近代红外光谱进展分析测试中心张普敦本部分的提纲：
1,红外光谱技术回顾
1,1 红外光谱技术的发展
1,2 红外光谱的原理
1,3 红外光谱实验技术
1,4 红外光谱解决的问题
2．红外光谱技术的一些最新进展
2,1红外反射技术
2,1,1镜面反射（ 30o）
2,1,2 掠角反射
2,1,3漫反射
2,1,4偏振红外光谱法
2,1,5衰减全内反射
2,1,6衰减部分内反射
2,1,7表面增强等离子体衰减全内反射技术
2,2 红外光声光谱技术
2,2,1光声光谱的产生
2,2,2光声光谱的原理
2,2,3光声光谱的应用
2,3 红外显微成像技术
2,3,1单点显微红外光谱技术
2,3,2单点显微红外成像
2,3,3焦平面阵列检测显微成像
2,3,4线阵列式成像技术
2,3,5红外显微成像技术的应用
2,4一些特殊的红外光谱技术
2,4,1时间分辨红外光谱技术
2,4,2二维红外相关谱技术
3．近红外和远红外光谱
3,1 近红外光谱
3,1,1近红外光谱分析技术概述及发展历程
3,1,2现代近红外光谱的工作过程
3,1,3 近红外光谱仪器
3,2远红外光谱
3,2,1 简介
3,2,2远红外仪器的特点
3,2,3影响远红外光谱的因素
3,2,4远红外光谱的应用
4．喇曼光谱
4,1喇曼光
4,2喇曼光谱的原理
4,3喇曼光谱实验技术
4,4喇曼光谱的应用
1.红外光谱技术回顾
1,1红外光谱技术的发展
1.1.1 第一代红外光谱仪－棱镜型红外光谱仪棱镜的分光原理如下：
1.1.2 第二代红外光谱仪－光栅型红外光谱仪光栅分光的原理如下：
传统的单缝衍射为了使各衍射条纹分得很开（即高分辨率），要求狭缝很小，这在制作上困难很大。衍射光栅能满足这一要求。由于缝数很大（最大可达 105），可以得到分光效率高，光强度很强的单色光。
1.1.3第三代红外光谱仪－傅立叶变换红外光谱仪（ FTIR,
Fourier Transform InfraRed Spectroscopy）
FTIR与前两代光谱仪最大的不同是它不采用分光系统，而是利用干涉图与光谱图之间的对应关系，通过测量干涉图并对干涉图进行傅立叶积分变换来测定光谱图。它事实上是以一种数学方式对光谱信息进行编码，同时测量、记录所有谱元的信号，并以很高的效率采集来自光源的辐射能量，因而信噪比和分辨率都得以大为提高。
1,2 红外光谱的原理
1.2.1红外光谱的产生分子中基团的振动和转动能级跃迁产生 振 -转光谱辐射 → 分子振动能级跃迁 → 红外光谱 → 官能团 → 分子结构近红外区中红外区远红外区
1.2,2红外吸收光谱产生的条件满足两个条件：
(1)辐射应具有能满足物质产生振动跃迁所需的能量；
(2)辐射与物质间有相互偶合作用 。
对称分子,没有偶极矩，辐射不能引起共振，无红外活性。 如,N2,O2,Cl2 等。
非对称分子,有偶极矩,有红外活性 。
1.2.3 分子振动方程式双原子分子的简谐振动及其频率化学键的振动类似于连接两个小球的弹簧,因此可按虎克定律进行解决,
k,化学键的力常数，与键能和键长有关，
为双原子的折合质量? =m1m2/（ m1+m2）
发生振动能级跃迁需要能量的大小取决于键两端原子的折合质量和键的力常数，即取决于分子的结构特征。 化学键键强越强（即键的力常数 K越大）原子折合质量越小，化学键的振动频率越大，吸收峰将出现在高波数区。
1.2.4 分子中基团的基本振动形式两类基本振动形式,
亚甲基变形振动亚甲基伸缩振动甲基的振动形式伸缩振动甲基：
对称 υ s(CH3) 2870 ㎝ -1 不对称 υas(CH3)2960㎝ -1
变形振动甲基对称 δ s(CH3)1380㎝ -1 不 对称 δ as(CH3)1460㎝ -1
1.2.5 峰位、峰数与峰强
峰位 化学键的力常数 K越大，原子折合质量越小，键的振动频率越大，吸收峰将出现在高波数区（短波长区）；反之，出现在低波数区（高波长区）。
峰数 峰数与分子自由度有关。无瞬间偶基距变化时，无红外吸收。
峰强 瞬间偶基距变化大，吸收峰强；键两端原子电负性相差越大（极性越大），吸收峰越强
B U C T
T u e J u l 0 4 1 5,2 5,1 7 2 0 0 6 ( G M T + 0 8,0 0 )
5
3
0
.3
6
8
4
3
.1
9
9
6
2
.1
5
1
0
6
1
.6
5
1
1
1
3
.0
7
1
1
4
6
.7
0
1
2
4
0
.8
1
1
2
8
0
.7
6
1
3
4
4
.1
3
1
4
6
8
.0
4
1
6
3
2
.5
1
2
8
8
7
.4
9
3
4
5
3
.7
6
除臭剂醚提后不溶物
-0
1 0
2 0
3 0
4 0
5 0
6 0
7 0
8 0
9 0
%T
5 0 0 1 0 0 0 1 5 0 0 2 0 0 0 2 5 0 0 3 0 0 0 3 5 0 0 4 0 0 0
W a v e n u m b e r s ( c m - 1 )
1.3 红外光谱实验技术
1.3.1 傅里叶变换红外光谱仪结构框图干涉仪光源样品室 检测器显示器绘图仪计算机干涉图光谱图
1.3.2 FTIR原理示意图
1.3.3 FTIR的主要部件
1.3.3.1 光源
1）能斯特灯：氧化锆、氧化钇和氧化钍烧结制成的中空或实心圆棒，直径 1-3 mm，长 20-50mm；室温下，
非导体，使用前预热到 800?C。
2） 硅碳棒：两端粗，中间细；直径 5 mm，长 20-
50mm。
1.3.3.2 分束器
1.3.3.3 检测器
1） DTGS：氘代硫酸三苷肽单晶；
2） MCT (汞镉碲 )检测器，需液氮冷却。
1.3.4.1 固体粉末样品
1） KBr 压片法
2）石蜡糊法
1.3.4.2 液体样品
1）不易流动样品：液膜法
2）易流动样品,液体池法注意：液体池法多需要使用试剂，以 CCl4,CS2最为常用。
1.3.4 制样方法
1.3.4.3 大分子样品
1）可溶解样品：溶解制薄膜法；
2）不易溶解但加热可软化熔融样品：加热涂片法；
3）已交联大分子：不完全热裂解涂片法。
1.3.4.4 气体样品专用气体池。
1,4 红外光谱解决的问题几乎所有的物质结构鉴定都可以用红外光谱进行。红外光谱经过几十年的发展，已经积累了大量的标准图谱。并且通过与 NMR,MS等技术联用，现在已成为最有效的结构鉴定方法。
进行反应过程研究。
产品质量在线控制。
刑事科学中的鉴定。
国防科学如化学武器、核武器等的研究。
大气、气象科学的研究，等等。
环境监测。
2.红外光谱技术的一些最新进展
2,1红外反射技术
2,1,1镜面反射（ 30o）（ Specular Reflectance）
镜面反射技术实际上是一种外反射技术 (External
Reflection)，这和下面讲的 ATR技术是有区别的。镜面反射的示意图如下：
红外光以一定的入射角照到样品上，
根据反射原理，反射角等于入射角。
镜面反射技术提供了一种测量样品表面涂层的方法。包括表面处理金属，薄的树脂和聚合物涂层，涂料等等。
镜面反射应注意的问题：
a)样品要放在红外光的焦点；
b)第一次使用时要仔细调节 30o反射附件的位置，保证得到最大的能量通量；
反射光的能量用反射率比（ Ratio of Reflectance）来表示。
它是这样测的：首先将未涂覆样品的金属镜放在样品位上，
采集红外光谱得到一个反射率 R0（相当于采背景），再将样品放上采集，得到样品的反射率 R，则：
0
0
R
RR反射率比反射率比与入射角和金属镜面的镀层材料密切相关。
需要注意的是反射光的能量取决于入射角、样品折射指数、
表面粗慥度以及样品的吸收性质。
2.1.2 掠角反射 (Grazing Incidence Reflection )
掠角反射也是外反射技术的一种。和镜面反射一样，它得到的也是反射吸收光谱（ RAS,Reflection Absorption
Spectroscopy）。但和前面讲的 30o固定角入射不一样的是，该技术采用的入射角非常大，接近 90o，因此很多科学家也将这种技术成为掠角反射（ Grazing Incidence
Reflection）。
这种技术同样用于研究表面层的红外光谱，但是由于采用了掠角入射，红外光进入样品的深度非常浅，因此在研究界面分子层中各官能团的取向时有突出的优点。该技术在单分子 LB膜的研究中有独特的作用。
镜面反射提到，反射率比与入射角和金属镜面的镀层材料密切相关。从下图可以看出这种关系：
0
0.02
0.04
0.06
0.08
0.1
20 30 40 50 60 70 80 90
incident angle
(R0-R)/R0
掠角反射的特点：
1）光的偏振特性；
2）表面选择原则；
3）高的信噪比和灵敏度；
在掠角测量时,IR光束在样品层的光程远大于膜层的实际厚度。 基于这样的认识，这种掠角反射技术特别适合研究单分子膜的结构。
设膜层的厚度为 d，入射角为 a,那么通过简单的数学计算可知光程 b为：
ac o s
2 db?
