数据分析那点事儿：（一）红外光谱分析

撰文 | Phoebe

责编 | Lee

红外光谱又称为分子振动转动光谱，也是一种分子吸收光谱。当样品受到频率连续变化的红外光照射时，分子吸收某些频率的辐射，并由其振动或转动运动引起偶极矩的净变化，产生分子振动和转动能级从基态到激发态的跃迁，使相应于这些吸收区域的透射光强度减弱。记录红外光的百分透射比与波数或波长关系曲线，就得到红外光谱。

👉紫外、可见吸收光谱常用于研究不饱和有机物，特别是具有共轭体系的有机化合物，而红外光谱法主要研究在振动中伴随有偶极矩变化的化合物。

👉红外吸收带的波数位置、波峰的数目以及吸收谱带的强度，反映了分子结构上的特点，可以用来鉴定未知物的结构组成或确定其化学基团。而吸收谱带的吸收强度与分子组成或化学基团的含量有关，可用以进行定量分析和纯度鉴定。

👉红外光谱分析对气体、液体、固体样品都可测定，具有用量少、分析速度快、不破坏试样等特点。

红外光谱的前世今生

雨后天空出现彩虹是人类经常观测到的自然光谱，而真正意义上对光谱的研究是从英国科学家Newton开始的。从牛顿之后人类对光的认识逐渐从可见光区域扩展到红外和紫外区，红外辐射是18世纪末，19世纪初才被发现的。

萌芽阶段：1800年，英国物理学家W. Herschel用棱镜使太阳光色散，发现在红色光的外侧具有最大的热效应，说明红色光的外侧还有辐射存在，当时把它称为“红外线”或“热线”。但由于当时没有精密仪器可以检测，所以一直没能得到发展。过了近一个世纪，才有了进一步的研究并引起广泛注意。

开拓发展阶段：1892年，Julius用岩盐棱镜及测热辐射计（电阻温度计），测得了20几种有机化合物的红外光谱，这是一个具有开拓意义的研究工作，立即引起了人们的注意。1905年Coblentz测得了128种有机和无机化合物的红外光谱，引起了光谱界的极大轰动。

逐步完善成熟阶段：20世纪30年代，光的二象性、量子力学及科学技术的发展，为红外光谱的理论及技术的发展提供了重要的基础。不少学者对大多数化合物的红外光谱进行理论上的研究和归纳、总结，用振动理论进行一系列键长、键力能级的计算，使红外光谱理论日益完善和成熟。尽管当时的检测手段还比较简单，一起进士单光束的、手动和非商化的，但红外光谱作为光谱学的一个重要分支已为光谱学家和物理、化学家所公认。

20世纪中期以后，红外光谱在理论上更加完善，而其发展主要表现在仪器及实验技术上的发展👇

👉1947年，世界上第一台双光束自动记录红外分光光度计在美国投入使用，这是第一代红外光谱的商品化仪器；

👉20世纪60年代，釆用光栅作为单色器，比起棱镜单色器有了很大的提高，但它仍是色散型的仪器，分辨率、灵敏度还不够高，扫描速度慢，这是第二代仪器；

👉20世纪70年代，干涉型的傅里叶变换红外光谱仪及计算机化色散型的仪器的使用，使仪器性能得到极大的提高，这是第三代仪器；

👉20世纪70年代后期到80年代，用可调激光作为红外光源代替单色器，具有更高的分辨本领、更高灵敏度，也扩大应用范围，这是第四代仪器。

现在，红外光谱仪还可与其它仪器如GC、HPLC联用，更扩大了其使用范围。而用计算机存贮及检索光谱，使分析更为方便、快捷。

红外吸收光谱区域及其应用

红外光谱根据其测定的频率范围，可分为近红外、中红外及远红外的吸收光谱。各红外区的范围及其能级跃迁的类型如下表：

在近红外区大部分的吸收峰是氢伸缩振动的泛频峰，这些峰可供研究如-OH、-NH、-CH等官能团用。中红外区即基本振动频率最为有用，从中红外区所得的红外光谱可得到大量关于官能团及分子结构的信息。目前一般的红外光谱都是得自中红外区，而远红外区可给出转动跃迁和晶格的振动类型以及大分子的骨架振动信息。

👉红外光谱最重要的应用是中红外区有机化合物的结构鉴定。通过与标准谱图比较，可以确定化合物的结构。对于未知样品，通过官能团、顺反异构、取代基位置、氢键结合以及络合物的形成等结构信息可以推测结构。

👉近年来，红外光谱的定量分析应用也有不少报道尤其是近红外、远红外区的研究报告在增加。如：近红外区用于含有与C、N、O等原子相连基团化合物的定量分析；远红外区用于无机化合物研究等。除此之外，傅立叶变换红外光谱还可作为色谱检测器。

