化合物（如同分异构体）。

二、主要检测类型与技术

根据检测原理和应用场景，红外谱学检测可分为多种类型，常见的有：

1. 傅里叶变换红外光谱（FTIR）

这是目前最主流的红外检测技术，通过干涉仪产生干涉光，经样品吸收后得到干涉图，再通过傅里叶变换将干涉图转换为红外光谱。相比传统色散型红外光谱，FTIR 具有扫描速度快、灵敏度高、分辨率高（可达 0.1 cm⁻¹）等优势，适用于绝大多数固体、液体、气体样品的分析。

2. 衰减全反射红外光谱（ATR-FTIR）

通过全反射原理，让红外光在样品表面发生多次反射，仅检测样品表面的吸收信号。无需对样品进行复杂制备（如压片、溶解），可直接分析固体（如塑料、纤维）、液体（如油污、涂料）甚至半固体（如凝胶、生物组织）的表面成分，广泛应用于材料表面分析、无损检测等领域。

3. 显微红外光谱（Micro-FTIR）

将红外光谱与显微镜结合，可对样品的微小区域（微米级）进行分析，实现 “光谱 + 形貌” 的同步观察。适用于分析不均匀样品（如复合材料中的不同相、污染物颗粒、生物组织切片中的微小结构），在失效分析、法医鉴定等领域作用显著。

4. 红外联用技术

气相色谱 - 红外联用（GC-FTIR）：结合气相色谱的分离能力和红外光谱的定性能力，可对复杂混合物（如有机溶剂、挥发性有机物）中的各组分进行结构鉴定。

热重 - 红外联用（TG-FTIR）：在样品热分解过程中，同步记录质量变化和逸出气体的红外光谱，用于分析材料的热稳定性及分解产物成分。

三、核心检测内容

1. 定性分析

通过比对样品红外光谱与标准谱库（如 Sadtler 红外谱库）中的特征峰，确定物质的化学结构或官能团：

官能团识别：例如，O-H 键在 3600~3200 cm⁻¹ 有强宽峰，C=O 键在 1750~1650 cm⁻¹ 有强吸收，C-O 键在 1300~1000 cm⁻¹ 有特征峰，可据此判断分子中是否存在羟基、羰基、醚键等。

化合物鉴定：对于纯物质，其红外光谱的指纹区谱带具有唯一性，通过与标准谱图比对，可确定化合物种类（如区分乙醇和甲醇、聚乙烯和聚丙烯）。

同分异构体区分：结构异构（如正丁醇和异丁醇）或顺反异构（如顺丁烯二酸和反丁烯二酸）的化合物，因官能团环境不同，红外光谱会出现差异，可通过特征峰位置或强度区分。

2. 定量分析基于朗伯 - 比尔定律，通过测量特征峰的吸光度，计算样品中某组分的含量：

选择目标组分的专属特征峰（不受其他组分干扰），如分析水中乙醇含量时，可利用乙醇中 C-H 键的特征峰（2970 cm⁻¹）。

适用于混合物中已知组分的定量，精度虽不及紫外光谱或色谱法，但操作简便，无需复杂前处理。

3. 结构与状态分析

分子构型与构象：例如，环己烷的椅式构象和船式构象在红外光谱中会呈现不同的 C-H 振动峰，可用于分析分子的空间结构。

结晶度与晶型：聚合物（如聚乙烯）的结晶区和非晶区在红外光谱中存在特征峰差异，通过峰强度比可计算结晶度；

药物的不同晶型（如阿莫西林的 α 型和 β 型）也可通过红外光谱区分。

氢键作用：分子间或分子内氢键会使官能团的振动峰发生位移（如乙醇形成分子间氢键后，O-H 峰从 3640 cm 移至 3350 cm，且峰形变宽），可用于分析氢键的存在及强度。

四、样品要求与前处理

红外光谱检测对样品适应性强，固体、液体、气体均可分析，前处理简单：

固体样品：可采用压片法（与 KBr 混合压成薄片）、糊状法（分散在石蜡油中）或直接涂片法（适用于薄膜、纤维），需避免样品中含有水分（水会在 3400 cm⁻¹ 和 1640 cm⁻¹ 产生强吸收，干扰分析）。

液体样品：常用液体池法（将样品注入石英或氯化钠池），挥发性液体需使用密封池，粘稠液体可直接涂在盐片上。

气体样品：使用气体池（长光路，通常 10~100 cm），通过减压或加热使气体进入池内，适用于分析挥发性有机物或气体污染物。

五、应用场景

化学与材料领域：鉴定有机化合物结构、分析聚合物的组成与结构（如塑料、橡胶的种类鉴别）、检测材料中的添加剂（如塑料中的增塑剂、抗氧化剂）。

医药领域：药物成分分析（如中药材的真伪鉴别）、药物晶型研究、蛋白质二级结构分析（通过酰胺键的特征峰研究蛋白质的 α- 螺旋、β- 折叠结构）。

环境监测：检测水体或空气中的污染物（如石油类物质、挥发性有机物、农药残留），通过特征峰快速识别污染物种类。

食品与农业：分析食品中的成分（如油脂的饱和度、糖类的结构）、鉴别食品添加剂（如防腐剂、色素）、检测农产品中的农药残留或真菌毒素。

六、注意事项

水和二氧化碳的干扰：空气中的水和二氧化碳会在红外光谱中产生吸收峰（如 H₂O 在 3400 cm⁻¹、1640 cm⁻¹，CO₂在 2360 cm⁻¹、667 cm⁻¹），检测时需使用干燥氮气吹扫样品室，或扣除背景光谱消除干扰。

样品厚度与浓度：样品过厚或浓度过高会导致吸收峰饱和（平头峰），无法准确分析；过薄或浓度过低则信号弱，需调整样品量或光路长度。

谱图解析的复杂性：混合物的红外光谱是各组分谱图的叠加，需结合分离技术（如色谱）或化学计量学方法（如偏最小二乘回归）解析；

部分官能团的特征峰可能重叠（如 C=O 和 C=C 峰接近），需结合其他谱学技术（如拉曼光谱）辅助判断。

红外谱学检测凭借快速、无损、无需复杂前处理等优势，成为物质结构分析和成分鉴定的重要工具，在科研与工业生产中发挥着不可替代的作用。