傅里叶红外光谱（FTIR）原理及应用带你一文读懂，超硬核干货

导读：

红外光谱是分子能选择性吸收某些波长的红外线，而引起分子中振动能级和转动能级的跃迁，检测红外线被吸收的情况可得到物质的红外吸收光谱，又称分子振动光谱或振转光谱。

01 红外光谱的原理：

当一束具有连续波长的红外光通过物质，物质分子中某个基团的振动频率或转动频率和红外光的频率一样时，分子就被吸收能量由原来的基态振(转)动能级跃迁到能量较高的振(转)动能级，分子吸收红外辐射后发生振动和转动能级的跃迁，该处波长的光就被物质吸收。所以，红外光谱法实质上是一种根据分子内部原子间的相对振动和分子转动等信息来确定物质分子结构和鉴别化合物的分析方法。

将分子吸收红外光的情况用仪器记录下来，就得到红外光谱图，红外光谱图通常用波长(λ)或波数(σ)为横坐标，表示吸收峰的位置，用透光率(T%)或者吸光度(A)为纵坐标，表示吸收强度。

红外光谱的产生通常需要以下两个条件：一、电磁波能量与分子两能级差相等，这决定了吸收峰出现的位置；二、红外光与分子之间有偶合作用，即分子振动时其偶极矩必须发生变化。需要强调的是，并非所有的振动都会产生红外吸收，只有偶极矩发生变化的振动才能引起可观测的红外吸收，这种振动称为红外活性振动；偶极矩等于零的分子振动不能产生红外吸收，称为红外非活性振动。

02 红外光谱的分区：

通常将红外光谱分为三个区域：近红外区(0.75~2.5 μm)、中红外区(2.5~25 μm)和远红外区(25~300 μm)。一般说来，近红外光谱是由分子的倍频、合频产生的；中红外光谱属于分子的基频振动光谱；远红外光谱则属于分子的转动光谱和某些基团的振动光谱。（注：由于绝大多数有机物和无机物的基频吸收带都出现在中红外区，因此中红外区是研究和应用最多的区域，积累的资料也最多，仪器技术最为成熟，我们通常所说的红外光谱即指中红外光谱。)

按吸收峰的来源，可以将中红外光谱图（2.5~25 μm）大体上分为特征频率区（2.5~7.7 μm，即4000-1330 cm-1）以及指纹区（7.7~16.7μm,即1330-400 cm-1）两个区域。其中特征频率区中的吸收峰基本是由基团的伸缩振动产生，具有很强的特征性，因此在基团鉴定工作上很有价值，主要用于鉴定官能团。如羰基，不论是在酮、酸、酯或酰胺等类化合物中，其伸缩振动总是在5.9μm左右出现一个强吸收峰，如谱图中5.9μm左右有一个强吸收峰，则大致可以断定分子中有羰基；而指纹区的情况却有所不同，该区峰多而复杂，没有强的特征性，主要是由一些单键C-O、C-N和C-X（卤素原子）等的伸缩振动及C-H、O-H等含氢基团的弯曲振动以及C-C骨架振动产生，当分子结构稍有不同时，该区的吸收就有细微的差异。这种情况就像每个人都有不同的指纹一样，因而称为指纹区，因此指纹区对于区别结构类似的化合物很有帮助。

03 常见特征集团的振动频率：

为了便于大家日常的分析使用，在此提供常见特征基团的振动频率，可以根据自身的研究体系进行对比指认，特别提醒，在进行指认的时候，如果将A峰指认为C-H键（举例）的振动，那所有C-H的特征峰都需要满足存在，所以如果多个键的振动峰在同一位置出现时，则需要进行多处的比对，以完成最精准的指认。

04 经典案例分析：

由于组成分子的各种基团都有自己特定的红外特征吸收峰，在不同的化合物中，同一种官能团的吸收振动总是在一个窄的波数范围内出现，但它不是在一个固定波数上出现，具体在哪一波数出现，与基团在分子中所处的环境有关。

引起基团频率位移的因素通常分为外部因素和内部因素：1、外部因素：主要是分子所处的物理状态和化学环境，如温度效应和溶剂效应等；2、内部因素：（1）电性效应：如诱导效应、共轭效应、中介效应、偶极场效应等；（2）机械效应：如质量效应、张力引起的键角效应、振动之间的耦合效应等。这些问题虽然已有不少研究报道，并有较为系统的论述，但是，若想按照某种效应的结果来定量地预测有关基团频率位移的方向和大小，却往往难以做到，因为这些效应大都不是单一出现的。这样，在进行不同分子间的比较时就很困难。

在这里，我们选择一个典型案例进行谱图的分析，如下图所示，是测得分子式为C4H8O的一个化合物的红外光谱，请试写出其可能的构造：

根据同分异构的概念，该化合物可能是烯醇、烯醚、酮、醛类中的一种，而从图中可以看出，1700-1750cm-1之间有一个强吸收，对应着C=O的振动，说明该物质是酮或者醛中的一种；随后，根据2900cm-1附近的C-H伸缩振动峰和720cm-1附近出现的多个连续的CH2的特征峰来综合判断，该物质可能是丁醛。需要注意的是，很难单纯地通过一张红外光谱准确判断一个材料的具体结构，通常来说，红外光谱仅作为一个辅助的应用。

