總的來說，世界上的任何物質都是運動着的，除了人們可以直接觀察到的宏觀運動，如流動的河水，奔馳的汽車等，構成物質的分子和原子還存在着微觀運動，這些運動很難直接觀察或捕捉，通常都是以間接的方式被認識和研究的，比如炒菜時滿屋飄香（氣味分子的擴散運動）。與宏觀現象一樣，微觀世界的物質運動也必然伴随着能量的變化和轉移，這些變化直接與電磁波發生聯系，可以用簡單的關系式，即普朗克定律來表示：

式中

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

分子在振動運動的同時還存在轉動運動，紅外吸收光譜是分子振動能級的躍遷（同時伴随轉動能級的躍遷）而産生的，實際上是分子的振動與轉動運動的加和表現，因此又稱為分子振動轉動光譜。接下來就讓我們踏上旅程，去探索一下紅外吸收光譜圖的形成過程吧！

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

物質吸收電磁輻射應滿足兩個條件：

（1）輻射應具有剛好能滿足物質躍遷時所需的能量；

（2）輻射與物質之間有相互作用。

當一定頻率（一定能量）的紅外光照射分子時，如果分子中某個基團的振動頻率和紅外輻射的頻率一樣，就滿足了第一個條件。為滿足第二個條件，分子必須有偶極矩的改變。什麼是偶極矩呢？我們知道，任何分子就其整體而言是呈現電中性的，但由于分子中的各個原子因外層電子得失難易表現出不同的電負性，使得分子顯示不同的極性。我們通常用偶極矩μ來表示分子極性的大小（如下圖）：

隻有發生偶極矩變化的振動才能産生可觀測的紅外吸收光譜。由于d的瞬時值不斷在發生變化，分子的偶極矩μ也相應地改變。當一定頻率的紅外光照射分子時，如果分子中某個基團的振動頻率和它一樣，二者就會産生共振，此時光的能量通過分子偶極矩的變化傳遞給分子，增加了基團的振動能，振幅加大，這個基團就吸收一定頻率的紅外光，産生振動躍遷。

而當使用連續改變頻率的紅外光照射分子時，如果紅外光的振動頻率和分子中各基團的振動頻率不同，該部分紅外光就不會被吸收（如上圖）。這樣由于通過分子的紅外光被吸收的情況不同，在一些波長範圍内被部分吸收後變弱，在另一些波長範圍内不被吸收，将分子吸收紅外光的情況用傅裡葉變換紅外光譜儀記錄下來，就得到該樣品的紅外吸收光譜圖了。下圖為傅裡葉變換紅外光譜儀記錄紅外譜圖過程示意圖：

通過這些得到的紅外吸收光譜圖我們就可以分析物質的結構，獲取有用的結構信息。那麼具體如何來看？

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

對于雙原子分子來說，隻有一種伸縮振動形式，即兩個小球在同一直線上來回伸縮；而對于多原子分子，則存在多種振動形式，比如H₂O分子的對稱伸縮振動、反對稱伸縮振動和彎曲（變形）振動（圖1），還有甲基的伸縮振動和不同種類的彎曲（變形）振動（圖2）。

圖1 水分子的紅外譜圖

圖2 甲基的振動形式

紅外光譜除用波長λ（單位μm）表征外，為便于表達，還廣泛使用波數（單位cm^-1）表征。波數是波長的倒數，表示每厘米長光波中波的個數，波數和波長的關系式為:

v（cm^-1）=1/λ（cm）=10000/λ（μm）

習慣上按照紅外線波長，将紅外光譜分成三個區域：近紅外區、中紅外區和遠紅外區三個波段。三個區的波長和波數範圍如下圖所示：

其中，近紅外光譜是由分子的倍頻、合頻産生的；中紅外光譜屬于分子的基頻振動光譜；遠紅外光譜則屬于分子的轉動光譜和某些基團的振動光譜。由于絕大多數有機物和無機物的基頻吸收帶都出現在中紅外區，因此中紅外區是研究和應用最多的區域，積累的資料也最多，儀器技術最為成熟。

我們通常所說的紅外光譜系指波長在2.5-25 μm之間的中紅外光譜。就像每個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，其最重要的應用是中紅外區有機化合物的結構鑒定。通過與标準譜圖比較，可以确定化合物的結構；對于未知樣品，通過官能團、順反異構、取代基位置、氫鍵結合以及絡合物的形成等結構信息可以推測結構。紅外光譜與紫外光譜、質譜、核磁共振并稱物質結構分析“四大譜”，是儀器分析中重要的分析手段之一。

随着紅外光譜附件技術（如顯微鏡、漫反射、鏡面反射和掠角反射、衰減全反射等配件）和計算機軟件技術（如差譜技術、紅外光譜譜圖壓縮數據庫及其網絡傳輸等）的高速發展，紅外光譜技術的應用迅速拓寬至諸多領域。

新型冠狀病毒感染的肺炎疫情嚴峻，測量體溫成為防控疫情的必要手段。人體紅外線測溫儀做為關鍵的醫療設備，在疫情防控中充分發揮主導作用。

比如紅外熱成像體溫快速篩檢儀，可在人流密集的公共場所進行大面積監測，自動跟蹤、報警高溫區域，與可見光視頻配合，快速找出并追蹤體溫較高的人員（如上圖）。所有高于絕對零度（-273℃）的物體都會發出紅外輻射。人體發出的紅外輻射被紅外熱像儀的探測器和光學鏡頭捕捉到，然後将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相對應。

通俗地講紅外熱像儀就是将物體發出的不可見的紅外能量轉變為可見的熱圖像。熱圖像的上面的不同顔色代表被測物體的不同溫度。另外還有紅外耳溫計和紅外額溫計，紅外體溫計設備簡單、使用方便、價格實惠，應用廣泛，可實現對人員的依次、快速測溫。

還有遙感技術，即太陽輻射經過大氣層到達地面，一部分與地面發生作用後反射，再次經過大氣層，到達傳感器，傳感器将這部分能量記錄下來，傳回地面（如下圖）。其中紅外遙感技術是指傳感器的工作波段限于紅外波段範圍之内，主要感受地面物體反射或自身輻射的紅外線，有時可不受黑夜限制。

此外，紅外光譜在化學化工、環境分析、半導體和超導材料等其他領域的應用都得到了廣泛的發展。

審稿：陳蔚紅

校稿：葛航銘

來源：中國科學院上海有機化學研究所

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