这里 2代表光入射和出射两次穿过样品。因为入射角接近 90o，分母将很小，所以光程 b很大。
4）掠角反射图与透射光谱图非常相似，这是不言而喻的。
掠角反射技术的限制
1）光谱测量范围由于受光束能量的限制，这种技术测量范围一般只能在
800 cm-1以上，低于此的振动用这种方法很难研究，因为在这一区间光源的能量低，检测器灵敏度差；
特别在偏振研究时，非金属界面上的反射光与入射光不能产生完全的相消干涉，使灵敏度降低，峰形状扭曲，取向研究也变得复杂。
2）非金属界面的测定和镜面反射一样，用掠角反射技术结合起偏器研究界面分子的取向是这种技术的一个重要应用。
2.1.3 偏振红外光谱法（ Polarized FTIR）
在很多情况下，偏振片作为镜面反射或者掠角反射的附件被用来研究样品的 红外二向色性 。红外二向色性研究在单晶体、
高分子纤维、薄膜以及生物大分子中有非常重要的意义。
偏振红外光谱法是应用偏振红外光对样品进行红外光谱测定的方法。
什么是偏振光？
为什么要在这里提到偏振红外光谱法呢？
仅在某一方向振动的光，叫做偏振光。
那么红外二向色性比的定义就是这样：通过测定平行和垂直偏振光的 IR，指定谱带的 A//和 A+的比值 R就是该谱带的二向色性比：
什么是红外二向色性？
平行光：当偏振光与晶体的晶轴平行或与高分子样品的拉伸方向平行时称为平行光 //；
垂直光：当偏振光与晶体的晶轴垂直或与高分子样品的拉伸方向垂直时称为垂直光 +。
A
A
R //
偏振红外光谱实验：
只需在入射光路上，在入射光线进入样品前加一个起偏器即可。起偏器是一个薄片，如下图：
平行起偏器 垂直起偏器偏振红外光谱的应用：
3）生物膜的结构与构象，如蛋白质的 a螺旋结构的含量研究（这个现在已经做了大量的研究），磷脂微囊中重新取向的多分子层的红外二向色性等；
1）无机晶体；
2）高聚物的取向，研究不同条件（温度、拉伸速度、拉伸比等）对取向度的影响，取向松弛、高分子断裂等；
4）单分子膜分子的取向和排列。
2,1,4 漫反射红外光谱 （ DRIFTS,Diffused Reflection
Infrared Fourier Transformation Spectroscopy）
当红外光照射到粉末样品时，一部分光会在样品表面产生镜面反射，大部分光经折射进入样品内部，与样品分子发生作用而发生反射、折射、散射、吸收等现象，最后由样品表面辐射出来（如图示）。由于漫反射光与样品分子发生了作用，因此将载有样品分子的结构信息。漫发射红外光谱技术在催化剂的研究中有重要应用。
漫发射也是一种外反射技术。
DRIFTS的原理示意图如下：
漫反射技术的特点：
1）漫反射与镜面反射共存。 如果样品表面粗慥，镜反射会降低，漫反射提高。测量 DRIFTS时要尽可能降低镜反射。
2）漫反射光强很弱。 这是因为漫反射的光在各个方向，
能检测到的只是一个很小方向的光。正是由于此，在第一代和第二代红外光谱中漫发射技术受到很大限制,FTIR
的高通量和高信噪比才使该技术得到极大的推广。
3）漫反射光谱和透射光谱图很相似。
由于漫反射光很弱，所以要获得高质量的漫反射谱除了需要高通量的 FTIR仪器和高灵敏的检测器外，漫反射装置的设计也需要有高的收集效率。下面是我们实验室漫反射附件的光路图，另外实物图也给了出来。
漫反射装置：
由于漫反射光程长可变，很多情况下漫反射光谱测得的反射率 R的负对数（ log（ 1/R））与样品的浓度不成线性变化。
Kubelka-Munk方程可提供更好的线性关系，因为它消除了对波长依赖的镜面反射的影响。
Kubelka-Munk方程：
S
K
R
RKM
2
)1( 2
R?：样品层无限厚时的反射率（实际上，几个毫米厚就可以了）；
K：样品的吸光系数；
S是样品的散射系数。
K∝ 粉末样品的浓度 C，故 KM ∝ C，这就是漫反射定量的依据。
1）样品粉末必须要用 KBr粉末稀释，高浓度区域该方程不适用；
采用 K-M方程定量应注意的问题：
2）样品浓度 <10％，最好在 1％左右；
3）用 KBr做参比时,R?＝ R?（样品） / R?（参比）；
4）样品和基体均必须仔细研磨到 2～ 5微米，否则会对散射系数 S的大小产生影响；
5）样品厚度必须至少在 3mm以上。
漫反射红外光谱的应用：
1）粉末、纳米材料的表面改性分析；
2）环境分析；
Kubelka-Munk vs concentration
and linear fitting plots for the
EMPA-tainted soil 1313.3-cm-1
peak at concentrations of 0.804,
1.12,2.18,3.10,and 4.13 mg/g
under raw,MSC,and KMC,
measured by CPC and 10
measurements for each sample,
(a-c) correspond to raw,MSC,and
KMC,respectively,(Anal Chem
2006,Vol,78,No,2,408-415)
3）介孔材料、催化剂的表面酸值；
Microporous and Mesoporous Materials 2001,vol,44-45,793-799
4）催化剂的原位（ in situ）研究；
原位分析技术在监视反应过程、催化剂性能等方面有很重要的意义。漫反射技术在催化剂的原位分析中有重要用途。很多和 DRIFTS有关的高水平论文都是采用原位漫反射技术研究催化剂的性能。如：
Journal of Catalysis 241 (2006) 200–210； Journal of Molecular
Catalysis A,Chemical 249 (2006) 13–22； Catalysis Today 100 (2005)
419–424； Microporous and Mesoporous Materials,24 (1998) 89–99；
Spectrochimica Acta Part A 55 (1999) 861–872。
DRIFT spectra for (a) BaCO3/Al2O3,(b) Pt/Al2O3,and (c) Al2O3 samples after exposure to
100 ppm SO2 and 8% O2 in Ar at 350,C for 10,20 and 30 min,(d) DRIFT spectra for the
Pt/BaCO3/Al2O3 sample and the BaCO3/Al2O3,Pt/Al2O3 and Al2O3 samples after 30 min
exposure to 100 ppm SO2 and 8% O2 in Ar at 350,C,(Journal of Catalysis 241 (2006)
200–210)
在原位研究时通常需要一个高温高压反应池。
2,1,5 衰减全反射－傅立叶变换红外光谱（ ATR-FTIR,
Attenuated Total Reflection-FTIR）
什么是全反射？
当光束 I0由一种光学介质进入到另一种光学介质时，光线在两种介质的界面将发生反射和折射现象。如图：
当入射光以入射角 i照射到界面时，反射光 Ir和折射光 It遵从：
1
2
s in
s in
n
n
r
i?
n1和 n2分别代表介质 1和介质 2的折射率。
反射定律：反射角＝入射角；
折射定律：
根据折射定律推算出折射角为：
)s ina r c s in (
2
1
n
inr?
可见,n1>n2时，则有 r>i，即光由光密介质进入光疏介质时，折射角将大于入射角。
除两种光束的方向外，它们的强度也受到入射角影响。
-0.1
0.3
0.7
1.1
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90
incident angle(degree)
R
蓝线,n1=1.95,n2=1.45;
红线,n1=1.00,n2=1.45。
可以看出，当 n1>n2时，随着入射角 i的逐渐增大，反射率（ Ir/I0）起初变化缓慢，这时折射光占主导地位（ Io=Ir+It）。
I到一定角度时,R迅速增加并很快上升到 1，这时折射光不再出现,Ir=Io，
即发生全反射。
完全发生全反射的入射角称做临界角（ critical angle） ie，
)a r c s in (
1
2
n
n
ie?
以上讨论说明，发生全反射的条件必须满足两个：
1）介质 1折射率 n1必须大于介质 2折射率 n2，即光必须从光密介质进入光疏介质；
2）入射角大于临界角。
什么是衰减全反射？
从现代光学物理来看，事实上全反射现象不完全是在两种介质的界面上进行的，部分光束要进入到介质 2一段距离后才反射回来,在 ATR测量时，介质 2多为有机化合物，对红外光有一定吸收。有机样对红外光有选择的吸收使透入到样品的光束在发生吸收的波长处减弱，这就是所谓的衰减全反射。
在全反射实验中，透入到介质 2的光束其强度随透入深度的增加会按指数衰减。
在物理上称这种界面上小于 1微米的光波为 隐失波（ evanescent wave）,它是光在传播过程中在近场中形成的一种非辐射波，现在已经形成一门跨物理、化学和生物的很热门的学科－近场光学显微术（ NSOM）。这种工作具有问鼎诺贝尔奖的实力，非常尖端。
ATR晶体材料绝大多数有机物的折射率在 1.5以下，因此根据全反射条件
（ n1>n2），晶体材料的折射率必须大于 1.5。
Name Chemical
components
Applied
wavelength
Refraction index
(n1)*
KRS-5 TlBr和 TlI混晶 0.5-40?m 2.38
锗 Ge 1.8?23?m 4.01
氯化银 AgCl 0.4?28?m 2.00
溴化银 AgBr 0.166?40?m 2.23
硅 Si 1.2?15?m 3.40
金刚石 C <15.3?m 2.40
Irtran4 ZnSe 0.45?21.5?m 2.43
蓝宝石 Al2O3 0.14?6.5?m 1.61
ATR原理：
灵敏度问题：
影响灵敏度的因素有两个：
1）反射次数 N。增加反射次数可以提高灵敏度。反射次数 N
与晶体材料的长度 l和晶体材料的厚度 d以及入射角 i的关系：
idlN c o s?
2）透入深度 δ。光束进入有机层的深度，即为透入深度。全反射光束要稍微穿入界面之下才完全反射回来，按照麦克斯韦理论，全反射光束穿透样品层的厚度为：
5.02122 1 )(s i n2 nni
可见穿透深度与波长、晶体及样品的折射率以及入射角三者有关。
根据上式也可看出，不同波长穿透深度不一样，长波长穿透深，短波长穿透浅，因此 ATR在不同波数区间灵敏度不同。
ATR-FTIR的应用：
1）聚合物复合膜的研究；
ATR/IR spectra of a thin film
composite polyamide and
cellulose acetate reverse
osmosis membrane,
3）物质表面的竞争吸附研究；
Journal of Colloid and Interface Science 294 (2006) 31–37
4）电子舌－食品、水果品种的识别；
Sensors and Actuators B 116 (2006) 23–28（苹果品种识别）,Talanta
69 (2006) 469–480（啤酒识别）
5）偏振－ ATR-FTIR研究 PET瓶的表面取向；
Polymer 47 (2006) 5691–5700
6）药物分析
Journal of Pharmaceutical and Biomedical Analysis 40 (2006) 433–437
7）通过与 DNA连接检测蛋白及小分子
Sensors and Actuators B 114 (2006) 445–450（北大，赵新生）
2,1,6衰减部分内反射 －傅立叶变换红外光谱（ APR-FTIR,
Attenuated Partial Reflection-FTIR）
顾名思义，就是当入射角小于临界角时，那么就只有部分入射光被反射，该反射光在界面处被样品吸收，从而产生衰减部分反射现象。将这种现象应用到 FTIR中就是 APR－ FTIR。
—— 这种实验技术是 2002年才首次发表的（ Zhenfeng
Zhang and George E,Ewing,Dept,Chem.,Indiana Univ.,
Anal,Chem.2002,74,2578-2583） 。
一种新技术的出现，通常需要有一个新的理论支撑，这篇文献从理论上给予了讨论，其实核心内容还是光的折射、反射定律以及麦克斯韦的光波的电磁理论。
A thin film (e.g.,water) sandwiched by two thick media 1 (e.g.,
NaCl) and 3 (e.g.,vacuum or vapor).
对于夹在两个无限厚的介质（ 1和 3）中的薄膜 2来说，从介质
1的光穿过膜 2到达介质 3（如图），反射系数 r由两个界面 r12
和 r23、膜厚度 h以及一个无量纲的参数 b来决定：
0:光在真空时的波长。
背景反射率 R0从 r13计算，界面 r12,r13和 r23的反射系数通过
Fresnel 公式计算。反射率的计算是：
这里 r指界面间的反射系数。对全反射,R0＝ 1，但部分反射
R0<1，消光系数的计算如下：
reflection spectra of 0.01-?m water on NaCl with various angles of incidence
APR-FTIR可以用于测定吸收膜的红外光谱。和 ATR不同的是，
它能够通过测定膜的干涉条纹来测定膜厚度，特别是对薄的膜
（如单层膜），其灵敏度更高。不过对厚的膜，其得到的红外光谱和透射红外光谱图不像。
2,1,7表面等离子体共振－傅立叶变换红外光谱和表面增强红外吸收光谱（ Surface Plasmon Resonance-FTIR,SPR-FTIR,
and Surface Enhanced Infrared Absorption,SEIRA）
什么是表面等离子体共振 (SPR)？
SPR是一种 量子光电现象，它起源于光与金属薄膜表面的自由电子（又称等离子体）
振荡的耦合相互作用。 平时这些等离子体按一定频率振荡，当一定波长的光照射到该表面时，如果该光波的电磁频率与等离子体的振荡频率相同，则会发生共振，其共振频率与电子密度、粒子大小和形状等密切相关。这种共振会导致金属薄膜表面电磁场极大增强（有报道可增加 106倍），
从而显著提高灵敏度。
SPR角：等离子体吸收入射光子能量使反射光的能量最小，这种最小化发生时的入射角度称为 SPR角。
SPR角与入射角、金属膜的厚度、玻璃与金属的介电常数、
金属表面及邻近介质的折射率有关。
金属表面结合生物分子将导致其折射率发生变化，从而引起
SPR角的变化，因此可通过测量 SPR角的变化监测生物分子间相互作用，这就是 SPR技术的应用基础。
如何进行 SPR-FTIR？
将抗体固载在贵金属（ Ag,Au）薄膜上，这些贵金属已提前喷镀在红外光学透明的棱镜上。红外光以一定角度穿过棱镜并在棱镜表面产生反射。在特定波长下，光会与金属的电子作用，
形成表面共振波，该共振导致很强的红外吸收。
表面等离子体共振引起的最大红外吸收波长随固载在金属上的抗体变化而发生位移。如果抗原与抗体结合，也会引起共振波长的额外位移。总的波长位移还与周围介质中的抗原浓度有关。
除了检测抗体外，通过测定 SPR角的变化，也能用该方法检测抗原。如果接近共振波长的单色光通过棱镜，抗原的存在就会改变 SPR角，因此波长和角度的位移即可用于监测抗原是否存在以及存在的浓度。
SPR-FTIR的局限：
1） 受非特异性吸附干扰的困扰 。 例如,蛋白粘附在金属表面也会引起最大共振波长和入射角的位移,这会引起错误的判断 。
2） 除此以外,荧光干扰也是一个实际问题 。
为了克服以上局限，寻找一个既灵敏又有选择性，同时可以排除掉可能干扰的生物传感器方法就很重要。表面增强红外吸收光谱（ SEIRA）就是这样出现的。
什么是表面增强红外吸收光谱（ SEIRA）?