05 红外光谱的应用：

由于红外光谱可以提供大量的微观信息，因此在多个领域都拥有较为广泛的应用，以下则是红外光谱几个常见的应用领域：

应用一 ：分析样品的官能团，结合其他仪器的表征结果推测样品的分子式。

PBAT和PCL中的官能团

应用二： 分析混合物中样品的成分，推测反应的生成物及各类添加材料。

鉴别各类中药中是否含有油类物质及淀粉

应用三： 通过对比反应前后的红外光谱，判断参与反应的化学键及推测相应的化学反应。

石墨烯反应前后官能团变化

应用四： 通过测量样品在不同温度下的红外光谱，计算材料的耐热稳定性，热氧化降解。

材料耐热性研究

应用五：蛋白质二级结构分析。温度，光照，pH值，金属离子，药物分子等条件改变蛋白质二级结构均可用红外光谱表征。

金属离子、光照等因素对红外光谱的影响

应用六：光谱聚类分析。通过红外光谱数据建模，可以进行样品的种类鉴别，产地鉴别，蛋白质种类鉴别。

基于红外光谱和聚类分析区分样品的种类

06 产品推荐：

目前，红外光谱主要分为透射红外光谱和反射红外光谱，以粉末材料的透射光谱的测试为例，主要介绍以下测试步骤：

透射类红外光谱的测试主要是通过将待测的粉体材料与溴化钾粉末混合研磨，随后使用压片机将混合粉末压制成片，将制成的片放至红外测试仪器中，通过分析透过的光的信号来得到对应的红外谱图。在这个制备过程中，通常会使用到压片机、溴化钾和红外光谱测试仪。为满足实验需求，特此为您推荐傅里叶红外光谱仪和HY-15红外压片机，操作便捷、经久耐用、稳定可靠。如有需要，请前往新威研选官网（https://neware-store.com/）进行购买或者咨询。

此外，近年来研究领域也更注重原位的表征，通常情况下，原位的表征能提供更为真实、更细节的数据支撑，为此，新威研选还在售一系列电化学红外光谱池，可以帮助研究人员在原位测试状态下在线采集红外信号和分析电极表（界）面分析的微观结构信息。

07 红外光谱数据库及常见物质谱图大全：

除了上述的原理和分析介绍，我们还为大家总结了现有的红外谱图数据库，可以帮助各位更好地分析红外谱图：

1.Sadtler红外光谱数据库：

http://www.bio-rad.com/zh-cn/product/ir-spectral-databases

2.日本NIMC有机物谱图库：

http://sdbs.db.aist.go.jp/sdbs/cgi-bin/direct_frame_top.cgi

3.上海有机所红外谱图数据库：

http://chemdb.sgst.cn/scdb/main/irs_introduce.asp

4.ChemExper化学品目录CDD：

http://www.chemexper.com/

5.FTIRsearch：

http://www.ftirsearch.com/

6.NIST Chemistry WebBook：

http://webbook.nist.gov/chemis

7.化学专业数据库：

https://organchem.csdb.cn/scdb/main/

以《化学专业数据库》为例，我们选择了电池体系中常见的含锂化合物、含钠化合物和电解液中常见的溶剂，在此为大家进行了标准红外谱图的整合，可用于SEI产物分析等方面，还等什么，快快收藏吧。

一、常见含锂化合物：

1、过氧化锂（Li2O2）

2、六氟磷酸锂（LiPF6）

3、氟化锂（LiF）

4、氢化锂（LiH）

5、氢氧化锂·水合物（LiOH·H2O）

6、高氯酸锂·三水合物 （LiClO4·3H2O）

7、碳酸锂（Li2CO3）

8、钴酸锂（LiCoO2）

9、氯化锂（LiCl）

10、草酸锂（Li2C2O4）

11、磷酸锂（Li3PO4）

12、硝酸锂（LiNO3）

二、常见含钠化合物：

1、草酸钠（Na2C2O4）

2、硝酸钠（NaNO3）

3、高氯酸钠（NaClO4）

4、亚硫酸钠（Na2SO3）

5、碳酸氢钠（NaHCO3）

6、硫酸钠（Na2SO4）

7、碳酸钠（Na2CO3）

8、六氟磷酸钠（NaPF6）

9、四氟硼酸钠（NaBF4）

三、常见溶剂：

1、碳酸二甲酯（C3H6O3）

2、四氢呋喃（C4H8O）

3、2-甲基四氢呋喃（C5H10O）

4、碳酸,乙烯酯（C3H4O3）

5、碳酸丙烯酯（C4H6O3）

6、碳酸二乙酯（C3H6O3）

7、碳酸甲乙酯（C4H8O3）

8、1，3-二氧环戊烷（C3H6O2）

原创说明（以上材料来源于网络，不对之处，欢迎指正~）