《物理红外光谱》课件

物理红外光谱红外光谱是物理化学领域的重要研究手段，通过分析物质对红外光的吸收特性，可以确定分子结构、能级跃迁和化学键信息本课程将系统介绍红外光谱的基础理论、仪器原理、实验方法与应用场景我们将从红外光谱的物理本质出发，探讨分子振动与红外吸收的关系，学习红外仪器的工作原理，掌握不同样品的测量方法，并了解红外技术在各领域的广泛应用与前沿发展红外光谱发展历程年首次发现1800英国天文学家威廉赫歇尔（）在研究太阳光谱·William Herschel时，偶然发现了红外辐射的存在，他观察到温度计在可见光谱红端之外仍有温度升高年基础发展1900-1950朗缪尔提出分子振动理论，奠定红外光谱学基础；早期仪器以棱镜分光为主，分辨率和灵敏度有限年技术革新1950-1970傅里叶变换红外光谱（）技术的出现，计算机技术引入数据采FTIR集和处理，显著提高了光谱测量效率和分辨率年至今现代应用1970红外区域及波段划分近红外区（）中红外区（）NIR MIR波长范围波长范围

0.75-

2.5μm

2.5-25μm波数范围⁻波数范围⁻13000-4000cm¹4000-400cm¹特点主要为分子振动的倍频和合特点分子基频振动区域，信号强频，信号较弱但穿透能力强度大，结构信息丰富应用食品分析、药品检测、农产应用分子结构鉴定、化学成分分品无损检测析远红外区（）FIR波长范围25-1000μm波数范围⁻400-10cm¹特点主要为重原子振动、分子骨架振动及晶格振动红外光谱的物理基础分子能级跃迁能量与分子状态变化分子振动与转动键长、键角发生周期性变化量子化特性能量水平离散分布红外光谱的物理本质是分子吸收特定频率的红外光子后，从振动基态跃迁到振动激发态的过程根据量子力学理论，分子的振动能量是量子化的，只有当入射的红外辐射频率与分子振动频率相匹配时，才会发生能量吸收分子振动模式伸缩振动（）弯曲振动（）复合振动Stretching Bending伸缩振动是分子中两个原子沿着键轴弯曲振动是分子中键角发生周期性变方向周期性靠近和远离的振动对于化的振动包括剪式弯曲、摇摆弯曲、多原子分子，伸缩振动可进一步分为扭曲振动和面内面外弯曲等多种类型/对称伸缩（两个键同时伸长或缩短）弯曲振动通常需要较小的能量，所以和反对称伸缩（一个键伸长而另一个在光谱中出现的波数较低键缩短）红外活性判据红外活性与非活性区别对于完全对称的振动，如同核双原子分子（₂₂）的N,O对称伸缩，偶极矩没有变化，因此红外不活性而对于异核双原子分子（）的伸缩振动，偶极矩会发生变CO,HCl化，因此表现为红外活性分子要在红外光谱中表现出活性（能被检测到），必须满足基本条件在振动过程中分子的偶极矩必须发生变化偶极矩是描述电荷分布不均匀性的物理量，只有当振动导致电荷分布变化时，才能与电磁场相互作用红外吸收强度偶极矩变化偶极矩变化量（）越大，吸收强度越强∂μ/∂q样品浓度与厚度符合比尔朗伯定律，吸光度与浓度、光程成正比-温度影响温度升高导致能级分布变化，影响吸收强度分子结构因素旋转振动红外光谱-分子旋转分子振动分子整体绕质心旋转，能量量子化，原子相对运动，能量远高于旋转，形成一系列等间距能级形成振动能级光谱特征振转耦合振动与旋转运动相互影响，导致光谱线分裂红外光谱基本规律麦克斯韦玻尔兹曼统计光谱线的展宽效应-分子在不同能级上的分布遵循麦克斯韦玻尔兹曼分布律，理想状态下，分子的能级跃迁应该产生极其尖锐的谱线，-可以用下式表示但实际观测到的红外吸收峰总是具有一定的展宽主要的展宽效应包括Ni/N0=gi/g0exp-ΔE/kT•多普勒展宽由于分子热运动造成•压力展宽分子间碰撞导致能级寿命缩短其中，和分别为高能级和低能级的分子数，和Ni N0gi g0•自然展宽由海森堡不确定原理决定为对应能级的简并度，为能级差，为玻尔兹曼常数，ΔE k为绝对温度在室温条件下，大多数分子处于振动基•仪器展宽仪器分辨率的限制T态，因此基频吸收（）是最强的v=0→v=1红外仪器发展综述棱镜色散光谱仪（年代）1900-1950利用材料对不同波长红外光折射率差异进行分光，分辨率低，测量速度慢，需使用热电偶作为检测器光栅分光光度计（年代）1950-1970采用光栅作为分光元件，比棱镜具有更高的分辨率和更好的线性度，但仍属于逐点扫描测量，效率不高傅里叶变换红外光谱仪（年代至今）31970基于迈克尔逊干涉仪原理，同时收集全波段信息，通过傅里叶变换重建光谱，具有高信噪比、高分辨率和高精度等优点现代多功能红外系统（年至今）2000红外光谱仪器基本结构光源系统提供覆盖整个工作波段的红外辐射样品室放置不同形态样品的区域色散干涉系统/3实现光谱分离或干涉图形成检测系统将光信号转换为电信号数据处理系统常用红外光源全球热源（）钨丝灯Globar碳化硅棒通电发热产生宽带红钨丝电阻加热发光，工作温度外辐射，工作温度约约，主要适用于近红3000K覆盖中红外区域，外区域（）结构1300K1-