表面增强红外吸收光谱和 SPR类似，但是它只是红外光谱中的某一个峰或某几个峰被增强，因而有较强的选择性。
SEIRA产生的原因？
目前还没有完全被搞清楚,普遍认为是多个因素的综合结果 。
一般的解释仍然和表面等离子体共振效应有关 。
Cartoon of a single gold metal island coated with antibodies (Y) on the
surface of the substrate,The dipole moment induced in the metal island
produces a electromagetic field which is perpendicular to the island and
parallel to the common or contant region ( Fc) of the antibodies,
一般来说，表面增强效应仅发生在几个有限的分子振动上。比如，对 p-
硝基苯甲酸（ PNBA）来说（这是研究比较多的）,只发生在对称 COO-和对称 NO2的振动上，其偶极瞬间变化与金属表面垂直。从而导致这两个峰很强，而其他峰很弱或观察不到。
在 SEIRA效应里，非常薄的贵金属膜（ Ag,Au）沉积在底物（ Si或 Ge板）
表面，底物薄膜（～ 10 nm厚）是由很小的椭球体小岛组成，其长轴与底物表面平行。在红外区，入射光波长远远大于这些金属小岛的尺寸。当入射光照在金属小岛上时引起偶极振荡，该振荡反过来在金属小岛周围形成强的电磁场，该电磁场与椭球体表面垂直。物理或化学吸附在小岛上的分子能对该电磁场调节，由振动引起的这种调节会导致表面反射的光强增加或减弱，这主要取决于入射角。
2,2 红外光声光谱技术
2,2,1光声效应的发现光声效应是 100多年前（ 1880年） Bell在研究光通信时发现的，他也凭此发明了世界上第一台光电话机。
Bell的主要发现：
1）采用迅速旋转的带有狭缝的圆盘周期性切断太阳光，切断频率为 声频,调制的光束聚焦在硒光电池上，硒光电池连在电话回路里。光强的变化导致听筒里发出声音。
2）将固体物质放在与听筒相连的密闭玻璃管里，然后用调制的太阳光照射，可以检测到相当强的可听见的信号。
3）,松散、多孔或呈海绵状、或材料具有最黑或吸光能力最强的颜色，产生的声音信号最强,。这些说明光声效应依赖于光的吸收。
尽管光声效应发现早，但是由于灵敏度低、噪音大、数据处理复杂等因素一直没有发展起来。
进入 1980年代，随着傅立叶红外光谱仪的出现，以及对深色样品分析的要求,PAS逐渐被分析化学家重视起来。
除了红外光以外，紫外－可见光也是常见的用于研究光声光谱的光区。
2,2,2 光声光谱的产生原理
1） 热波的产生：
调制的红外光照到样品后，样品就会吸收光辐射的能量，当能量足够大时，样品分子就会被激发到激发态，激发态分子处于高能级上，具有很大的能量，当没有化学反应时，激发态分子要很快衰减掉激发能而回到基态（一般在 ns～ ps之间）。能量衰减一般通过三种方式进行：辐射跃迁（产生荧光的过程）、
无辐射跃迁（又称驰豫,relax）和分子间能量传递。其中驰豫过程会产生热能，使样品温度升高。由于入射光是经过干涉仪调制的光，故此就能够产生样品温度的相应调制，即产生与调制频率相同的,热波,。
2） 光声光谱的产生：
由于光学调制频率在音频范围,因此热波产生的信号也是音频信号 。
什么是音频？
在密闭光声池中热波向紧挨着的气体扩散，从而在周围气体中产生一个声压波，该声压波可通过一个微型麦克风检出
（如下图示）。
音频就是人耳能感知的电磁波频率。
红外光束通过检测器窗口并穿过气体（最好是氦气）之后，
在样品表面反射一部分，反射率为 R，另一部分进入样品。
在样品里 x=0处的红外光强度为 I0（ 1-R），在深度为 x处的光强衰减为 I0（ 1-R） e-ax,a是样品的吸收系数。
吸收红外光的每个 dx层（见图）样品都会感受到温度变化幅度为 DT的热振动，
DT∝ I0（ 1-R） e-axdx
每个样品层的温度振动 DT都是一个热波源。来自样品整体的热波扩散到光辐照的样品表面并紧挨着的气体。热波的扩散系数为
5.0
s 2
s
a a?
其中 as是样品的热扩散率。
对于深度 x处产生的热波在扩散进入紧挨着的气体之前样品表面热波的振动幅度 DT 正比于 I0（ 1-R） ae-(a?as)xdx。被反射回样品的热波因子为 Rt,则样品表面处气体的温度振动幅度 DTg正比于
I0（ 1-R）（ 1-Rt） ae-(a?as)xdx。
热扩散产生的光声信号与所有 DTg的贡献总和有关。这些贡献来自每一样品层，这些样品层中 IR光能被吸收，由于这些层十分接近表面，以至于在穿过样品 -气体表面后其振幅还没衰减到零。从而 对光声池中的气体产生声压波。并可被麦克风检测出来。
FTIR-PAS测量的 采样深度,
红外和热波的衰减系数 a?as在光声信号产生中起关键作用。若
a<<as时，温度振动扩散中的 ae-(a?as)x项产生依赖于红外吸收的线性光声信号。这种情况下，样品在表面下热扩散长度为
s=1/as的样品层贡献 63％的信号，其余 37％的信号来自更深层的样品。 该热扩散长度?s称作 PAS的采样深度 。
当?s=1/ as=( as/?f)0.5=( as/?Vu)0.5 时，
通过改变镜速即可改变 PAS测量的深度。这里 f为调制频率,V
为动镜速度,u为红外光的频率。
可以看出，如果光谱测量范围从 4000到 400 cm-1，那么采样深度会随波数减小而增加。即动镜速度不变时，同一样品的 FTIR-
PAS测量的采样深度在各个波数处是不一样的。
为了得到恒定的采样深度，则需要 选择一个恒定的调制频率测量而与镜子的调制无关,这需要通过采用步进扫描模式实现 。
2,2,3 红外光声光谱的响应
FTIR-PAS的光谱响应由以下条件决定：
1）光源能量；
2） FTIR光谱仪的准直情况；
3）分束器的光谱特性；
4）光声检测器的光谱响应；
5）干涉仪动镜速度（调制频率）。
前三项由 FTIR仪器性能决定。 PAS的光谱响应决定光声光谱的灵敏度。固体样品的光声光谱比透射法低 1～ 2个数量级，但对强吸收样品,PAS法效果要好的多。
2,2,4 影响 PAS的因素
1）共振池任何光声池都有固有的共振频率，如果固有共振频率远离光声信号的波段范围，则共振对光声信号的影响就很小，
可忽略、但如果共振频率落在光声信号波段范围，则 PAS
信号会受到影响。
2）动镜速度
3） PAS光谱的本底光谱一般用碳黑做本底光谱的采集。
2,2,5光声光谱的应用
1）最主要的应用是深度剖析，即探测样品不同深度的特性。
2）深色样品的研究。如改性碳黑、活性炭、碳纳米管等的研究。
2,3红外显微成像技术 （ FTIR Microscopic
Imaging）
2,3,1 FTIR显微成像技术的原理
FTIR显微技术是将 FTIR光谱仪与光学显微镜联用的一种新技术，可以对微米区域的样品进行研究。显微成像技术是对一个选定区域（几十微米到几个毫米）的每一个点进行红外光谱测定，然后用计算机技术将这些点的红外光谱按区域进行二维或三维图谱绘制。
红外成像技术依赖下面三点：
1）扫描；
2）空间编码和解码；
3）红外显微镜及多通道检测器。
通过对二维图谱中特定基团的特征频率的研究，从微观角度得到一些深层次的信息。
在红外显微成像中，光路系统是最核心的部分。一般有透射成像、反射成像和 ATR成像三种方式透射式红外显微镜光路图
1-上光阑； 2-样品； 3-下光阑反射式红外显微镜光路图
1-光阑； 2-样品
ATR成像和反射式成像的光路相似，只不过在 ATR成像时需要一个 ATR附件，并且在做 ATR成像时晶体必须与样品紧密接触，另外,ATR成像一般都是单点成像。
2,3,2 红外显微成像的方式
1）单点显微红外成像即在选定的区域里逐点进行红外光谱扫描，然后用计算机软件将其组合成二维 IR图像。
2）焦平面阵列检测显微成像焦平面阵列检测器（ Focal Plane Array,FPA）是一个多通道检测器（如 64× 64 MCT,128× 128InSb），可对较大面积进行一次采集，而不用逐点移动样品台，减少了机械运动带来的误差。 首篇关于 FPA的文章发表在 1995年的 Anal,Chem.上，很快就被国外各大公司采用。
FPA的特点：
a）对大面积样品一次扫描即可得到成像图，减少了逐点移动扫描带来的误差；
b） FPA检测器最先是美国军方用于卫星监测上的，只是在最近一些年才逐渐应用到民用研究上，但是所有民用仪器上的检测器都是军方淘汰产品，其内部本身存在一些坏点，而且，
这些坏点会随着使用越来越多。
3）线阵列成像单点成像速度太慢（一般都在几十分钟到几个小时）,FPA
检测器易出现坏点。
为了克服二者的缺点,Nicolet公司采取了折中，开发了线阵列成像（ 16× 2 MCT）检测器，采用该检测器能大为提高成像分析的速度。
本实验室就采用这种检测器的红外成像系统 。
2,3,3 红外显微成像的特点
1）微区分析；
2）非破坏性检测；
3）样品均匀度的研究；
2,3,4 红外显微成像的限制根据 Rayleigh 规则，显微镜的空间分辨率为：
NAR 22.1
2
：波长； NA：数值孔径在红外显微镜里其放大倍数一般不超过 35,NA值不超过 0.7，
故此该空间分辨率在 5～ 10微米间。即该技术不能用于更精细微观的研究（譬如纳米）,这是个很大的遗憾！
由于该成像技术基于红外光，其空间分辨率只能到?m级。
2,3,5 红外显微成像技术的应用主要谈一下 FTIR Imaging的应用。 这是本人实验室主要的研究领域之一 。
1）生物、医学研究
（ 1）木材中的菌的检测 （ Fungal Genetics and Biology 42 (2005) 829–835）
将 FTIR imaging技术和聚类分析结合，用于木材上菌种的识别。
(L) Light microscopic view of beech wood cross-section,Crosses show the center of measurement areas
(20 × 45?m) for wood Wbers (w),and vessel lumina with T,versicolor (T,v.) and without mycelium (v),(R)
False color image of T,versicolor distribution in the wood section shown in (L) computed by correlation of a
T,versicolor spectrum,range 1250–922 cm-1,with the 4096 FPA spectra of the imaging data set,Dense T,
versicolor mycelium is displayed pink-red and sparse mycelium in green,Blue indicates areas with no
correlation with the fungal spectrum.
（ 2）软骨切片中的胶原质和蛋白多糖的研究 （ ARTHRITIS & RHEUMATISM
44（ 4） 2001,846–855 ）
以下是牛鼻软骨组织切片的普通显微镜照片。 1,2区域看不出区别。
A,Histologic section of bioreactor-
derived cartilage tissue stained
with alcian blue at low
magnification (23),showing the
respective locations of zones 1
and 2,
B and C,Higher magnification (103) of zones 1 and 2,
respectively,M,acellular matrix deposit,Scale bar
represents 100?m.。
Pure component images of A,chondroitin sulfate (CS) for zone 1,B,collagen for zone 1,C,
CS for zone 2,and D,collagen for zone 2 of bioreactor-derived cartilage tissue after 3 weeks
of growth,Zones 1 and 2 are as defined in above.