红外吸收的基本原理

物质总是处于不停的运动状态之中，当红外光照射物质分子时，其具有的能量引起振动能级和转动能级的跃迁，不同的分子和基团具有不同的振动，根据分子的特征吸收可以鉴定化合物和分子的结构。

利用红外光谱对物质分子进行的分析和鉴定，将一束不同波长的红外射线照射到物质的分子上，某些特定波长的红外射线被吸收，形成这一分子的红外吸收光谱。每种分子都有由其组成和结构决定的、独有的红外吸收光谱，据此可以对分子进行结构分析和鉴定。

红外吸收光谱是由分子不停地作振动和转动运动而产生的，分子振动是指分子中各原子在平衡位置附近作相对运动，多原子分子可组成多种振动图形。当分子中各原子以同一频率、同一相位在平衡位置附近作简谐振动时，这种振动方式称简正振动（例如伸缩振动和变角振动），分子振动的能量与红外射线的光量子能量正好对应，因此当分子的振动状态改变时，就可以发射红外光谱，也可以因红外辐射激发分子而振动而产生红外吸收光谱。

1.红外吸收光谱的产生条件

🅰辐射光子具有的能量与发生振动跃迁所需的跃迁能量相等。

分子吸收红外辐射后，由基态振动能级（v=0）跃迁至第一振动激发态（v=1）时，所产生的吸收峰称为基频峰。
振动能级由基态（v=0）跃迁至第二激发态（v=2）、第三激发态（v=3）···，所产生的吸收峰称为倍频峰。

🅱辐射与物质间有偶合作用。

红外跃迁是偶极矩诱导的，即能量转移的机制是通过振动过程所导致的偶极矩的变化和交变的电磁场（红外线）相互作用发生的。只有发生偶极矩变化（△μ≠0）的振动才能引起可观测的红外吸收光谱，该分子称之为红外活性的；△μ=0的分子振动不能产生红外振动吸收，称为非红外活性的

对称分子：没有偶极矩，辐射不能引起共振，非红外活性。如：N2、O2、Cl2等。
非对称分子：有偶极矩，红外活性。

2.红外吸收谱带的强度

红外吸收谱带的强度取决于分子振动时偶极矩的变化，而偶极矩与分子结构的对称性有关。振动的对称性越高，振动中分子偶极矩变化越小，谱带强度也就越弱。极性较强的基团（如C=O，C-X等）振动，吸收强度较大；极性较弱的基团（如C=C、C-C、N-N等）振动，吸收较弱。红外光谱的吸收强度用很强（vs）、强（s）、中（m）、弱（w）和很弱（vw）表示。

3.基团频率

不同分子中同一类型的化学基团，在红外光谱中的吸收频率总是出现在一个较窄的范围内，这种吸收谱带的频率称为基团频率，其所在的位置一般又称为特征吸收峰。它们不随分子构型的变化而出现较大的改变，可用作鉴别化学基团。基团频率区中红外光谱区可分为4000~1300cm-1和1800(1300)~600cm-1两个区域。

最有分析价值的基团频率在4000~1300cm-1之间，这一区域称为基团频率区、官能团区或特征区。区内的峰是由伸缩振动产生的吸收带，比较稀疏，容易辨认，常用于鉴定官能团。

在1800(1300)~600cm-1区域内，除单键的伸缩振动外，还有因变形振动产生的谱带。这种振动与整个分子的结构有关，当分子结构稍有不同时，该区的吸收就有细微的差异，并显示出分子特征。这种情况就像人的指纹一样，因此称为指纹区。指纹区可用于指认结构类似的化合物，还可作为化合物存在某种基团的旁证。

👉基团频率区（4000~1300cm-1）

基团频率区可分为三个区域👇

✅4000~2500cm-1为X-H伸缩振动区（X可以是O、N、C或S等原子）。

O-H在3650~3200cm-1区域，可判断有无醇类、酚类和有机酸类。
胺和酰胺的N-H在3500~3100cm-1区域，对O-H伸缩振动有干扰。
C-H的伸缩振动可分为饱和及不饱和两种👇

✅2500~1900cm-1为参键和累积双键区

主要包括-C≡C、-C≡N等参键的伸缩振动，以及-C=C=C、-C=C=O等累积双键的不对称伸缩振动。炔烃类化合物可分为以下两种👇

✅1900~1200cm-1为双键伸缩振动区

C=O在1900~1650cm-1，特征明显、往往是最强吸收，可判断酮类、醛类、酸类、酯类以及酸酐（双峰）等。
烯烃C=C在1680~1620cm-1。
单核芳烃C=C在1600cm-1和1500cm-1附近，有2~4峰，可确认有无芳核。
苯的衍生物在2000~1650cm-1，强度很弱。

👉指纹区（1800(1300)~600cm-1）

✅1800cm~900cm-1区域是C-O、C-N、C-F、 C-P、C-S、P-O、Si-O等单键的伸缩振动和C=S、S=O、P=O等双键的伸缩振动吸收。其中≈1375cm-1的谱带为甲基的δC-H对称弯曲振动，对识别甲基十分有用，C-O的伸缩振动在1300~1000cm-1，是该区域最强的峰，也较易识别。