2.5μm能量高，寿命长（约年），简单，价格低廉，但在中远红2是最常用的商业红外光源与外区域能量不足常用于低端尼克尔丝（红外光谱仪或近红外专用设备Nichrome）相比，碳化硅棒具有中wire更高的温度和更好的辐射特性激光光源干涉仪原理（迈克尔逊）光束分割光程差形成相干干涉入射光被分束器分为两束，移动镜的位移产生两束光之反射回的两束光在分束器处分别射向固定镜和移动镜间的光程差重合产生干涉干涉图记录检测器记录不同光程差下的干涉强度迈克尔逊干涉仪是傅里叶变换红外光谱仪的核心部件当单色光通过干涉仪时，随着移动镜位移，光强随光程差呈余弦变化而对于复杂光源，干涉图是各波长光贡献的叠加，通过傅里叶变换可以重建出原始光谱光程差与移动镜位移的关系为当光程差为波长的整数倍时，发生相长干涉；当为波δxδ=2x长的半整数倍时，发生相消干涉这种变化模式被记录为干涉图，是光强与光程差的函Iδ数样品室及配件现代红外光谱仪配备多种样品室配件，以适应不同形态样品的测量需求透射式配件适用于气体、液体和薄固体样品，是最基本的测量方式反射式配件包括镜面反射、漫反射和衰减全反射（），特别适合难以制备透射样品的材料ATR技术利用全反射时产生的消逝波与样品表面相互作用，仅探测样品表面几微米厚度，无需复杂样品制备，已成为最流行的固体和液体样品测量方ATR法其他特殊配件还包括微区测量的显微配件、高温低温原位测量的温控池等/红外检测器类型检测器类型工作原理响应波段优缺点热电堆红外辐射加热产全波段响应慢，灵敏度生温差电动势低，但稳定耐用热释电检测器温度变化引起极全波段室温工作，中等化强度变化灵敏度碲镉汞检光电效应，入射高灵敏度，快速MCT2-25μm测器光子激发电子跃响应，需低温制迁冷硫化铅检光电导，光子吸适用于近红外，PbS1-3μm测器收改变电阻率室温工作铟锑检测光电导，电子从高灵敏度，需液InSb1-

5.5μm器价带跃迁到导带氮冷却傅里叶变换与数据处理干涉图采集数据预处理傅里叶变换光谱显示记录光强随光程差变化截断、归一化、相位校正从时域转换到频域透过率吸光度格式/傅里叶变换将干涉图（时域）转换为光谱（频域），是通过下式实现的Bν=∫Iδcos2πνδdδ其中是波数为的光谱强度，是光程差为时的干涉强度实际计算中，采用快速傅里叶变换（）算法提高运算效率为减少截断效应引起的伪峰，通常对BννIδδFFT干涉图应用窗函数（如三角形、函数）进行修饰，这一过程称为汉宁或加窗Happ-Genzel仪器性能指标⁻⁻

0.1cm¹4cm¹分辨率极限常规分辨率高端研究级的理论极限分辨率常规分析应用的标准分辨率FTIR30,000:

10.01%信噪比波数精度高端仪器的峰峰信噪比（分钟扫描）波数标定的相对精度-1红外光谱仪器的分辨率与光程差的最大值成正比，由公式决定，其中是分辨率（⁻），是最大光程差（）提高分辨率需要增加移动镜的行程，但同时会降Δν=1/δmaxΔνcm¹δmax cm低信噪比灵敏度通常以信噪比表示，影响因素包括检测器性能、光源亮度、光学系统效率和电子学噪声等波长波数准确性依赖于移动镜位置的精确测量，通常使用激光作为参考标准现/He-Ne代仪器通常采用动态校准，使波数准确度达到⁻左右FTIR