(3) 软骨修复机理研究 （ Biochimica et Biophysica Acta 1758 (2006) 934–941 )
FTIR images based on collagen content (A),PG content (B),collagen integrity (C),and collagen
fibril orientation (D) in equine repair cartilage tissue after microfracture treatment,Color scale
indicates the pixel values for the content of collagen or PG or integrity (1338 cm-1/amide II),as
well as the orientation of collagen fibrils (amide I/II),The repair tissue and the adjacent normal
cartilage were illustrated as ―R‖ and ―N‖ on the images,respectively,
下图是一组马的腿骨骨折修复切片的红外成像图：
（ 4）断骨愈合的病理研究 （ APPLIED SPECTROSCOPY,54 (8) 2000,1183-
1191)
骨头有两种主要的化学成分：一是 羟基磷灰石（ HA）,Ca10(PO4)6(OH)2，
有时 CO3-会替代晶格里部分 PO43-或 OH-，但前一结构占绝大多数。同样和钙离子大小相似的阳离子也可以替代部分的钙离子。另一主要成分就是有机物胶原质,这是一种蛋白质，
断骨愈合的病理研究就是观察其上的羟基磷灰石（多称为矿物质）形成的量以及观察晶体成长的尺寸。
左面是正常人的骨头，右面是骨坏死的骨头。（光学显微照片）
人的正常骨（ left)和坏死骨 (right)的红外图像,
IR images of the spatial distribution of the mineral/protein (matrix) ratio and a histogram of
this quantity,each given for normal and osteoporotic trabecular bone,The parameter
presented is a ratio of integrated areas of the PO43- contour to the area of the amide I mode,
Note the decrease in mineral level in osteoporotic bone.
老鼠大腿骨折四周后治疗和未治疗的红外成像图,
IR images of the spatial distribution of the mineral/protein (matrix) ratio and a histogram of
this quantity for an estrogen-treated site in a fractured rat femur (right) and for an untreated
site (left)
2）生物材料研究 （ Biomaterials,25 (2004) 3931-3938）
对聚乳酸（ PDLLA）和生物玻璃复合材料进行了研究。这种复合材料事实上作为骨折修复中的支架使用，最终会和骨头长在一起，而不用再动手术取出来。
a) PDLLA的分布（ 1750 cm-1） b) 生物玻璃的分布（ 1595 cm-1） c) 图 b经过调整后的图将该复合材料浸泡在 PBS缓冲溶液中，经过 14,28,63天后分别进行红外成像测定，发现生物玻璃的特征峰逐渐消失，同时
1026 cm-1的吸收峰出现，这代表羟基磷灰石的生成。
羟磷灰石的分布,a) 14,b) 28,c) 63天所有这些工作都是用 ATR Imaging技术完成的。
3）艺术品研究（ Anal,Chem.2004,76,1374-1385,Spectrochimica Acta
Part B 59 (2004) 1601– 1609）
对古代油画所用颜料研究,可用于真迹和赝品的鉴别。
首先对油画的断面进行光学成像，并将之分为七层，然后对各层进行反射 FTIR 成像分析,
Red represents a high
absorption,FT-IR image (a) at
1706 cm-1 represents the
embedding medium,(b) at 1419
cm-1 and (c) at 1382 cm-1 show
the presence of carbonates
（ 1419代表白垩土,1386则代表了蓝铜矿 Cu(CO3)2Cu(OH)2和铅白矿 Pb(CO3)2Pb(OH)2),The
FT-IR image (d) at 1000 cm-1
images the Si-O vibration (代表了深蓝青染料 ) and (e) at 1514
cm-1 the asymmetric vibration
of lead carboxylate （羧酸铅）,
The layers (1,4,5,and 6),
which can be discerned are
indicated in the images
4） 聚合物材料的研究
（ 1）聚丁二烯 /邻苯二甲酸烷酯的硫化行为研究 （ Anal,Chem.1998,
70,1768-1772 ）
硫化前（样品混合好后立即开始测）：
24小时硫化后：
可以看出，硫化后形成了很多较大的颗粒，～ 50
微米 。
(2) 聚合物的溶解研究 （ Macromolecules 2002,35,440-444）
Spectral images showing the concentration of PAMS（聚 a甲基苯乙烯）,MIBK,and
cyclohexane-d during dissolution of PAMS in an 85:15 cyclohexane-D:MIBK solvent solution
（ 3）可视聚合反应动力学研究 （ Polymer 47 (2006) 7355e7360 ）
甲基丙烯酸和四乙二醇甲基丙烯酸酯聚合形成一种智能水凝胶，通过观察
C=C双键的逐渐消失可以说明反应的进程，其反应过程可以这样看到：
FTIR images of spectral slices extracted from 1636 cm-1（ C=C） as a function of
reaction time,
（ 4）聚合物分散液晶的研究 （ Macromolecules,Vol,32,No,8,1999）
Infrared images of PDLCs formed by curing at 270 K after a prepolymerization
cooling time of (a) 30 min,(b) 1 h,(c) 2 h,(d) 4 h,(e) 6 h,and (f) 8 h.
Infrared images of PDLCs formed by curing at 255 K after a prepolymerization
cooling time of (a) 30 min,(b) 1 h,(c) 2 h,(d) 4 h,(e) 6 h,and (f) 8 h.
（ 5） EVA热熔粘合剂相容性的研究（ submitted to Polymer Testing）
不同比例的 EVA和石油树脂混合后的 FTIR Imaging 。
两种 EVA 和石油树脂比例为 100/100时的成像图 。其中的颜色标尺做了细化。
2,4 一些特殊的红外光谱技术
2,4,1时间分辨红外光谱技术（ Time-Resolved FTIR,TR-FTIR）
时间分辨光谱学，又称频闪光谱学，时间分辨 FTIR是最近 30年才发展起来的一门新技术。 它是将光谱仪器的快速多重扫描功能和计算机快速采集、处理数据的功能相结合，在与时间有关的研究领域中应用的一门技术。
通常的 FTIR步骤：
麦克尔逊干涉 F(x) or F(t)
Fourier 变换光谱 B(w)
对 TR-FTIR来说,F(x)或 F(t)随时间变化，得到一时序谱图：
麦克尔逊干涉 F(x,T) or F(t,T)
Fourier 变换光谱 B(w,T)
TR-FTIR中，瞬变时间 T很短,<?s,因此通常的方法得不到时间分辨的 FTIR图。
TR-FTIR的采集是在样品变化的 T瞬间内取得有限个数据点，
然后通过机械、光、电等外界激发因素，让样品多次重复瞬间
T内的变化，从而取得一组数据点处的数据，如此多次，即可完成 T瞬变每一过程干涉图所需要的全部数据点处的数据。大多数 TR-FTIR采用时间脉冲来控制时间，即以控制采样时间来达到逐步获取全部数据的目的。
由于在时间分辨研究中，需要对样品进行多次瞬变过程的重复扫描，后一次的扫描必须在样品恢复到初始状态时才可以进行。因此时间分辨光谱学主要用于研究：
2）物理或化学变化的中间过渡过程，即随时间的瞬变过程；
1）可逆化学反应；
如：聚合物的形变研究，化学反应中间瞬变体的研究，快速反应动力学研究，光合作用研究，等等。
注：这里“快速”、“瞬变”习惯上是指反应或变化的发生快于毫秒数量级而言。目前时间分辨率已能达到飞秒量级。
2,4,2 二维相关红外光谱技术 （ Two Dimensional Correlation FTIR,
2D-COS FTIR ）
1）二维相关谱的基本概念普通 FTIR光谱图通常都是二维平面图形。其中，横坐标代表如波长、波数等，而纵坐标代表相对应的体系性质，如发光强度、吸光度、透过率等。
但在实际研究的体系中，影响体系光谱学性质的变量通常不止一个。当多个因素同时作用于体系，或是若干个因素之间互有相关时，平面的二维光谱分析方法则无法反映出这些影响因素彼此之间的联系。
故此引入三维光谱分析的概念。它具有两个独立的自变量轴，
分别代表影响体系光谱学性质的因素；以及一个因变量轴，代表体系的某种光谱学性质。从三维立体图中，可以清晰地看出体系的光谱学性质分别随着两个变量变化的情况，以及两个变量之间的相关性。
三维光谱可以分为两大类,相关光谱和非相关光谱 。它们的本质区别，在于是否将数学中的交叉－相关分析（ Cross-
Correlation Analysis）方法运用到光谱数据的处理中。
三维光谱可以看成是一种“堆积谱”，谱图上的因变量维（强度）代表在相应的两个条件下，体系的某种光谱学性质的强度，
具有实实在在的物理意义。
三维相关光谱的核心思想则在于：对体系的动态光谱数据进行交叉－相关分析，从而得到一系列非常有用的二维相关谱图。谱图的两个变量通常是同一物理量（如二维红外光谱中的波数－波数），彼此之间是相关的。谱图上的第三维 —因变量维可以当作是一种广义上的光谱强度，但它只是一个计算出来的量，并没有什么实际的物理意义。国际上通常将三维相关谱图统称为二维相关谱 (Two-Dimensional Correlation
Spectroscopy,简称 2DCOS)。这是因为在实际应用中，三维相关谱图中的相关峰的峰位置显得尤为重要,而峰强度一般只是用来表征相关峰的相对强弱，其绝对值没有太多的实用价值。
二维相关谱有两种表示方法：
（ 1）鱼网图法 (Fishnet Map)：即将相关强度和两个频率变量都包括在内的三维立体谱图；
（ 2）等高线图法 (Contour Map)：即按不同相关强度切割出来的，只包括两个频率变量的图。
二维相关红外光谱是一种研究分子内官能团间相互作用和分子间相互作用的新方法。
2) 二维相关谱学的实验方法
1986年,Noda首先提出获得二维红外相关光谱的实验方案。
将一定形式的微扰（最初为正弦波形的低频扰动）作用在样品体系上使样品激发，产生红外吸收光谱的动态变化。然后对随时间变化的红外信号进行数学上的相关分析，产生二维红外相关光谱。
微扰会诱发区域性分子环境的变化,从而导致 FTIR谱图随时间变化，这种瞬间变化的谱叫动态谱。动态谱的变化包括：峰强度、位移、二向色性等。
在二维相关光谱学研究中，微扰的选择至关重要，不同的微扰方式，会得到不同的二维谱图。
3）二维红外相关谱的性质二维红外相关谱分为同步相关和异步相关两种。
同步相关示意图 异步相关示意图同步相关谱的分析：
主对角线上的组峰称为自动峰（ Autopeak）。自动峰总是正峰，它们代表吸收峰对一定微扰的敏感程度。
位于非主对角线上的峰称为交叉峰 (Cross Peak)。交叉峰可正可负。交叉峰的出现说明在官能团之间可能存在着分子内或者分子间的相互作用，这些作用会限制它们变化的独立性。
异步相关谱的分析：
异步相关谱上，没有自动峰，只有非对角线位置上才出现交叉峰。交叉峰有正有负。 该交叉峰通常说明官能团之间没有强化学相互作用、直接相连或成对现象。
