總的來(lái)說(shuō),，世界上的任何物質(zhì)都是運(yùn)動(dòng)著的,，除了人們可以直接觀察到的宏觀運(yùn)動(dòng)，如流動(dòng)的河水,，奔馳的汽車等,，構(gòu)成物質(zhì)的分子和原子還存在著微觀運(yùn)動(dòng),，這些運(yùn)動(dòng)很難直接觀察或捕捉，通常都是以間接的方式被認(rèn)識(shí)和研究的,，比如炒菜時(shí)滿屋飄香（氣味分子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)）,。與宏觀現(xiàn)象一樣，微觀世界的物質(zhì)運(yùn)動(dòng)也必然伴隨著能量的變化和轉(zhuǎn)移,，這些變化直接與電磁波發(fā)生聯(lián)系,，可以用簡(jiǎn)單的關(guān)系式，即普朗克定律來(lái)表示：

式中為能量的變換值,，h 為普朗克常數(shù),，為電磁波的頻率。

電磁波是以波動(dòng)的形式傳播的電磁場(chǎng),。按照波長(zhǎng)或頻率的順序把相應(yīng)的電磁波排列起來(lái),，就是電磁波譜（如下圖）。依照波長(zhǎng)的長(zhǎng)短,、頻率以及波源的不同,，電磁波譜可大致分為：γ射線、X射線,、紫外線,、可見(jiàn)光、紅外線,、微波和無(wú)線電波,，而本片文章要介紹的就是利用紅外輻射的紅外光譜分析。

分子在振動(dòng)運(yùn)動(dòng)的同時(shí)還存在轉(zhuǎn)動(dòng)運(yùn)動(dòng),，紅外吸收光譜是分子振動(dòng)能級(jí)的躍遷（同時(shí)伴隨轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)的躍遷）而產(chǎn)生的,，實(shí)際上是分子的振動(dòng)與轉(zhuǎn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)的加和表現(xiàn)，因此又稱為分子振動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)光譜,。接下來(lái)就讓我們踏上旅程,，去探索一下紅外吸收光譜圖的形成過(guò)程吧！

和可見(jiàn)光一樣,，紅外輻射可以a,、從物質(zhì)表面反射b、被物質(zhì)吸收c,、穿透物質(zhì)（如下圖）,。

物質(zhì)吸收電磁輻射應(yīng)滿足兩個(gè)條件：

（1）輻射應(yīng)具有剛好能滿足物質(zhì)躍遷時(shí)所需的能量；

（2）輻射與物質(zhì)之間有相互作用,。

當(dāng)一定頻率（一定能量）的紅外光照射分子時(shí),，如果分子中某個(gè)基團(tuán)的振動(dòng)頻率和紅外輻射的頻率一樣，就滿足了第一個(gè)條件,。為滿足第二個(gè)條件,，分子必須有偶極矩的改變,。什么是偶極矩呢？我們知道,，任何分子就其整體而言是呈現(xiàn)電中性的,，但由于分子中的各個(gè)原子因外層電子得失難易表現(xiàn)出不同的電負(fù)性，使得分子顯示不同的極性,。我們通常用偶極矩μ來(lái)表示分子極性的大?。ㄈ缦聢D）：

只有發(fā)生偶極矩變化的振動(dòng)才能產(chǎn)生可觀測(cè)的紅外吸收光譜。由于d的瞬時(shí)值不斷在發(fā)生變化,，分子的偶極矩μ也相應(yīng)地改變,。當(dāng)一定頻率的紅外光照射分子時(shí)，如果分子中某個(gè)基團(tuán)的振動(dòng)頻率和它一樣,，二者就會(huì)產(chǎn)生共振,，此時(shí)光的能量通過(guò)分子偶極矩的變化傳遞給分子，增加了基團(tuán)的振動(dòng)能,，振幅加大,，這個(gè)基團(tuán)就吸收一定頻率的紅外光，產(chǎn)生振動(dòng)躍遷,。

而當(dāng)使用連續(xù)改變頻率的紅外光照射分子時(shí),，如果紅外光的振動(dòng)頻率和分子中各基團(tuán)的振動(dòng)頻率不同，該部分紅外光就不會(huì)被吸收（如上圖）,。這樣由于通過(guò)分子的紅外光被吸收的情況不同,，在一些波長(zhǎng)范圍內(nèi)被部分吸收后變?nèi)酰诹硪恍┎ㄩL(zhǎng)范圍內(nèi)不被吸收,，將分子吸收紅外光的情況用傅里葉變換紅外光譜儀記錄下來(lái),，就得到該樣品的紅外吸收光譜圖了。下圖為傅里葉變換紅外光譜儀記錄紅外譜圖過(guò)程示意圖：

通過(guò)這些得到的紅外吸收光譜圖我們就可以分析物質(zhì)的結(jié)構(gòu),，獲取有用的結(jié)構(gòu)信息,。那么具體如何來(lái)看？

分子中的原子有兩種基本振動(dòng)形式類型,，即伸縮振動(dòng)和變角振動(dòng),，其中變角振動(dòng)又包括彎曲振動(dòng)和變形振動(dòng)。如果我們把分子比作用一根彈簧連接的兩個(gè)剛性小球（如下圖）,，那么彈簧長(zhǎng)度就代表化學(xué)鍵的長(zhǎng)度,。

對(duì)于雙原子分子來(lái)說(shuō)，只有一種伸縮振動(dòng)形式,，即兩個(gè)小球在同一直線上來(lái)回伸縮,；而對(duì)于多原子分子，則存在多種振動(dòng)形式，比如H2O分子的對(duì)稱伸縮振動(dòng),、反對(duì)稱伸縮振動(dòng)和彎曲（變形）振動(dòng)（圖1）,，還有甲基的伸縮振動(dòng)和不同種類的彎曲（變形）振動(dòng)（圖2）,。