0.01cm¹红外样品种类与测量方式总览固体样品适用方法压片法、法、漫反射法、薄膜透射法KBr ATR特点与挑战样品制备可能复杂，需考虑晶形、粒度等因素影响液体样品适用方法液体池透射法、法、液膜法ATR特点与挑战溶剂选择需避免目标峰干扰，浓度控制影响谱图质量气体样品适用方法气体池透射法、长光程气体池特点与挑战需控制压力和温度，微量组分检测要求高灵敏度表面界面样品/适用方法法、反射吸收法、光谱椭偏法ATR特点与挑战信号弱，背景干扰大，需特殊技术提高表面灵敏度固体样品测量压片法法糊法KBr ATRNujol将样品与干燥的粉末（红外透明样品直接放置在晶体（如金刚石、将样品研磨后与液体石蜡（）混KBr ATRNujol材料）充分混合研磨后，在液压机下锗、等）表面，通过消逝波与样合成糊状，涂在或窗片上测ZnSe KBr NaCl压制成透明薄片典型配比为品表面相互作用无需样品制备，测量适用于难以压片的样品，但矿物1-2mg样品与优点是获得高量快捷，特别适合不透明或厚重样品，油的吸收带会干扰谱图，需用全200mg KBrC-H质量透射谱，缺点是样品制备耗时且但仅检测样品表面几微米深度氯代烃替代物作对照需技巧液体样品测量液膜法液体样品池选择适用于挥发性较低的纯液体样品，将一滴样品直接滴在液体池由两片透明窗片和间隔垫片组成，常用窗片材料包或窗片之间，压成薄膜后测量优点是操作简单，括KBrNaCl适合快速定性分析；缺点是膜厚难以控制，不适合定量分•价格适中，透过范围⁻，但易NaCl4000-600cm¹析溶于水溶液法•透过范围更宽（⁻），但同样怕水KBr4000-400cm¹将样品溶解在适当溶剂中（如₄、₂等），装入固•₂耐水性好，但透过范围较窄（CCl CSCaF4000-定光程的液体池中测量优点是可控制浓度和光程，便于⁻）1000cm¹定量分析；缺点是需选择合适溶剂避免溶剂峰干扰•耐水且化学稳定，适用范围广，但价格较高ZnSe光程（垫片厚度）选择水溶液一般选择，有10-50μm机溶液选择

0.1-1mm气体样品测量标准气体池长光程气体池变温变压气体池气体检测下限/固定光程（通常利用多次反射光学系具备温度和压力控制典型检测下限标准5-）的密闭气室，统（池或功能的特殊气体池，气池为级别，长10cm Whiteppm适用于常规浓度气体池）延长有效用于研究气体温度压光程池可达甚至Herriot/ppb分析特点是操作简光程至数米至数百米，力依赖性或反应动力级别，特别适用ppt单，但灵敏度有限显著提高灵敏度，适学于环境监测和工业过用于痕量气体分析程控制薄膜与表面测量镜面反射法法ATR适用于高反射率样品表面，反射光包含基于全反射消逝波与样品表面相互作样品表面信息用，高度表面敏感掠射入射反射吸收法漫反射法极低角度入射增强表面灵敏度，适用于适用于粉末和粗糙表面，捕捉散射光获3金属基底上的薄膜取表面信息技术是最常用的表面分析方法，基于全反射时产生的消逝波原理当光从高折射率材料（晶体）射向低折射率材料（样品）ATR ATR界面时，若入射角大于临界角，发生全反射此时界面处形成消逝波，穿透样品表面约深度