异步相关谱的一个优势是提供了一种提高谱图分辨率的可能性。如果两个官能团吸收峰位置很近，发生重叠，而它们对共同的微扰却表现出不同的动态响应，这样就会在异步相关谱中生成清晰的交叉峰，从而提高了谱图的分辨率。
4）二维红外相关光谱的应用
（ 1）在聚合物结构研究；
（ 2）研究小分子在聚合物膜中的扩散行为；
（ 3）蛋白质的二级结构研究；
（ 4）中药研究；
（ 5）小肽中氢键的 b-转换动力学 （ Nature,444（ 2006）
469-472），该转换时间量级为 ps。
3．近红外和远红外光谱
3,1 近红外光谱 （ Near Infrared Spectroscopy,NIR）
3,1,1近红外光谱分析技术概述及发展历程近红外区分为近红外短波（ 780～ 1100nm）和近红外长波
（ 1100～ 2526nm）两个区域。
19世纪，发现了近红外光波。
1950年代,NIR技术在农副产品分析中得到应用 。
1960年代－ 1980年代,NIR由于一些缺点而处于发展低谷。
1980年代后期，重新发展（得益于化学计量学技术的发展）。
1990年代，飞速发展期。
2000年代，成熟发展、推广应用时期。
近红外光谱的产生：
近红外光谱主要是由于分子振动的非谐振性使分子振动从基态向高能级跃迁时产生的，记录的主要是含氢基团 C－ H,O－ H、
N－ H,S－ H,P－ H等振动的倍频和合频吸收。不同基团
（如甲基、亚甲基、苯环等）或同一基团在不同化学环境中的近红外吸收波长与强度都有明显差别。所以近红外光谱具有丰富的结构和组成信息。
3,1,2 近红外光谱的工作过程现代近红外光谱的特点是充分利用了化学计量学技术，可以说是将化学计量学技术应用最成功的一个例子 。
样品的近红外光谱包含了组成与结构的信息，而性质参数也与其组成、结构相关。因此，近红外光谱和其性质参数间也必然存在着内在的联系。使用化学计量学对两者进行关联，可确立这两者间的定量或定性关系，即校正模型。所以，整个近红外光谱分析过程包括了校正和预测两个过程 。
1）模型的建立采集已知样品的近红外光谱图，再通过化学计量学对光谱进行处理，并将其与不同性质参数的参考数据相关联，这样在光谱图和其参考数据之间便建立起了一一对应的映射关系，这种一一对应的映射关系就称作模型。
初级模型的建立，对定性分析约需 20个样品，定量分析则需要 50～ 80个样品 。
2）模型有效性确认模型在投入使用之前需要对其进行有效性确认，以便检查它能否正确预测结果。良好的模型应当是在用验证集样本对模型进行考核时，其预测结果与标准方法实际测量结果一致。
3）模型的扩充初始模型的建立是从小数据库开始的。数据库小，模型的适用范围就受到限制。这就意味着要使一个模型更加稳定、适用范围更加宽广，就需要不断地对模型的数据库进行扩充 。
4）模型的数量近红外光谱分析的效率取决于仪器所配备的模型的数量。模型数量越多，从一张图上得到的信息越多。因此多个模型的建立，可以大大提高近红外光谱分析的工作效率。
3,1,3 近红外光谱仪器分为色散分光型和傅立叶变换两种。
3,1,4 近红外光谱的应用
3,2 远红外光谱 （ Far Infrared Spectroscopy,FIR）
3,2,1 FIR简介：
IR主要研究振动和转动光谱。一般的，纯的振动光谱出现在
100～ 10000 cm-1(100~1?m),纯的转动光谱在 1~100 cm-1
(10000~100?m)。一般说的远红外区间是 400～ 10 cm-1,有时也扩展到 650 cm-1。
FIR的局限：
2）水蒸气对远红外光谱的干扰特别严重。这是因为水蒸气的转动光谱遍布整个远红外区，并且有许多极强的峰，如果不除尽水汽，远红外的测量很困难。
1）远红外振动很丰富，但研究并不深入，峰归属不很明确；
3,2,2远红外光谱仪器
1）光源必须提供远红外区足够的能量；
远红外仪器要考虑三点：
2）干涉仪的分束器覆盖的光谱区间尽可能宽；
3）检测器对远红外响应要快，灵敏度要高。
1）光源：有两类，一为中红外光源，另一为高压汞弧灯。
Nicolet的 Ever-Glo光源很好，可适用中远红外区仪器主要构成：
2）干涉仪的分束器有三种：聚酯膜（ Mylar Film）分束器、
固体分束器、金属丝网分束器 。
3）检测器：氘代硫酸三甘肽 /聚乙烯检测器（ DTGS/PE），
窗口材料是 PE，这是因为 PE对远红外光是透明的
3,2,3 影响远红外光谱的因素
1）水蒸气；
2）噪声，因为远红外区域的能量很小，可通过增加扫描次数来提高信噪比 ；
3）测试条件，如分辨率越高，信噪比越低；扫描速度慢，
噪音会小些等。
3,2,4 样品制备
1）固体样品,采用碘化铯粉末压片、聚乙烯粉末压片以及石蜡油研磨法，以碘化铯压片最好 。
2）液体样品,聚乙烯液体池法，硅晶片液体池法等。
3,2,5 远红外光谱的应用第一类：分子内部振动，包括,
（ 1）重原子之间的伸缩和弯曲振动，如无机化合物，配位化合物，金属有机化合物中金属与其他原子之间的伸缩和弯曲振动；
（ 2）气体或液体的扭转振动；
（ 3）环状分子的环变形（环折迭）振动。
第二类：分子之间的振动，包括：
（ 1）分子间相互作用，如氢键的振动等；
（ 2）晶格振动。
第三类：气体分子的纯振动 。
上世纪初，光的波粒二象性提出；
1923年,Smekal预言了光的非弹性散射；
1928年，印度物理学家 Raman用玻璃和太阳光证明了光的非弹性散射的存在。之后几个月，
苏联科学家 Landsberg和 Mandelstam也独立地发现了这一效应。
1931年,Raman获得了诺贝尔物理学奖。
1960年代，激光技术的成熟极大的推动了
Raman光谱技术的发展。
4．拉曼光谱
4,1 拉曼效应的发现什么是拉曼效应呢？
光照射到物质上时会发生散射，大部分散射光的频率不变，
这部分光叫做瑞利散射。还有一小部分光的频率在散射后发生了变化，频率的变化决定于散射物质的特性，这就是拉曼效应。
拉曼光谱是入射光子和分子相碰撞时，分子的振动能量或转动能量和光子能量叠加的结果，利用拉曼光谱可以把处于红外区的分子能谱转移到可见光区来观测。因此拉曼光谱作为红外光谱的补充，是研究分子结构的有力武器。
4,2拉曼光谱的原理可用分子能级图简单说明。
h(?0 +D?)
E0
E1 V=1
V=0
E1+ h?0
E2+ h?0
hD?
h?0h(?0 -D?)
ANTI-STOKES
0 -D?
Rayleigh
STOKES
0 +D0
拉曼位移：
即拉曼散射光的频率变化 Du。
拉曼位移与入射光波长无关，仅仅与分子的振动有关 。这就是拉曼分析的基础。
4,3 拉曼光谱的特点
1）红外光谱反映的是分子永久偶极矩的变化，而拉曼光谱则反映分子诱导偶极矩的改变；
诱导偶极距 μ＝ aE,a为极化率,E为电场强度。
2）一些在红外光谱中为弱吸收的谱带，在拉曼光谱中可能为强谱带，从而有利于这些基团的检出 ；
3）拉曼光谱低波数方向的测定范围宽（ 40 cm-1），有利于提供重原子的振动信息 ；
4）由于水的散射光谱极弱，因此拉曼光谱特别适合于研究水溶液体系 ；
5）固体样品可直接测定，无需制样。
4,4 与红外光谱的关系共同点：二者都反映分子振动的信息。
不同点：其物理过程不同。
2）拉曼光谱来源于分子的诱导偶极矩，与分子极化率变化有关，通常非极性分子及基团的振动导致分子变形，引起极化率的变化，属拉曼活性；而红外吸收与分子永久偶极矩的变化有关，一般极性分子及基团的振动引起永久偶极矩的变化，因此属红外活性
1）拉曼效应是光散射过程，因此是发射光谱，而红外光谱是吸收光谱；
红外及拉曼光谱的经验法则判断,
1）互相排斥规则有对称中心的分子其分子振动对红外和拉曼之一有活性，则另一非活性；
2）互相允许法则无对称中心的分子其分子振动对红外和拉曼都是活性的 ；
3）互相禁止法则少量分子的振动模式对红外和拉曼都是非活性的。
4,5拉曼光谱实验技术
4,5,1激光拉曼光谱下图是一个传统色散型激光拉曼光谱仪的示意图：
该拉曼光谱仪的局限：
1）激发光源在可见光区，光子能量较高，易产生荧光干扰测定 ；
2）光栅分光导致波数的准确度和重现性差；
3）逐点扫描，耗时长；
4）狭缝导致光通量小，信噪比低。
4.5,2 FT-Raman光谱
FT-Raman采用傅立叶变换技术对信号进行收集，多次累加来提高信噪比，并用 Nd,YAG 的近红外激光光源（钇铝石榴石激光器，波长 1064 nm）照射样品，大大减弱了荧光背景 。
和传统色散光谱仪不同的是,FT-Raman光谱仪采用近红外光源，没有分光系统，而且检测器采用了高灵敏度的铟镓砷探头 。
4,5,3共振拉曼光谱（ Resonance Raman Spectroscopy,RRS ）
激发频率与待测分子的某个电子吸收峰接近或重合时，即产生拉曼共振，这一分子的拉曼线强度可增强一万到一百万倍，并能观察到强度可与基频相比拟的泛频及组合振动光谱。
共振拉曼光谱的特点：
1）基频的强度可以达到瑞利线的强度；
2）泛频和合频的强度有时大于或等于基频的强度；
3）通过改变激发频率，使之仅与样品中某一种物质发生共振，
从而选择性的研究某一种物质 ；
4）和普通拉曼相比，其散射时间短，一般为 10-12～ 10-5 S ；
5）激光共振拉曼光谱灵敏度高、所需样品浓度低、反映的结构信息量大。
4,5,4表面增强共振拉曼光谱和表面增强红外光谱类似，非常灵敏 。
4,6拉曼光谱的应用
1）高分子材料、天然及合成橡胶、有机化合物的研究；
如结晶度、立构性、分子取向、分子结构等；
2）生物化学及生物领域研究；
如蛋白质的二级结构； DNA结构研究；酶、蛋白以及药物与 DNA相互作用的研究等 ；
3）无机化合物研究；
拉曼光谱非常适合无机化合物、配合物、生物无机化合物以及金属有机物的研究 ；
4）催化剂的表征这是目前拉曼光谱应用最广泛的领域。
1,红外光谱技术回顾
1,1 红外光谱技术的发展
1,2 红外光谱的原理
1,3 红外光谱实验技术
1,4 红外光谱解决的问题
2．红外光谱技术的一些最新进展
2,1红外反射技术
2,1,1镜面反射（ 30o）
2,1,2 掠角反射
2,1,3漫反射
2,1,4偏振红外光谱法
2,1,5衰减全内反射
2,1,6衰减部分内反射
2,1,7表面增强等离子体衰减全内反射技术
2,2 红外光声光谱技术
2,2,1光声光谱的产生
2,2,2光声光谱的原理
2,2,3光声光谱的应用
2,3 红外显微成像技术
2,3,1单点显微红外光谱技术
2,3,2单点显微红外成像
2,3,3焦平面阵列检测显微成像
2,3,4线阵列式成像技术
2,3,5红外显微成像技术的应用
2,4一些特殊的红外光谱技术
2,4,1时间分辨红外光谱技术
2,4,2二维红外相关谱技术
3．近红外和远红外光谱
3,1 近红外光谱
3,1,1近红外光谱分析技术概述及发展历程
3,1,2现代近红外光谱的工作过程
3,1,3 近红外光谱仪器
3,2远红外光谱
3,2,1 简介
3,2,2远红外仪器的特点
3,2,3影响远红外光谱的因素
3,2,4远红外光谱的应用
4．喇曼光谱
4,1喇曼光
4,2喇曼光谱的原理
4,3喇曼光谱实验技术
4,4喇曼光谱的应用
1.红外光谱技术回顾
1,1红外光谱技术的发展
1.1.1 第一代红外光谱仪－棱镜型红外光谱仪棱镜的分光原理如下：
1.1.2 第二代红外光谱仪－光栅型红外光谱仪光栅分光的原理如下：
传统的单缝衍射为了使各衍射条纹分得很开（即高分辨率），要求狭缝很小，这在制作上困难很大。衍射光栅能满足这一要求。由于缝数很大（最大可达 105），可以得到分光效率高，光强度很强的单色光。
1.1.3第三代红外光谱仪－傅立叶变换红外光谱仪（ FTIR,
Fourier Transform InfraRed Spectroscopy）
FTIR与前两代光谱仪最大的不同是它不采用分光系统，而是利用干涉图与光谱图之间的对应关系，通过测量干涉图并对干涉图进行傅立叶积分变换来测定光谱图。它事实上是以一种数学方式对光谱信息进行编码，同时测量、记录所有谱元的信号，并以很高的效率采集来自光源的辐射能量，因而信噪比和分辨率都得以大为提高。
1,2 红外光谱的原理
1.2.1红外光谱的产生分子中基团的振动和转动能级跃迁产生 振 -转光谱辐射 → 分子振动能级跃迁 → 红外光谱 → 官能团 → 分子结构近红外区中红外区远红外区
1.2,2红外吸收光谱产生的条件满足两个条件：
(1)辐射应具有能满足物质产生振动跃迁所需的能量；
(2)辐射与物质间有相互偶合作用 。
对称分子,没有偶极矩，辐射不能引起共振，无红外活性。 如,N2,O2,Cl2 等。
非对称分子,有偶极矩,有红外活性 。
1.2.3 分子振动方程式双原子分子的简谐振动及其频率化学键的振动类似于连接两个小球的弹簧,因此可按虎克定律进行解决,
k,化学键的力常数，与键能和键长有关，
为双原子的折合质量? =m1m2/（ m1+m2）
发生振动能级跃迁需要能量的大小取决于键两端原子的折合质量和键的力常数，即取决于分子的结构特征。 化学键键强越强（即键的力常数 K越大）原子折合质量越小，化学键的振动频率越大，吸收峰将出现在高波数区。