圖1 水分子的紅外譜圖

圖2 甲基的振動(dòng)形式

紅外光譜除用波長(zhǎng)λ（單位μm）表征外,，為便于表達(dá)，還廣泛使用波數(shù)（單位cm-1）表征,。波數(shù)是波長(zhǎng)的倒數(shù),，表示每厘米長(zhǎng)光波中波的個(gè)數(shù)，波數(shù)和波長(zhǎng)的關(guān)系式為:

v（cm-1）=1/λ（cm）=10000/λ（μm）

習(xí)慣上按照紅外線波長(zhǎng),，將紅外光譜分成三個(gè)區(qū)域：近紅外區(qū),、中紅外區(qū)和遠(yuǎn)紅外區(qū)三個(gè)波段。三個(gè)區(qū)的波長(zhǎng)和波數(shù)范圍如下圖所示：

其中,，近紅外光譜是由分子的倍頻,、合頻產(chǎn)生的；中紅外光譜屬于分子的基頻振動(dòng)光譜,；遠(yuǎn)紅外光譜則屬于分子的轉(zhuǎn)動(dòng)光譜和某些基團(tuán)的振動(dòng)光譜,。由于絕大多數(shù)有機(jī)物和無(wú)機(jī)物的基頻吸收帶都出現(xiàn)在中紅外區(qū)，因此中紅外區(qū)是研究和應(yīng)用最多的區(qū)域,，積累的資料也最多,，儀器技術(shù)最為成熟。

我們通常所說(shuō)的紅外光譜系指波長(zhǎng)在2.5-25 μm之間的中紅外光譜,。就像每個(gè)人都有不同的指紋一樣,，每一種化合物也都有屬于自己的“指紋圖譜”——紅外光譜，其最重要的應(yīng)用是中紅外區(qū)有機(jī)化合物的結(jié)構(gòu)鑒定,。通過(guò)與標(biāo)準(zhǔn)譜圖比較,，可以確定化合物的結(jié)構(gòu)；對(duì)于未知樣品,，通過(guò)官能團(tuán),、順?lè)串悩?gòu)、取代基位置,、氫鍵結(jié)合以及絡(luò)合物的形成等結(jié)構(gòu)信息可以推測(cè)結(jié)構(gòu),。紅外光譜與紫外光譜、質(zhì)譜,、核磁共振并稱物質(zhì)結(jié)構(gòu)分析“四大譜”,，是儀器分析中重要的分析手段之一。

隨著紅外光譜附件技術(shù)（如顯微鏡,、漫反射,、鏡面反射和掠角反射、衰減全反射等配件）和計(jì)算機(jī)軟件技術(shù)（如差譜技術(shù)、紅外光譜譜圖壓縮數(shù)據(jù)庫(kù)及其網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)龋┑母咚侔l(fā)展,，紅外光譜技術(shù)的應(yīng)用迅速拓寬至諸多領(lǐng)域,。

新型冠狀病毒感染的肺炎疫情嚴(yán)峻，測(cè)量體溫成為防控疫情的必要手段,。人體紅外線測(cè)溫儀做為關(guān)鍵的醫(yī)療設(shè)備,，在疫情防控中充分發(fā)揮主導(dǎo)作用。

比如紅外熱成像體溫快速篩檢儀,，可在人流密集的公共場(chǎng)所進(jìn)行大面積監(jiān)測(cè),，自動(dòng)跟蹤、報(bào)警高溫區(qū)域,，與可見(jiàn)光視頻配合,，快速找出并追蹤體溫較高的人員（如上圖）。所有高于絕對(duì)零度（-273℃）的物體都會(huì)發(fā)出紅外輻射,。人體發(fā)出的紅外輻射被紅外熱像儀的探測(cè)器和光學(xué)鏡頭捕捉到,，然后將這些紅外輻射能量分布圖形反映到光敏元件上，從而獲得紅外熱像圖,，這種熱像圖與物體表面的熱分布場(chǎng)相對(duì)應(yīng),。

通俗地講紅外熱像儀就是將物體發(fā)出的不可見(jiàn)的紅外能量轉(zhuǎn)變?yōu)榭梢?jiàn)的熱圖像。熱圖像的上面的不同顏色代表被測(cè)物體的不同溫度,。另外還有紅外耳溫計(jì)和紅外額溫計(jì),，紅外體溫計(jì)設(shè)備簡(jiǎn)單、使用方便,、價(jià)格實(shí)惠,，應(yīng)用廣泛，可實(shí)現(xiàn)對(duì)人員的依次,、快速測(cè)溫,。

還有遙感技術(shù)，即太陽(yáng)輻射經(jīng)過(guò)大氣層到達(dá)地面,，一部分與地面發(fā)生作用后反射,，再次經(jīng)過(guò)大氣層，到達(dá)傳感器,，傳感器將這部分能量記錄下來(lái),，傳回地面（如下圖）。其中紅外遙感技術(shù)是指?jìng)鞲衅鞯墓ぷ鞑ǘ蜗抻诩t外波段范圍之內(nèi),，主要感受地面物體反射或自身輻射的紅外線,，有時(shí)可不受黑夜限制。

此外,，紅外光譜在化學(xué)化工,、環(huán)境分析,、半導(dǎo)體和超導(dǎo)材料等其他領(lǐng)域的應(yīng)用都得到了廣泛的發(fā)展。

審稿：陳蔚紅

校稿：葛航銘

來(lái)源：中國(guó)科學(xué)院上海有機(jī)化學(xué)研究所