0.5-5μm穿透深度与波长、入射角和折射率比₂₁的关系为₁₂₁，其中₂₁ATR dpλθn dp=λ/[2πn sin²θ-n²^1/2]n=₂₁对于强吸收样品或不透明样品，是首选方法n/n ATR微区红外与成像红外显微技术红外成像技术红外显微镜将光学显微镜与红外光谱仪结合，实现微小区红外成像通过阵列检测器或点扫描方式，同时获取空间分域的化学分析主要特点布和光谱信息，形成三维数据立方体（）主要类x,y,λ型•空间分辨率受衍射限制，通常为10-20μm•焦平面阵列（）成像同时采集整个区域的光谱•测量模式透射、反射、多种模式FPAATR•线阵列扫描一次获取一行的光谱数据•样品类型微粒、纤维、薄膜、包埋切片等•点扫描成像逐点采集光谱，分辨率高但耗时•应用领域法医分析、材料缺陷、细胞组织分析成像数据处理方法包括主成分分析（）、聚类分析和PCA多元校正等化学计量学方法，可视化样品中不同组分的空间分布红外光谱图的基本认识典型无机分子的红外谱⁻2349cm¹₂CO二氧化碳的反对称伸缩振动吸收峰⁻1095cm¹₂SiO硅氧四面体的伸缩振动Si-O⁻3570cm¹OH无机物中自由羟基的伸缩振动⁻1630cm¹₂H O水分子的弯曲振动无机物的红外光谱主要由金属配体键和配体配体键的振动决定相比有机物，无机物谱图通常峰数较少，主要集中在指纹区（--1500-⁻）400cm¹对于简单的双原子无机分子（如、），仅有一个基本伸缩振动；对于三原子分子（如₂、₂），则有对称和反对称伸缩振动以及弯曲CO NO CO SO振动复杂的多原子分子或结晶态无机物（如硅酸盐、碳酸盐）则表现出更复杂的振动带，但通常仍可归属为特定基团的特征吸收有机分子的红外谱特征官能团区（⁻）4000-1500cm¹特定键与官能团的特征吸收区域指纹区（⁻）1500-400cm¹分子整体骨架振动的特征区域骨架区（⁻）1500-700cm¹、、等骨架键的振动C-C C-O C-N弯曲振动区（⁻）1500-650cm¹、等基团的弯曲振动C-H N-H有机分子的红外光谱通常可分为两个主要区域官能团区（⁻）和指纹区（⁻）官能团区的吸收主要由分子中特定官能团引4000-1500cm¹1500-400cm¹起，不同类型的键（如、、、等）在此区域产生特征吸收带，位置相对固定，强度较大，便于识别分子中存在的官能团类型C=O O-H N-H C≡N指纹区吸收则更为复杂，是分子整体骨架振动和各种弯曲、面内面外摇摆等复合振动模式的综合表现，对分子结构高度敏感，即使结构略有不同的分子在此区域/也会表现出明显差异，犹如人的指纹一样独特，故称指纹区官能团红外吸收表官能团振动类型波数范围⁻吸收强度cm¹伸缩强，宽O-H3650-3200伸缩中，窄N-H3500-3300伸缩中C-Hsp³3000-2840伸缩中C-Hsp²3100-3000伸缩中C≡N2260-2220伸缩强C=O1820-1670伸缩弱中C=C1680-1620-伸缩强C-O1300-1000伸缩强C-Cl800-600指纹区与分子结构解析指纹区的结构专属性结构解析步骤指纹区（⁻）包含了分子骨架振动、变使用指纹区进行结构解析通常遵循以下步骤1500-400cm¹形振动和各种耦合振动的信息，对分子结构极为敏感即首先分析官能团区，确定分子中存在的主要官能团