1.2.4 分子中基团的基本振动形式两类基本振动形式,
亚甲基变形振动亚甲基伸缩振动甲基的振动形式伸缩振动甲基：
对称 υ s(CH3) 2870 ㎝ -1 不对称 υas(CH3)2960㎝ -1
变形振动甲基对称 δ s(CH3)1380㎝ -1 不 对称 δ as(CH3)1460㎝ -1
1.2.5 峰位、峰数与峰强
峰位 化学键的力常数 K越大，原子折合质量越小，键的振动频率越大，吸收峰将出现在高波数区（短波长区）；反之，出现在低波数区（高波长区）。
峰数 峰数与分子自由度有关。无瞬间偶基距变化时，无红外吸收。
峰强 瞬间偶基距变化大，吸收峰强；键两端原子电负性相差越大（极性越大），吸收峰越强
B U C T
T u e J u l 0 4 1 5,2 5,1 7 2 0 0 6 ( G M T + 0 8,0 0 )
5
3
0
.3
6
8
4
3
.1
9
9
6
2
.1
5
1
0
6
1
.6
5
1
1
1
3
.0
7
1
1
4
6
.7
0
1
2
4
0
.8
1
1
2
8
0
.7
6
1
3
4
4
.1
3
1
4
6
8
.0
4
1
6
3
2
.5
1
2
8
8
7
.4
9
3
4
5
3
.7
6
除臭剂醚提后不溶物
-0
1 0
2 0
3 0
4 0
5 0
6 0
7 0
8 0
9 0
%T
5 0 0 1 0 0 0 1 5 0 0 2 0 0 0 2 5 0 0 3 0 0 0 3 5 0 0 4 0 0 0
W a v e n u m b e r s ( c m - 1 )
1.3 红外光谱实验技术
1.3.1 傅里叶变换红外光谱仪结构框图干涉仪光源样品室 检测器显示器绘图仪计算机干涉图光谱图
1.3.2 FTIR原理示意图
1.3.3 FTIR的主要部件
1.3.3.1 光源
1）能斯特灯：氧化锆、氧化钇和氧化钍烧结制成的中空或实心圆棒，直径 1-3 mm，长 20-50mm；室温下，
非导体，使用前预热到 800?C。
2） 硅碳棒：两端粗，中间细；直径 5 mm，长 20-
50mm。
1.3.3.2 分束器
1.3.3.3 检测器
1） DTGS：氘代硫酸三苷肽单晶；
2） MCT (汞镉碲 )检测器，需液氮冷却。
1.3.4.1 固体粉末样品
1） KBr 压片法
2）石蜡糊法
1.3.4.2 液体样品
1）不易流动样品：液膜法
2）易流动样品,液体池法注意：液体池法多需要使用试剂，以 CCl4,CS2最为常用。
1.3.4 制样方法
1.3.4.3 大分子样品
1）可溶解样品：溶解制薄膜法；
2）不易溶解但加热可软化熔融样品：加热涂片法；
3）已交联大分子：不完全热裂解涂片法。
1.3.4.4 气体样品专用气体池。
1,4 红外光谱解决的问题几乎所有的物质结构鉴定都可以用红外光谱进行。红外光谱经过几十年的发展，已经积累了大量的标准图谱。并且通过与 NMR,MS等技术联用，现在已成为最有效的结构鉴定方法。
进行反应过程研究。
产品质量在线控制。
刑事科学中的鉴定。
国防科学如化学武器、核武器等的研究。
大气、气象科学的研究，等等。
环境监测。
2.红外光谱技术的一些最新进展
2,1红外反射技术
2,1,1镜面反射（ 30o）（ Specular Reflectance）
镜面反射技术实际上是一种外反射技术 (External
Reflection)，这和下面讲的 ATR技术是有区别的。镜面反射的示意图如下：
红外光以一定的入射角照到样品上，
根据反射原理，反射角等于入射角。
镜面反射技术提供了一种测量样品表面涂层的方法。包括表面处理金属，薄的树脂和聚合物涂层，涂料等等。
镜面反射应注意的问题：
a)样品要放在红外光的焦点；
b)第一次使用时要仔细调节 30o反射附件的位置，保证得到最大的能量通量；
反射光的能量用反射率比（ Ratio of Reflectance）来表示。
它是这样测的：首先将未涂覆样品的金属镜放在样品位上，
采集红外光谱得到一个反射率 R0（相当于采背景），再将样品放上采集，得到样品的反射率 R，则：
0
0
R
RR反射率比反射率比与入射角和金属镜面的镀层材料密切相关。
需要注意的是反射光的能量取决于入射角、样品折射指数、
表面粗慥度以及样品的吸收性质。
2.1.2 掠角反射 (Grazing Incidence Reflection )
掠角反射也是外反射技术的一种。和镜面反射一样，它得到的也是反射吸收光谱（ RAS,Reflection Absorption
Spectroscopy）。但和前面讲的 30o固定角入射不一样的是，该技术采用的入射角非常大，接近 90o，因此很多科学家也将这种技术成为掠角反射（ Grazing Incidence
Reflection）。
这种技术同样用于研究表面层的红外光谱，但是由于采用了掠角入射，红外光进入样品的深度非常浅，因此在研究界面分子层中各官能团的取向时有突出的优点。该技术在单分子 LB膜的研究中有独特的作用。
镜面反射提到，反射率比与入射角和金属镜面的镀层材料密切相关。从下图可以看出这种关系：
0
0.02
0.04
0.06
0.08
0.1
20 30 40 50 60 70 80 90
incident angle
(R0-R)/R0
掠角反射的特点：
1）光的偏振特性；
2）表面选择原则；
3）高的信噪比和灵敏度；
在掠角测量时,IR光束在样品层的光程远大于膜层的实际厚度。 基于这样的认识，这种掠角反射技术特别适合研究单分子膜的结构。
设膜层的厚度为 d，入射角为 a,那么通过简单的数学计算可知光程 b为：
ac o s
2 db?
这里 2代表光入射和出射两次穿过样品。因为入射角接近 90o，分母将很小，所以光程 b很大。
4）掠角反射图与透射光谱图非常相似，这是不言而喻的。
掠角反射技术的限制
1）光谱测量范围由于受光束能量的限制，这种技术测量范围一般只能在
800 cm-1以上，低于此的振动用这种方法很难研究，因为在这一区间光源的能量低，检测器灵敏度差；
特别在偏振研究时，非金属界面上的反射光与入射光不能产生完全的相消干涉，使灵敏度降低，峰形状扭曲，取向研究也变得复杂。
2）非金属界面的测定和镜面反射一样，用掠角反射技术结合起偏器研究界面分子的取向是这种技术的一个重要应用。
2.1.3 偏振红外光谱法（ Polarized FTIR）
在很多情况下，偏振片作为镜面反射或者掠角反射的附件被用来研究样品的 红外二向色性 。红外二向色性研究在单晶体、
高分子纤维、薄膜以及生物大分子中有非常重要的意义。
偏振红外光谱法是应用偏振红外光对样品进行红外光谱测定的方法。
什么是偏振光？
为什么要在这里提到偏振红外光谱法呢？
仅在某一方向振动的光，叫做偏振光。
那么红外二向色性比的定义就是这样：通过测定平行和垂直偏振光的 IR，指定谱带的 A//和 A+的比值 R就是该谱带的二向色性比：
什么是红外二向色性？
平行光：当偏振光与晶体的晶轴平行或与高分子样品的拉伸方向平行时称为平行光 //；
垂直光：当偏振光与晶体的晶轴垂直或与高分子样品的拉伸方向垂直时称为垂直光 +。
A
A
R //
偏振红外光谱实验：
只需在入射光路上，在入射光线进入样品前加一个起偏器即可。起偏器是一个薄片，如下图：
平行起偏器 垂直起偏器偏振红外光谱的应用：
3）生物膜的结构与构象，如蛋白质的 a螺旋结构的含量研究（这个现在已经做了大量的研究），磷脂微囊中重新取向的多分子层的红外二向色性等；
1）无机晶体；
2）高聚物的取向，研究不同条件（温度、拉伸速度、拉伸比等）对取向度的影响，取向松弛、高分子断裂等；
4）单分子膜分子的取向和排列。
2,1,4 漫反射红外光谱 （ DRIFTS,Diffused Reflection
Infrared Fourier Transformation Spectroscopy）
当红外光照射到粉末样品时，一部分光会在样品表面产生镜面反射，大部分光经折射进入样品内部，与样品分子发生作用而发生反射、折射、散射、吸收等现象，最后由样品表面辐射出来（如图示）。由于漫反射光与样品分子发生了作用，因此将载有样品分子的结构信息。漫发射红外光谱技术在催化剂的研究中有重要应用。
漫发射也是一种外反射技术。
DRIFTS的原理示意图如下：
漫反射技术的特点：
1）漫反射与镜面反射共存。 如果样品表面粗慥，镜反射会降低，漫反射提高。测量 DRIFTS时要尽可能降低镜反射。
2）漫反射光强很弱。 这是因为漫反射的光在各个方向，
能检测到的只是一个很小方向的光。正是由于此，在第一代和第二代红外光谱中漫发射技术受到很大限制,FTIR
的高通量和高信噪比才使该技术得到极大的推广。
3）漫反射光谱和透射光谱图很相似。
由于漫反射光很弱，所以要获得高质量的漫反射谱除了需要高通量的 FTIR仪器和高灵敏的检测器外，漫反射装置的设计也需要有高的收集效率。下面是我们实验室漫反射附件的光路图，另外实物图也给了出来。
漫反射装置：
由于漫反射光程长可变，很多情况下漫反射光谱测得的反射率 R的负对数（ log（ 1/R））与样品的浓度不成线性变化。
Kubelka-Munk方程可提供更好的线性关系，因为它消除了对波长依赖的镜面反射的影响。
Kubelka-Munk方程：
S
K
R
RKM
2
)1( 2
R?：样品层无限厚时的反射率（实际上，几个毫米厚就可以了）；
K：样品的吸光系数；
S是样品的散射系数。
K∝ 粉末样品的浓度 C，故 KM ∝ C，这就是漫反射定量的依据。
1）样品粉末必须要用 KBr粉末稀释，高浓度区域该方程不适用；
采用 K-M方程定量应注意的问题：
2）样品浓度 <10％，最好在 1％左右；
3）用 KBr做参比时,R?＝ R?（样品） / R?（参比）；
4）样品和基体均必须仔细研磨到 2～ 5微米，否则会对散射系数 S的大小产生影响；
5）样品厚度必须至少在 3mm以上。
漫反射红外光谱的应用：
1）粉末、纳米材料的表面改性分析；
2）环境分析；
Kubelka-Munk vs concentration
and linear fitting plots for the
EMPA-tainted soil 1313.3-cm-1
peak at concentrations of 0.804,
1.12,2.18,3.10,and 4.13 mg/g
under raw,MSC,and KMC,
measured by CPC and 10
measurements for each sample,
(a-c) correspond to raw,MSC,and
KMC,respectively,(Anal Chem
2006,Vol,78,No,2,408-415)
3）介孔材料、催化剂的表面酸值；
Microporous and Mesoporous Materials 2001,vol,44-45,793-799
4）催化剂的原位（ in situ）研究；
原位分析技术在监视反应过程、催化剂性能等方面有很重要的意义。漫反射技术在催化剂的原位分析中有重要用途。很多和 DRIFTS有关的高水平论文都是采用原位漫反射技术研究催化剂的性能。如：
Journal of Catalysis 241 (2006) 200–210； Journal of Molecular
Catalysis A,Chemical 249 (2006) 13–22； Catalysis Today 100 (2005)
419–424； Microporous and Mesoporous Materials,24 (1998) 89–99；
Spectrochimica Acta Part A 55 (1999) 861–872。
DRIFT spectra for (a) BaCO3/Al2O3,(b) Pt/Al2O3,and (c) Al2O3 samples after exposure to
100 ppm SO2 and 8% O2 in Ar at 350,C for 10,20 and 30 min,(d) DRIFT spectra for the
Pt/BaCO3/Al2O3 sample and the BaCO3/Al2O3,Pt/Al2O3 and Al2O3 samples after 30 min
exposure to 100 ppm SO2 and 8% O2 in Ar at 350,C,(Journal of Catalysis 241 (2006)
200–210)
在原位研究时通常需要一个高温高压反应池。
2,1,5 衰减全反射－傅立叶变换红外光谱（ ATR-FTIR,
Attenuated Total Reflection-FTIR）
什么是全反射？
当光束 I0由一种光学介质进入到另一种光学介质时，光线在两种介质的界面将发生反射和折射现象。如图：
当入射光以入射角 i照射到界面时，反射光 Ir和折射光 It遵从：
1
2
s in
s in
n
n
r
i?