✅900~650cm-1区域的某些吸收峰可用来确认化合物的顺反构型。

红外光谱的应用

1.定性分析

✅已知物的鉴定

将试样的谱图与标准的谱图进行对照，或者与文献上的谱图进行对照。如果两张谱图各吸收峰的位置和形状完全相同，峰的相对强度一样，就可以认为样品是该种标准物。如果两张谱图不一样，或峰位不一致，则说明两者不为同一化合物，或样品有杂质。如用计算机谱图检索，则采用相似度来判别。使用文献上的谱图时，应当注意试样的物态、结晶状态、溶剂、测定条件以及所用仪器类型均应与标准谱图相同。

✅未知物结构的测定

如果未知物不是新化合物，可以通过下面两种方式利用标准谱图进行查对👇

（1）査阅标准谱图的谱带索引，寻找与试样光谱吸收带相同的标准谱图；

（2）进行光谱解析，判断试样的可能结构，然后在由化学分类索引查找标准谱图对照核实。

在定性分析过程中，除了获得清晰可靠的图谱外，最重要的是对谱图作出正确的解析。所谓“谱图的解析”，就是根据实验所测绘的红外光谱图的吸收峰位置、强度和形状，利用基团振动频率与分子结构的关系，确定吸收带的归属，确认分子中所含的基团或键，进而推定分子的结构。

【红外谱图数据库】

✔萨特勒（Sadtler）红外光谱数据库

https://www.bio-rad.com/zh-cn/product/ir-spectral-databases?ID=N0ZXNZE8Z

✔日本NIMC有机物谱图库

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

✔上海有机所红外谱图数据库

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

✔ChemExper化学品目录CDD

http://www.chemexper.com/

✔FTIRsearch

http://www.ftirsearch.com/

✔NIST Chemistry WebBook

https://webbook.nist.gov/chemistry/

2.定量分析

红外光谱定量分析是通过对特征吸收谱带强度的测量来求出组份含量。其理论依据是朗伯-比耳定律。由于红外光谱的谱带较多，选择的余地大，所以能方便地对单一组份和多组份进行定量分析。此外，该法不受样品状态的限制，能定量测定气体、液体和固体样品。应用广泛，但灵敏度较低，尚不适用于微量组份的测定。

基本原理：通过谱带两翼透过率最大点作光谱吸收的切线，作为该谱线的基线，则分析波数处的垂线与基线的交点，与最高吸收峰顶点的距离为峰高，其吸光度A=lg(I0/I)。一般用校准曲线法或者与标样比较来定量。

3.鉴定样品纯度和指导分离操作

通常纯样品的光谱吸收峰较尖锐，彼此分辨清晰，如果含5%以上杂质，由于多种分子各自的吸收峰互相干扰，常降低毎个峰的尖锐度，有的线条会模糊凊。加之有杂质本身的吸收，使不纯物的光谱吸收峰数目比纯品多，故与标淮图谱对比即可判断纯度。

4.研究化学反应中的问题

在化学反应过程中可直接用反应液或粗品进行检测。根据原料和产物特征峰的消长情况，对反应进程、反应速度和反应时间与收率的关系等问题能及时作出判断。

论文中的红外数据分析

在同学们了解了红外吸收光谱的基本原理以及应用之后，我们来举个🌰详细说明一下，我们应该如何去完成论文中的红外分析部分的写作工作。

【材料和方法部分】

这个部分需要说明红外仪器型号，然后是制样过程、测试条件（包括：扫描范围、分辨率、扫描次数）。

【结果与讨论部分】

红外数据图：以透射率(T%)或吸光度(A)为纵坐标，波数(Wave number(cm-1))为横坐标。另外，你需要在图中标注出峰的位置以及分别代表了哪些基团。峰位可以利用omnic或者origin进行标定，透射率和吸光度的转换也非常方便。至于该峰位归属于哪些基团的问题，你就需要去比对标准谱图库或者通过文献来确定。

你可以做成这样👇

这样👇

或者这样👇

你甚至还可以将特征吸收峰及其归宿清晰地列出一个表来，像这样👇

讨论分析：首先，你需要先介绍每个特征峰的出现分别是由于哪个官能团振动导致的。这个部分你可以引用前人的文献研究，对自己的分析进行支撑，以表明该位置特征峰所归属官能团的确定是有理有据的，像这样👇

然后，对你的红外图进行具体的对比分析，你需要带着这样的问题去进行思考：

你拍红外的目的是什么？
你企图在红外数据图中看到什么？
你的红外数据图中能否找到你想要的物质结构？

红外光谱的前世今生

红外吸收光谱区域及其应用

红外吸收的基本原理

红外光谱的应用

论文中的红外数据分析

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