1.使是异构体，也会在指纹区表现出明显差异例如，乙醇查找官能团所特有的指纹区谱峰作为辅助确认与二甲醚虽然分子式相同（₂₆），但指纹区谱图完

2.C HO全不同与标准谱图库进行比对，寻找最佳匹配

3.结合其他光谱技术（如核磁共振、质谱）确认结构

4.指纹区的主要特征包括对于未知样品，指纹区虽然复杂但信息量大，尤其适合物•、、骨架振动（⁻）C-C C-OC-N1300-800cm¹质鉴别和掺假检测在法医学、药品分析和艺术品鉴定中•面内弯曲振动（⁻）C-H1470-1300cm¹有广泛应用•面外弯曲振动（⁻）C-H1000-650cm¹•芳香环骨架振动（⁻）1600-1450cm¹红外光谱中的杂峰来源水汽干扰水分子在⁻和⁻附近有特征吸收，在未完全净化3700-3500cm¹1650cm¹的仪器中常见解决方法使用干燥剂；仪器氮气吹扫；采集背景谱时确保与样品测量条件一致二氧化碳干扰大气中₂在⁻和⁻处有尖锐吸收带解决方法氮气吹CO2350cm¹670cm¹扫仪器；使用实时背景扣除；软件处理减除₂峰CO仪器本底光源、检测器、光学元件等仪器本身的响应特性会影响谱图解决方法定期采集并更新背景谱；检查光学元件清洁度；定期维护和校准仪器样品制备因素中残留水分；样品厚度不均；光散射效应等都会引入假峰和基线异常解KBr决方法改进样品制备工艺；使用技术避免样品制备问题；选择合适的光ATR谱校正方法红外定量分析方法比尔朗伯定律校准曲线法峰处理技术-红外定量分析的理论基础是比尔朗伯最常用的定量方法是建立校准曲线制实际应用中，峰重叠、基线漂移等会影-定律，其中为吸光度，为备一系列已知浓度的标准样品，测量其响定量准确度常用的峰处理技术包A=εbc Aε摩尔吸收系数，为光程厚度，为浓吸光度，作吸光度浓度曲线，然后通括基线校正、峰分离、二阶导数、傅b c-度此定律表明，在一定条件下，吸光过未知样品的吸光度读取浓度对于复里叶自反卷积等这些技术可提高峰的度与样品浓度成正比实际应用中，通杂样品，可选择特征峰面积或使用多变分辨率和测量准确度，但数据处理方法常选择特征峰的峰高或峰面积进行定量校准如偏最小二乘法（）建立模的选择需考虑样品特性和分析目标PLS量型红外定性分析策略谱库检索与匹配计算机辅助搜索与已知谱图比对指纹区模式识别2根据指纹区独特谱型快速确认特征官能团分析根据特征峰识别存在的官能团差别法分析通过谱图差减突出关键特征红外光谱定性分析是化学物质鉴别的有力工具分析过程通常先从官能团区域（⁻）确认分子中存在的关键官能团，如羟基、羰基、4000-1500cm¹胺基等，再结合指纹区（⁻）的整体模式进行物质确认1500-400cm¹现代分析通常采用计算机辅助谱库检索，通过相似度算法比对未知谱图与标准谱库常用谱库包括美国国家标准与技术研究院（）的谱库、NIST谱库等差别法分析特别适用于复杂混合物，通过数学运算消除基质干扰，突出目标组分的谱图特征Sadtler联用分析红外拉曼质谱--红外光谱检测偶极矩变化的振动，对极性基团敏感适合官能团鉴定，如、、等C=O OHNH拉曼光谱检测极化率变化的振动，对对称结构敏感适合骨架确认，如、、芳香环等C=C S-S质谱提供分子量和结构碎片信息精确确定分子组成和结构单元这三种互补技术的联用可提供全面的分子结构信息红外和拉曼光谱基于不同选择定则，前者检测偶极矩变化的振动，后者检测极化率变化的振动，因此它们的活性经常互补红外光谱中不活跃的振动模式在拉曼光谱中可能活跃，反之亦然质谱则提供了完全不同的信息维度，通过分子碎片化模式确定分子量和结构单元三种技术的联合使用能够显著提高结构鉴定的准确性和可靠性，特别适用于新化合物的结构确证、复杂混合物分析和材料表征现代一体化仪器已实现这三种技术的集成，提高了分析效率红外光谱在有机化学中的应用合成反应监测反应机理研究产物纯度分析红外光谱可实时监测有机反应过程中官通过跟踪中间体的出现和消失，红外光有机合成产物的纯度评价常利用红外光能团的变化，例如观察酯化反应中羧酸谱可揭示反应机理特别是对于不稳定谱，通过检测残留起始物、副产物或杂峰（⁻）转变为酯中间体，低温红外技术可以冻结反应质的特征峰实现如氧化反应后残留的C=O1700cm¹C=O峰（⁻）现代原位红外技步骤，捕捉关键中间态结构例如，格醇基（⁻）、未完全反应的1740cm¹3500cm¹术（如）能连续记录反应过程氏反应中有机镁中间体的确认，以及羰羰基（⁻）等结合定量分ReactIR1700cm¹谱图变化，确定反应动力学参数和最佳基化合物亲核加成反应的过程研究析方法，可准确测定主要产物的含量和反应终点杂质水平红外在材料科学的应用聚合物结构表征纳米材料表征红外光谱是聚合物研究的基础工具，提供以下信息红外光谱在纳米材料研究中的应用•单体组成与序列通过特征峰识别组成单元•表面官能化检测纳米颗粒表面修饰基团•链构象如聚丙烯的全同立构和间同立构区分•纳米复合材料分析填料与基体间的相互作用•结晶度通过特定峰形状和位置计算结晶区域比例•量子效应观察纳米尺度下的振动特性变化•取向度使用偏振红外测量分子链段取向•表面吸附研究分子在纳米材料表面的行为•分子间相互作用如氢键、离子键等先进技术如红外纳米光谱（）可突破衍射极限，nano-FTIR实现纳米尺度空间分辨的化学成分分析，为纳米器件和纳通过红外可监测聚合物老化、降解和交联过程，评估材料米生物研究提供重要工具稳定性和使用寿命红外在环境检测中的应用