n1和 n2分别代表介质 1和介质 2的折射率。
反射定律：反射角＝入射角；
折射定律：
根据折射定律推算出折射角为：
)s ina r c s in (
2
1
n
inr?
可见,n1>n2时，则有 r>i，即光由光密介质进入光疏介质时，折射角将大于入射角。
除两种光束的方向外，它们的强度也受到入射角影响。
-0.1
0.3
0.7
1.1
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90
incident angle(degree)
R
蓝线,n1=1.95,n2=1.45;
红线,n1=1.00,n2=1.45。
可以看出，当 n1>n2时，随着入射角 i的逐渐增大，反射率（ Ir/I0）起初变化缓慢，这时折射光占主导地位（ Io=Ir+It）。
I到一定角度时,R迅速增加并很快上升到 1，这时折射光不再出现,Ir=Io，
即发生全反射。
完全发生全反射的入射角称做临界角（ critical angle） ie，
)a r c s in (
1
2
n
n
ie?
以上讨论说明，发生全反射的条件必须满足两个：
1）介质 1折射率 n1必须大于介质 2折射率 n2，即光必须从光密介质进入光疏介质；
2）入射角大于临界角。
什么是衰减全反射？
从现代光学物理来看，事实上全反射现象不完全是在两种介质的界面上进行的，部分光束要进入到介质 2一段距离后才反射回来,在 ATR测量时，介质 2多为有机化合物，对红外光有一定吸收。有机样对红外光有选择的吸收使透入到样品的光束在发生吸收的波长处减弱，这就是所谓的衰减全反射。
在全反射实验中，透入到介质 2的光束其强度随透入深度的增加会按指数衰减。
在物理上称这种界面上小于 1微米的光波为 隐失波（ evanescent wave）,它是光在传播过程中在近场中形成的一种非辐射波，现在已经形成一门跨物理、化学和生物的很热门的学科－近场光学显微术（ NSOM）。这种工作具有问鼎诺贝尔奖的实力，非常尖端。
ATR晶体材料绝大多数有机物的折射率在 1.5以下，因此根据全反射条件
（ n1>n2），晶体材料的折射率必须大于 1.5。
Name Chemical
components
Applied
wavelength
Refraction index
(n1)*
KRS-5 TlBr和 TlI混晶 0.5-40?m 2.38
锗 Ge 1.8?23?m 4.01
氯化银 AgCl 0.4?28?m 2.00
溴化银 AgBr 0.166?40?m 2.23
硅 Si 1.2?15?m 3.40
金刚石 C <15.3?m 2.40
Irtran4 ZnSe 0.45?21.5?m 2.43
蓝宝石 Al2O3 0.14?6.5?m 1.61
ATR原理：
灵敏度问题：
影响灵敏度的因素有两个：
1）反射次数 N。增加反射次数可以提高灵敏度。反射次数 N
与晶体材料的长度 l和晶体材料的厚度 d以及入射角 i的关系：
idlN c o s?
2）透入深度 δ。光束进入有机层的深度，即为透入深度。全反射光束要稍微穿入界面之下才完全反射回来，按照麦克斯韦理论，全反射光束穿透样品层的厚度为：
5.02122 1 )(s i n2 nni
可见穿透深度与波长、晶体及样品的折射率以及入射角三者有关。
根据上式也可看出，不同波长穿透深度不一样，长波长穿透深，短波长穿透浅，因此 ATR在不同波数区间灵敏度不同。
ATR-FTIR的应用：
1）聚合物复合膜的研究；
ATR/IR spectra of a thin film
composite polyamide and
cellulose acetate reverse
osmosis membrane,
3）物质表面的竞争吸附研究；
Journal of Colloid and Interface Science 294 (2006) 31–37
4）电子舌－食品、水果品种的识别；
Sensors and Actuators B 116 (2006) 23–28（苹果品种识别）,Talanta
69 (2006) 469–480（啤酒识别）
5）偏振－ ATR-FTIR研究 PET瓶的表面取向；
Polymer 47 (2006) 5691–5700
6）药物分析
Journal of Pharmaceutical and Biomedical Analysis 40 (2006) 433–437
7）通过与 DNA连接检测蛋白及小分子
Sensors and Actuators B 114 (2006) 445–450（北大，赵新生）
2,1,6衰减部分内反射 －傅立叶变换红外光谱（ APR-FTIR,
Attenuated Partial Reflection-FTIR）
顾名思义，就是当入射角小于临界角时，那么就只有部分入射光被反射，该反射光在界面处被样品吸收，从而产生衰减部分反射现象。将这种现象应用到 FTIR中就是 APR－ FTIR。
—— 这种实验技术是 2002年才首次发表的（ Zhenfeng
Zhang and George E,Ewing,Dept,Chem.,Indiana Univ.,
Anal,Chem.2002,74,2578-2583） 。
一种新技术的出现，通常需要有一个新的理论支撑，这篇文献从理论上给予了讨论，其实核心内容还是光的折射、反射定律以及麦克斯韦的光波的电磁理论。
A thin film (e.g.,water) sandwiched by two thick media 1 (e.g.,
NaCl) and 3 (e.g.,vacuum or vapor).
对于夹在两个无限厚的介质（ 1和 3）中的薄膜 2来说，从介质
1的光穿过膜 2到达介质 3（如图），反射系数 r由两个界面 r12
和 r23、膜厚度 h以及一个无量纲的参数 b来决定：
0:光在真空时的波长。
背景反射率 R0从 r13计算，界面 r12,r13和 r23的反射系数通过
Fresnel 公式计算。反射率的计算是：
这里 r指界面间的反射系数。对全反射,R0＝ 1，但部分反射
R0<1，消光系数的计算如下：
reflection spectra of 0.01-?m water on NaCl with various angles of incidence
APR-FTIR可以用于测定吸收膜的红外光谱。和 ATR不同的是，
它能够通过测定膜的干涉条纹来测定膜厚度，特别是对薄的膜
（如单层膜），其灵敏度更高。不过对厚的膜，其得到的红外光谱和透射红外光谱图不像。
2,1,7表面等离子体共振－傅立叶变换红外光谱和表面增强红外吸收光谱（ Surface Plasmon Resonance-FTIR,SPR-FTIR,
and Surface Enhanced Infrared Absorption,SEIRA）
什么是表面等离子体共振 (SPR)？
SPR是一种 量子光电现象，它起源于光与金属薄膜表面的自由电子（又称等离子体）
振荡的耦合相互作用。 平时这些等离子体按一定频率振荡，当一定波长的光照射到该表面时，如果该光波的电磁频率与等离子体的振荡频率相同，则会发生共振，其共振频率与电子密度、粒子大小和形状等密切相关。这种共振会导致金属薄膜表面电磁场极大增强（有报道可增加 106倍），
从而显著提高灵敏度。
SPR角：等离子体吸收入射光子能量使反射光的能量最小，这种最小化发生时的入射角度称为 SPR角。
SPR角与入射角、金属膜的厚度、玻璃与金属的介电常数、
金属表面及邻近介质的折射率有关。
金属表面结合生物分子将导致其折射率发生变化，从而引起
SPR角的变化，因此可通过测量 SPR角的变化监测生物分子间相互作用，这就是 SPR技术的应用基础。
如何进行 SPR-FTIR？
将抗体固载在贵金属（ Ag,Au）薄膜上，这些贵金属已提前喷镀在红外光学透明的棱镜上。红外光以一定角度穿过棱镜并在棱镜表面产生反射。在特定波长下，光会与金属的电子作用，
形成表面共振波，该共振导致很强的红外吸收。
表面等离子体共振引起的最大红外吸收波长随固载在金属上的抗体变化而发生位移。如果抗原与抗体结合，也会引起共振波长的额外位移。总的波长位移还与周围介质中的抗原浓度有关。
除了检测抗体外，通过测定 SPR角的变化，也能用该方法检测抗原。如果接近共振波长的单色光通过棱镜，抗原的存在就会改变 SPR角，因此波长和角度的位移即可用于监测抗原是否存在以及存在的浓度。
SPR-FTIR的局限：
1） 受非特异性吸附干扰的困扰 。 例如,蛋白粘附在金属表面也会引起最大共振波长和入射角的位移,这会引起错误的判断 。
2） 除此以外,荧光干扰也是一个实际问题 。
为了克服以上局限，寻找一个既灵敏又有选择性，同时可以排除掉可能干扰的生物传感器方法就很重要。表面增强红外吸收光谱（ SEIRA）就是这样出现的。
什么是表面增强红外吸收光谱（ SEIRA）?
