红外光竟然能鉴定物质结构？

总的来说，世界上的任何物质都是运动着的，除了人们可以直接观察到的宏观运动，如流动的河水，奔驰的汽车等，构成物质的分子和原子还存在着微观运动，这些运动很难直接观察或捕捉，通常都是以间接的方式被认识和研究的，比如炒菜时满屋飘香（气味分子的扩散运动）。与宏观现象一样，微观世界的物质运动也必然伴随着能量的变化和转移，这些变化直接与电磁波发生联系，可以用简单的关系式，即普朗克定律来表示：

式中
为能量的变换值，h为普朗克常数，
为电磁波的频率。

电磁波是以波动的形式传播的电磁场。按照波长或频率的顺序把相应的电磁波排列起来，就是电磁波谱（如下图）。依照波长的长短、频率以及波源的不同，电磁波谱可大致分为：γ射线、X射线、紫外线、可见光、红外线、微波和无线电波，而本片文章要介绍的就是利用红外辐射的红外光谱分析。

分子在振动运动的同时还存在转动运动，红外吸收光谱是分子振动能级的跃迁（同时伴随转动能级的跃迁）而产生的，实际上是分子的振动与转动运动的加和表现，因此又称为分子振动转动光谱。接下来就让我们踏上旅程，去探索一下红外吸收光谱图的形成过程吧！

和可见光一样，红外辐射可以a、从物质表面反射b、被物质吸收c、穿透物质（如下图）。

物质吸收电磁辐射应满足两个条件：

（1）辐射应具有刚好能满足物质跃迁时所需的能量；

（2）辐射与物质之间有相互作用。

当一定频率（一定能量）的红外光照射分子时，如果分子中某个基团的振动频率和红外辐射的频率一样，就满足了第一个条件。为满足第二个条件，分子必须有偶极矩的改变。什么是偶极矩呢？我们知道，任何分子就其整体而言是呈现电中性的，但由于分子中的各个原子因外层电子得失难易表现出不同的电负性，使得分子显示不同的极性。我们通常用偶极矩μ来表示分子极性的大小（如下图）：

只有发生偶极矩变化的振动才能产生可观测的红外吸收光谱。由于d的瞬时值不断在发生变化，分子的偶极矩μ也相应地改变。当一定频率的红外光照射分子时，如果分子中某个基团的振动频率和它一样，二者就会产生共振，此时光的能量通过分子偶极矩的变化传递给分子，增加了基团的振动能，振幅加大，这个基团就吸收一定频率的红外光，产生振动跃迁。

而当使用连续改变频率的红外光照射分子时，如果红外光的振动频率和分子中各基团的振动频率不同，该部分红外光就不会被吸收（如上图）。这样由于通过分子的红外光被吸收的情况不同，在一些波长范围内被部分吸收后变弱，在另一些波长范围内不被吸收，将分子吸收红外光的情况用傅里叶变换红外光谱仪记录下来，就得到该样品的红外吸收光谱图了。下图为傅里叶变换红外光谱仪记录红外谱图过程示意图：

通过这些得到的红外吸收光谱图我们就可以分析物质的结构，获取有用的结构信息。那么具体如何来看？

分子中的原子有两种基本振动形式类型，即伸缩振动和变角振动，其中变角振动又包括弯曲振动和变形振动。如果我们把分子比作用一根弹簧连接的两个刚性小球（如下图），那么弹簧长度就代表化学键的长度。

对于双原子分子来说，只有一种伸缩振动形式，即两个小球在同一直线上来回伸缩；而对于多原子分子，则存在多种振动形式，比如H2O分子的对称伸缩振动、反对称伸缩振动和弯曲（变形）振动（图1），还有甲基的伸缩振动和不同种类的弯曲（变形）振动（图2）。

图1水分子的红外谱图

图2甲基的振动形式

红外光谱除用波长λ（单位μm）表征外，为便于表达，还广泛使用波数（单位cm-1）表征。波数是波长的倒数，表示每厘米长光波中波的个数，波数和波长的关系式为:

v（cm-1）=1/λ（cm）=10000/λ（μm）

习惯上按照红外线波长，将红外光谱分成三个区域：近红外区、中红外区和远红外区三个波段。三个区的波长和波数范围如下图所示：

其中，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。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系指波长在2.5-25μm之间的中红外光谱。就像每个人都有不同的指纹一样，每一种化合物也都有属于自己的“指纹图谱”——红外光谱，其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。红外光谱与紫外光谱、质谱、核磁共振并称物质结构分析“四大谱”，是仪器分析中重要的分析手段之一。

随着红外光谱附件技术（如显微镜、漫反射、镜面反射和掠角反射、衰减全反射等配件）和计算机软件技术（如差谱技术、红外光谱谱图压缩数据库及其网络传输等）的高速发展，红外光谱技术的应用迅速拓宽至诸多领域。

新型冠状病毒感染的肺炎疫情严峻，测量体温成为防控疫情的必要手段。人体红外线测温仪做为关键的医疗设备，在疫情防控中充分发挥主导作用。