0.1ppb气体检测极限长光程可达到的检测下限FTIR VOCs24/7连续监测工业排放在线监测系统工作模式20+同时检测组分可同时分析的气体污染物种类FTIR5s响应时间现代红外气体分析仪的典型响应速度红外光谱技术在环境监测领域具有多组分同时分析、灵敏度高、响应快速等优势主要应用包括大气污染物监测（、₂、₄、₂、CO COCH NO₃、₂等）、工业废气排放监控（、氮氧化物、硫化物等）和室内空气质量评估O SOVOCs在水质监测方面，可检测水中有机污染物、农药残留和微塑料等便携式设备实现了现场快速检测，无需样品前处理，大大提高了ATR-FTIR FTIR环境监测效率红外高光谱成像技术则能对环境污染进行空间分布分析，为污染源追踪和扩散模拟提供数据支持红外在生物科学的应用蛋白质结构分析脂质膜研究红外光谱能有效识别蛋白质的二级结构红外光谱在脂质膜研究中可监测脂质相组成酰胺带（变、氢键网络和脂质蛋白相互作用I1700--⁻）和酰胺带（伸缩区（⁻）1600cm¹II1600-C-H3000-2800cm¹⁻）对蛋白质构象极为敏的峰位置和宽度反映脂链有序度和流动1500cm¹感通过峰位置和形状变化，可以确定性，是膜结构研究的重要指标螺旋、折叠、转角和无规卷曲α-β-β-偏振可分析膜表面分子排ATR-FTIR的比例时间分辨红外光谱可研究蛋白质折叠列和取向，为生物膜模型研究提供重要/解折叠动力学过程，揭示中间态结构和信息折叠通路生物组织分析红外显微成像技术可无损分析生物组织的化学组成和分布，区分正常与病变组织通过特征峰识别蛋白质、脂质、核酸和糖类的含量变化，辅助疾病诊断和药物代谢研究红外光谱还可识别细菌和微生物，利用细胞壁特有的振动指纹进行微生物分类和鉴定红外在医药与食品中的应用药品质量控制假药鉴别食品真实性与安全性红外光谱在制药行业用于原料鉴别、纯度便携式红外设备可在现场快速鉴别假冒伪红外光谱可检测食品中的蛋白质、脂肪、检测和含量测定（活性药物成分）劣药品，无需复杂样品处理通过比对可碳水化合物和水分含量，评估食品营养价API的结晶形态、水合状态和多晶型分析对药疑样品与正品的光谱差异，能迅速发现成值更重要的是，它能揭示食品掺假行效和稳定性至关重要，可快速区分不分不一致的伪劣产品该技术已在全球药为，如橄榄油中混入低价值植物油、蜂蜜FTIR同多晶型和药典已将作为药品品监管和边境检查中广泛应用，成为打击中添加糖浆等近红外技术已发展成为乳FDA FTIR质量控制的标准方法，特别适合生产线的假药的重要工具制品、肉制品、谷物和饮料等多种食品的实时过程分析（）快速无损检测方法PAT红外成像与空间分析数据采集数据预处理通过检测器或点扫描获取三维数据立方1FPA光谱校正、归一化和降噪增强信号质量体化学图像生成模式识别使用单波数、积分面积或多变量分析创建分布通过聚类分析和人工智能自动分类成分3图红外成像结合了光谱分析和空间分辨能力，可同时获取样品的化学组成和分布信息红外成像有两种主要实现方式一是使用焦平面阵列（）检测FPA器，可以同时采集整个视场的光谱数据；二是点扫描方式，通过移动样品或光束逐点采集光谱在医学诊断领域，红外成像已应用于肿瘤组织分析，通过识别正常组织和肿瘤组织的生化差异，辅助病理诊断在材料科学中，可用于分析复合材料的组分分布、药物制剂中活性成分的均匀性，以及涂层完整性评估等红外成像的空间分辨率通常在左右，受衍射限制，但新型近场技术可进一步10μm提高分辨率太赫兹光谱与远红外物理太赫兹辐射定义太赫兹辐射指频率约为（波长）的电磁波，位于远红外与微

0.1-10THz30μm-3mm波之间的太赫兹间隙区域这一区域长期因缺乏高效的光源和检测器而研究不足，但近年来技术突破使得太赫兹科学快速发展物理特性太赫兹波对应的能量范围为，主要激发分子的集体振动模式，如晶格振动、

