總的來說，世界上的任何物質(zhì)都是運動著的，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(gòu)成物質(zhì)的分子和原子還存在著微觀運動，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(xiàn)象一樣，微觀世界的物質(zhì)運動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，可以用簡單的關系式，即普朗克定律來表示：

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，電磁波譜可大致分為：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(zhuǎn)動運動，紅外吸收光譜是分子振動能級的躍遷（同時伴隨轉(zhuǎn)動能級的躍遷）而產(chǎn)生的，實際上是分子的振動與轉(zhuǎn)動運動的加和表現(xiàn)，因此又稱為分子振動轉(zhuǎn)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(zhì)表面反射b、被物質(zhì)吸收c、穿透物質(zhì)（如下圖）。

物質(zhì)吸收電磁輻射應滿足兩個條件：

（1）輻射應具有剛好能滿足物質(zhì)躍遷時所需的能量；

（2）輻射與物質(zhì)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原子因外層電子得失難易表現(xiàn)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?。ㄈ缦聢D）：

只有發(fā)生偶極矩變化的振動才能產(chǎn)生可觀測的紅外吸收光譜。由于d的瞬時值不斷在發(fā)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，二者就會產(chǎn)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，產(chǎn)生振動躍遷。

而當使用連續(xù)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，在一些波長范圍內(nèi)被部分吸收后變?nèi)?，在另一些波長范圍內(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，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(zhì)的結(jié)構(gòu)，獲取有用的結(jié)構(gòu)信息。那么具體如何來看？

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），那么彈簧長度就代表化學鍵的長度。

對于雙原子分子來說，只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(shù)（單位cm-1）表征。波數(shù)是波長的倒數(shù)，表示每厘米長光波中波的個數(shù)，波數(shù)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，將紅外光譜分成三個區(qū)域：近紅外區(qū)、中紅外區(qū)和遠紅外區(qū)三個波段。三個區(qū)的波長和波數(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光譜；遠紅外光譜則屬于分子的轉(zhuǎn)動光譜和某些基團的振動光譜。由于絕大多數(shù)有機物和無機物的基頻吸收帶都出現(xiàn)在中紅外區(qū)，因此中紅外區(qū)是研究和應用最多的區(qū)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(qū)有機化合物的結(jié)構(gòu)鑒定。通過與標準譜圖比較，可以確定化合物的結(jié)構(gòu)；對于未知樣品，通過官能團、順反異構(gòu)、取代基位置、氫鍵結(jié)合以及絡合物的形成等結(jié)構(gòu)信息可以推測結(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（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(shù)據(jù)庫及其網(wǎng)絡傳輸?shù)龋┑母咚侔l(fā)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(yī)療設備，在疫情防控中充分發(fā)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(jiān)測，自動跟蹤、報警高溫區(qū)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(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器和光學鏡頭捕捉到，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相對應。

通俗地講紅外熱像儀就是將物體發(fā)出的不可見的紅外能量轉(zhuǎn)變?yōu)榭梢姷臒釄D像。熱圖像的上面的不同顏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(xiàn)對人員的依次、快速測溫。

還有遙感技術，即太陽輻射經(jīng)過大氣層到達地面，一部分與地面發(fā)生作用后反射，再次經(jīng)過大氣層，到達傳感器，傳感器將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，有時可不受黑夜限制。

此外，紅外光譜在化學化工、環(huán)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(fā)展。

編輯：jq