0.4-40meV分子转动、氢键网络振动和大分子低频振动等与中红外不同，太赫兹波不探测分子内部键的振动，而是检测分子间相互作用和大尺度结构信息穿透与安全性太赫兹波能穿透大多数非极性材料（如塑料、纸张、陶瓷、织物等），但被金属反射、被水强烈吸收太赫兹光子能量低（比射线低约万倍），不会电离分子，因此对生物X100组织无损伤，适合安全成像应用指纹特性许多物质（特别是爆炸物、毒品、药物）在太赫兹区域具有独特的吸收指纹，可用于物质无标记识别蛋白质等生物分子的功能相关低频振动也主要分布在太赫兹区域，为生物分子研究提供了新视角红外光谱前沿与新技术超快红外光谱利用飞秒激光脉冲研究分子振动动力学，时间分辨率可达100fs量级，能直接观察化学键形成和断裂过程双光子红外光谱通过非线性过程同时吸收两个光子，可探测传统红外不活性的振动模式，提供互补结构信息相干反斯托克斯拉曼光谱结合红外和拉曼技术的优势，大幅提高检测灵敏度，实现无标记分子成像超分辨红外技术突破衍射极限，通过近场探针或光学天线实现纳米尺度空间分辨率的化学成分分析红外纳米光谱散射型近场红外光谱（）光热诱导共振（）s-SNOM PTIR结合原子力显微镜（）和红外光谱技术，（也称）利用样品吸收红外光后产生的局部s-SNOM AFMPTIR AFM-IR通过金属针尖的近场增强效应，将红外光束聚焦至纳米尺热膨胀，通过针尖检测样品膨胀导致的悬臂梁偏转AFM度当针尖扫描样品表面时，近场散射信号包含样品局部信号强度与样品局部红外吸收成正比，实现约分辨10nm介电性质信息，实现约空间分辨率的化学成分率的化学成分识别10-20nm分析与相比，信号与传统红外吸收谱直接对应，s-SNOM PTIR该技术可研究单个纳米颗粒、二维材料、生物膜等样品的便于谱图解释和数据库比对该技术已成功应用于聚合物纳米尺度化学组成和光学性质，克服了传统红外光谱受衍相分离、药物制剂、细胞亚结构和半导体器件等领域的研射限制的缺陷新型宽带红外激光光源的发展使得全光谱究，为材料和生命科学提供了前所未有的纳米尺度化学分纳米红外测量成为可能析能力高分辨成像与单分子红外表面增强红外吸收针尖增强红外技术激光光源技术进展表面增强红外吸收（）利用金属纳米针尖增强红外技术结合了的高空间分量子级联激光器（）作为新型红外光源，SEIRA AFMQCL结构的表面等离激元共振，在局部产生强大辨率和红外光谱的化学识别能力当金属针具有高亮度、窄带宽和可调谐等特点，为高的电场增强，显著提高红外信号强度（可达尖接近样品表面时，针尖与表面之间的纳米分辨成像提供了理想光源基于的红外QCL倍）通过精心设计的纳米天线阵间隙形成纳米腔，产生强烈的电场增强成像系统可在毫秒级时间内获取高质量化学10⁴-10⁶列，近年来技术已实现接近单分子水这种技术不仅可实现纳米尺度成像，还能探图像，实现实时动态过程监测结合先进探SEIRA平的检测灵敏度，特别适合研究表面吸附分测少量分子甚至单分子的振动指纹，为表面测器阵列，已开发出可实现视频速率的化学子和生物分子相互作用化学、催化研究提供强大工具成像系统，为微流控、药物释放等动态过程研究开辟新途径仪器维护与常见故障排查故障现象可能原因处理方法能量过低光源老化或光路受阻检查并更换光源；清洁光学元件水汽干扰严重净化系统失效或密封不检查气路；更换干燥剂；良延长吹扫时间分辨率下降干涉仪光学元件移位或校准干涉仪；清洁或更污染换光学元件基线严重漂移仪器温度不稳；背景变稳定室温；重新采集背化景；检查样品室噪声过大检测器老化；电源不稳冷却或更换检测器；稳定电源波数准确度偏差参考激光漂移或干涉仪校准波数；检查参考激失调光谱图解析常见误区峰重叠问题常见误区将重叠的多个峰误认为单一宽峰，导致结构判断错误处理方法使用二阶导数光谱、峰分离软件或傅里叶自反卷积技术增强分辨率；结合其他光谱技术（如拉曼）获取互补信息峰归属偏差常见误区机械套用标准图表进行峰归属，忽视分子环境影响处理方法考虑分子内氢键、共轭效应等对峰位的影响；使用同位素标记和理论计算辅助确认；重视相对峰强而非仅关注峰位基线校正过度常见误区过度校正基线导致引入假峰或抹除真实信号处理方法使用最小程度校正；保留原始谱图与校正谱图对比；采用标准化校正方法减少主观因素；使用自动化算法保证一致性定量分析不准确常见误区忽视样品浓度非线性效应和基质效应处理方法确保工作在比尔朗伯定律-线性范围内；使用多变量校准模型考虑基质干扰；选择合适的内标物；定期验证和更新校准曲线软件数据处理基础光谱平滑处理噪声会干扰光谱分析，特别是在低浓度样品或快速扫描情况下常用的平滑算法包括平滑（通过多项式拟合局部区域减少噪声）、傅里叶Savitzky-Golay滤波（在频域过滤高频噪声）和小波变换（多尺度分析）平滑处理需谨慎，过度平滑会导致谱图细节丢失基线校正技术基线漂移主要由散射、样品厚度不均和仪器漂移引起主要校正方法有手动多点校正（选择无吸收点作为基线锚点）、自动多项式拟合（用多项式拟合基线并减除）、自适应迭代法（逐步接近真实基线）对光ATR谱，还需考虑穿透深度随波长变化的校正高级数据分析多元统计分析可从复杂谱图中提取最大信息主成分分析（）用于PCA降维和模式识别；偏最小二乘（）用于光谱定量分析建模；聚类分PLS析用于光谱归类这些方法需要合理的数据预处理（如标准化、均值中心化）和交叉验证，确保模型稳健性和预测准确性红外光谱课程重难点及学习建议理解红外光谱物理本质掌握分子振动与光谱关系的根本原理1建立系统知识结构从设备原理到应用技术的完整学习实验操作与数据分析培养实际解决问题的能力结合科研前沿拓展视野理解新技术发展趋势学习红外光谱最困难的部分通常是谱图解析，特别是复杂分子的指纹区解析建议采取由简入繁策略，先熟悉基本官能团特征峰，再学习处理峰重叠和基质干扰另一难点是理解量子力学基础上的振动理论，可通过分子模型和动画辅助理解学习建议重视基础理论与实际操作相结合；建立自己的谱图库，积累解析经验；利用计算机软件辅助谱图分析，但不过度依赖；经常查1234阅标准谱图，培养光谱眼；结合具体应用场景学习，增强解决实际问题的能力5研究热点与学科前景便携式与微型化人工智能与大数据量子光源与检测器基于技术和微型机器学习算法在谱图解量子级联激光器、太赫MEMS光源的手持式红外设析和多变量分析中的应兹源等新型光源技术拓备，使现场快速检测成用，实现复杂样品的自展了红外光谱的应用范为可能，应用于食品安动识别和混合物定量分围，单光子检测技术大全、环境监测和安防等析，提高分析效率和准幅提高灵敏度，实现极领域确性微量分析医疗诊断与生物成像红外光谱与成像技术在病理学诊断、药物递送监测和活体组织分析中的应用，特别是结合微流控和纳米技术的生物医学检测平台红外光谱技术正向多尺度、高通量、智能化方向发展物理界与红外光谱相关的研究热点包括超快红外技术探索分子动力学过程；近场红外突破衍射极限实现纳米分辨；基于超材料的红外传感器提高检测灵敏度；太赫兹技术探索生物大分子功能构象动力学等本课程文献与数据资源推荐经典教材谱图数据库•《红外光谱分析》林汉枢主编，化学工业•NIST ChemistryWebBook出版社（）https://webbook.nist.gov/•《分子光谱学导论》（第四版）彭争春等译，•Bio-Rad/Sadtler红外谱库科学出版社•Aldrich-Sigma-Fluka谱图集•《傅里叶变换红外光谱学》Peter R.•中国科学院化学数据库著，科学出版社Griffiths（）http://www.chemdb.csdb.cn/•《物理光谱学导论》陈慧琴，高等教育出版社•AIST光谱数据库（日本）•《Infrared andRaman Spectroscopy》著，Peter LarkinElsevier学术期刊•《Applied Spectroscopy》•《Journal ofMolecular Spectroscopy》•《Vibrational Spectroscopy》•《Spectrochimica ActaPart A》•《光谱学与光谱分析》•《分析化学》典型案例分析案例聚合物老化分析案例药物多晶型鉴别背景聚乙烯样品长期暴露在户外环境中，出现了明显的物理背景某抗生素原料药显示不同批次的疗效和溶解性存在差异，性能下降需要通过红外光谱分析确定材料变化的分子机制怀疑存在多晶型现象需要通过红外光谱确认晶型差异并建立鉴别方法测量条件使用，分辨率⁻，扫描次数ATR-FTIR4cm¹32次，测量范围⁻分别测量新样品和老化样测量条件压片法，分辨率⁻，扫描次，测量范4000-400cm¹KBr2cm¹64品围⁻4000-400cm¹结果解析对比谱图显示老化样品在⁻处出现新的1720cm¹羰基特征峰，表明发生了氧化过程；⁻处出现宽结果解析两批样品在指纹区（⁻）显示明3400cm¹1500-500cm¹峰，表明形成了羟基；伸缩区（⁻）显差异，特别是在⁻和⁻区C-H2920-2850cm¹1100-1000cm¹700-600cm¹峰强度降低，指示₂基团减少域的峰形和位置不同；伸缩区（⁻）的峰形也CH NH3300cm¹有差异，表明氢键网络不同结论聚乙烯主要通过光氧化机制老化，紫外光和氧气导致链断裂和羰基、羟基引入，降低了材料的力学性能建议在新材结论确认样品存在两种晶型（型和型）型溶解度较高αββ料中添加稳定剂和抗氧化剂以提高耐久性但稳定性较差建立了基于指纹区特征峰比值的定量测定方UV法，可用于生产过程控制，保证产品一致性课程总结与答疑仪器原理理论基础傅里叶变换红外光谱仪的工作原理，干涉图分子振动与跃迁的量子特性，选择定则，红与光谱转换外活性判据实验方法3各类样品的制备与测量技术，误差控制与质量保证应用拓展谱图分析跨学科应用案例与前沿技术发展定性与定量分析方法，谱图解析策略物理红外光谱学是连接物理、化学、材料、生物等学科的桥梁通过本课程，我们从分子振动的物理本质出发，理解了红外光谱产生的机制，学习了现代光谱仪器的工作原理，掌握了不同样品的测量方法，并了解了红外技术在各领域的广泛应用红外光谱技术正以更快的速度、更高的分辨率、更广的适用范围向前发展希望同学们能将所学知识灵活应用于科研和实际工作中，培养科学思维和解决问题的能力在课程答疑环节，欢迎提出疑问，我们将进一步深入讨论光谱分析中的关键技术和常见问题。