表面增强红外吸收光谱和 SPR类似，但是它只是红外光谱中的某一个峰或某几个峰被增强，因而有较强的选择性。
SEIRA产生的原因？
目前还没有完全被搞清楚,普遍认为是多个因素的综合结果 。
一般的解释仍然和表面等离子体共振效应有关 。
Cartoon of a single gold metal island coated with antibodies (Y) on the
surface of the substrate,The dipole moment induced in the metal island
produces a electromagetic field which is perpendicular to the island and
parallel to the common or contant region ( Fc) of the antibodies,
一般来说，表面增强效应仅发生在几个有限的分子振动上。比如，对 p-
硝基苯甲酸（ PNBA）来说（这是研究比较多的）,只发生在对称 COO-和对称 NO2的振动上，其偶极瞬间变化与金属表面垂直。从而导致这两个峰很强，而其他峰很弱或观察不到。
在 SEIRA效应里，非常薄的贵金属膜（ Ag,Au）沉积在底物（ Si或 Ge板）
表面，底物薄膜（～ 10 nm厚）是由很小的椭球体小岛组成，其长轴与底物表面平行。在红外区，入射光波长远远大于这些金属小岛的尺寸。当入射光照在金属小岛上时引起偶极振荡，该振荡反过来在金属小岛周围形成强的电磁场，该电磁场与椭球体表面垂直。物理或化学吸附在小岛上的分子能对该电磁场调节，由振动引起的这种调节会导致表面反射的光强增加或减弱，这主要取决于入射角。
2,2 红外光声光谱技术
2,2,1光声效应的发现光声效应是 100多年前（ 1880年） Bell在研究光通信时发现的，他也凭此发明了世界上第一台光电话机。
Bell的主要发现：
1）采用迅速旋转的带有狭缝的圆盘周期性切断太阳光，切断频率为 声频,调制的光束聚焦在硒光电池上，硒光电池连在电话回路里。光强的变化导致听筒里发出声音。
2）将固体物质放在与听筒相连的密闭玻璃管里，然后用调制的太阳光照射，可以检测到相当强的可听见的信号。
3）,松散、多孔或呈海绵状、或材料具有最黑或吸光能力最强的颜色，产生的声音信号最强,。这些说明光声效应依赖于光的吸收。
尽管光声效应发现早，但是由于灵敏度低、噪音大、数据处理复杂等因素一直没有发展起来。
进入 1980年代，随着傅立叶红外光谱仪的出现，以及对深色样品分析的要求,PAS逐渐被分析化学家重视起来。
除了红外光以外，紫外－可见光也是常见的用于研究光声光谱的光区。
2,2,2 光声光谱的产生原理
1） 热波的产生：
调制的红外光照到样品后，样品就会吸收光辐射的能量，当能量足够大时，样品分子就会被激发到激发态，激发态分子处于高能级上，具有很大的能量，当没有化学反应时，激发态分子要很快衰减掉激发能而回到基态（一般在 ns～ ps之间）。能量衰减一般通过三种方式进行：辐射跃迁（产生荧光的过程）、
无辐射跃迁（又称驰豫,relax）和分子间能量传递。其中驰豫过程会产生热能，使样品温度升高。由于入射光是经过干涉仪调制的光，故此就能够产生样品温度的相应调制，即产生与调制频率相同的,热波,。
2） 光声光谱的产生：
由于光学调制频率在音频范围,因此热波产生的信号也是音频信号 。
什么是音频？
在密闭光声池中热波向紧挨着的气体扩散，从而在周围气体中产生一个声压波，该声压波可通过一个微型麦克风检出
（如下图示）。
音频就是人耳能感知的电磁波频率。
红外光束通过检测器窗口并穿过气体（最好是氦气）之后，
在样品表面反射一部分，反射率为 R，另一部分进入样品。
在样品里 x=0处的红外光强度为 I0（ 1-R），在深度为 x处的光强衰减为 I0（ 1-R） e-ax,a是样品的吸收系数。
吸收红外光的每个 dx层（见图）样品都会感受到温度变化幅度为 DT的热振动，
DT∝ I0（ 1-R） e-axdx
每个样品层的温度振动 DT都是一个热波源。来自样品整体的热波扩散到光辐照的样品表面并紧挨着的气体。热波的扩散系数为
5.0
s 2
s
a a?
其中 as是样品的热扩散率。
对于深度 x处产生的热波在扩散进入紧挨着的气体之前样品表面热波的振动幅度 DT 正比于 I0（ 1-R） ae-(a?as)xdx。被反射回样品的热波因子为 Rt,则样品表面处气体的温度振动幅度 DTg正比于
I0（ 1-R）（ 1-Rt） ae-(a?as)xdx。
热扩散产生的光声信号与所有 DTg的贡献总和有关。这些贡献来自每一样品层，这些样品层中 IR光能被吸收，由于这些层十分接近表面，以至于在穿过样品 -气体表面后其振幅还没衰减到零。从而 对光声池中的气体产生声压波。并可被麦克风检测出来。
FTIR-PAS测量的 采样深度,
红外和热波的衰减系数 a?as在光声信号产生中起关键作用。若
a<<as时，温度振动扩散中的 ae-(a?as)x项产生依赖于红外吸收的线性光声信号。这种情况下，样品在表面下热扩散长度为
s=1/as的样品层贡献 63％的信号，其余 37％的信号来自更深层的样品。 该热扩散长度?s称作 PAS的采样深度 。
当?s=1/ as=( as/?f)0.5=( as/?Vu)0.5 时，
通过改变镜速即可改变 PAS测量的深度。这里 f为调制频率,V
为动镜速度,u为红外光的频率。
可以看出，如果光谱测量范围从 4000到 400 cm-1，那么采样深度会随波数减小而增加。即动镜速度不变时，同一样品的 FTIR-
PAS测量的采样深度在各个波数处是不一样的。
为了得到恒定的采样深度，则需要 选择一个恒定的调制频率测量而与镜子的调制无关,这需要通过采用步进扫描模式实现 。
2,2,3 红外光声光谱的响应
FTIR-PAS的光谱响应由以下条件决定：
1）光源能量；
2） FTIR光谱仪的准直情况；
3）分束器的光谱特性；
4）光声检测器的光谱响应；
5）干涉仪动镜速度（调制频率）。
前三项由 FTIR仪器性能决定。 PAS的光谱响应决定光声光谱的灵敏度。固体样品的光声光谱比透射法低 1～ 2个数量级，但对强吸收样品,PAS法效果要好的多。
2,2,4 影响 PAS的因素
1）共振池任何光声池都有固有的共振频率，如果固有共振频率远离光声信号的波段范围，则共振对光声信号的影响就很小，
可忽略、但如果共振频率落在光声信号波段范围，则 PAS
信号会受到影响。
2）动镜速度
3） PAS光谱的本底光谱一般用碳黑做本底光谱的采集。
2,2,5光声光谱的应用
1）最主要的应用是深度剖析，即探测样品不同深度的特性。
2）深色样品的研究。如改性碳黑、活性炭、碳纳米管等的研究。
2,3红外显微成像技术 （ FTIR Microscopic
Imaging）
2,3,1 FTIR显微成像技术的原理
FTIR显微技术是将 FTIR光谱仪与光学显微镜联用的一种新技术，可以对微米区域的样品进行研究。显微成像技术是对一个选定区域（几十微米到几个毫米）的每一个点进行红外光谱测定，然后用计算机技术将这些点的红外光谱按区域进行二维或三维图谱绘制。
红外成像技术依赖下面三点：
1）扫描；
2）空间编码和解码；
3）红外显微镜及多通道检测器。
通过对二维图谱中特定基团的特征频率的研究，从微观角度得到一些深层次的信息。
在红外显微成像中，光路系统是最核心的部分。一般有透射成像、反射成像和 ATR成像三种方式透射式红外显微镜光路图
1-上光阑； 2-样品； 3-下光阑反射式红外显微镜光路图
1-光阑； 2-样品
ATR成像和反射式成像的光路相似，只不过在 ATR成像时需要一个 ATR附件，并且在做 ATR成像时晶体必须与样品紧密接触，另外,ATR成像一般都是单点成像。
2,3,2 红外显微成像的方式
1）单点显微红外成像即在选定的区域里逐点进行红外光谱扫描，然后用计算机软件将其组合成二维 IR图像。
2）焦平面阵列检测显微成像焦平面阵列检测器（ Focal Plane Array,FPA）是一个多通道检测器（如 64× 64 MCT,128× 128InSb），可对较大面积进行一次采集，而不用逐点移动样品台，减少了机械运动带来的误差。 首篇关于 FPA的文章发表在 1995年的 Anal,Chem.上，很快就被国外各大公司采用。
FPA的特点：
a）对大面积样品一次扫描即可得到成像图，减少了逐点移动扫描带来的误差；
b） FPA检测器最先是美国军方用于卫星监测上的，只是在最近一些年才逐渐应用到民用研究上，但是所有民用仪器上的检测器都是军方淘汰产品，其内部本身存在一些坏点，而且，
这些坏点会随着使用越来越多。
3）线阵列成像单点成像速度太慢（一般都在几十分钟到几个小时）,FPA
检测器易出现坏点。
为了克服二者的缺点,Nicolet公司采取了折中，开发了线阵列成像（ 16× 2 MCT）检测器，采用该检测器能大为提高成像分析的速度。
本实验室就采用这种检测器的红外成像系统 。
2,3,3 红外显微成像的特点
1）微区分析；
2）非破坏性检测；
3）样品均匀度的研究；
2,3,4 红外显微成像的限制根据 Rayleigh 规则，显微镜的空间分辨率为：
NAR 22.1
2
：波长； NA：数值孔径在红外显微镜里其放大倍数一般不超过 35,NA值不超过 0.7，
故此该空间分辨率在 5～ 10微米间。即该技术不能用于更精细微观的研究（譬如纳米）,这是个很大的遗憾！
由于该成像技术基于红外光，其空间分辨率只能到?m级。
2,3,5 红外显微成像技术的应用主要谈一下 FTIR Imaging的应用。 这是本人实验室主要的研究领域之一 。
1）生物、医学研究
（ 1）木材中的菌的检测 （ Fungal Genetics and Biology 42 (2005) 829–835）
将 FTIR imaging技术和聚类分析结合，用于木材上菌种的识别。
(L) Light microscopic view of beech wood cross-section,Crosses show the center of measurement areas
(20 × 45?m) for wood Wbers (w),and vessel lumina with T,versicolor (T,v.) and without mycelium (v),(R)
False color image of T,versicolor distribution in the wood section shown in (L) computed by correlation of a
T,versicolor spectrum,range 1250–922 cm-1,with the 4096 FPA spectra of the imaging data set,Dense T,
versicolor mycelium is displayed pink-red and sparse mycelium in green,Blue indicates areas with no
correlation with the fungal spectrum.
（ 2）软骨切片中的胶原质和蛋白多糖的研究 （ ARTHRITIS & RHEUMATISM
44（ 4） 2001,846–855 ）
以下是牛鼻软骨组织切片的普通显微镜照片。 1,2区域看不出区别。
A,Histologic section of bioreactor-
derived cartilage tissue stained
with alcian blue at low
magnification (23),showing the
respective locations of zones 1
and 2,
B and C,Higher magnification (103) of zones 1 and 2,
respectively,M,acellular matrix deposit,Scale bar
represents 100?m.。
Pure component images of A,chondroitin sulfate (CS) for zone 1,B,collagen for zone 1,C,
CS for zone 2,and D,collagen for zone 2 of bioreactor-derived cartilage tissue after 3 weeks
of growth,Zones 1 and 2 are as defined in above.
(3) 软骨修复机理研究 （ Biochimica et Biophysica Acta 1758 (2006) 934–941 )
FTIR images based on collagen content (A),PG content (B),collagen integrity (C),and collagen
fibril orientation (D) in equine repair cartilage tissue after microfracture treatment,Color scale
indicates the pixel values for the content of collagen or PG or integrity (1338 cm-1/amide II),as
well as the orientation of collagen fibrils (amide I/II),The repair tissue and the adjacent normal
cartilage were illustrated as ―R‖ and ―N‖ on the images,respectively,
下图是一组马的腿骨骨折修复切片的红外成像图：
（ 4）断骨愈合的病理研究 （ APPLIED SPECTROSCOPY,54 (8) 2000,1183-
1191)
骨头有两种主要的化学成分：一是 羟基磷灰石（ HA）,Ca10(PO4)6(OH)2，
有时 CO3-会替代晶格里部分 PO43-或 OH-，但前一结构占绝大多数。同样和钙离子大小相似的阳离子也可以替代部分的钙离子。另一主要成分就是有机物胶原质,这是一种蛋白质，
断骨愈合的病理研究就是观察其上的羟基磷灰石（多称为矿物质）形成的量以及观察晶体成长的尺寸。
左面是正常人的骨头，右面是骨坏死的骨头。（光学显微照片）
人的正常骨（ left)和坏死骨 (right)的红外图像,
IR images of the spatial distribution of the mineral/protein (matrix) ratio and a histogram of
this quantity,each given for normal and osteoporotic trabecular bone,The parameter
presented is a ratio of integrated areas of the PO43- contour to the area of the amide I mode,
Note the decrease in mineral level in osteoporotic bone.
老鼠大腿骨折四周后治疗和未治疗的红外成像图,
IR images of the spatial distribution of the mineral/protein (matrix) ratio and a histogram of
this quantity for an estrogen-treated site in a fractured rat femur (right) and for an untreated
site (left)
2）生物材料研究 （ Biomaterials,25 (2004) 3931-3938）
对聚乳酸（ PDLLA）和生物玻璃复合材料进行了研究。这种复合材料事实上作为骨折修复中的支架使用，最终会和骨头长在一起，而不用再动手术取出来。
a) PDLLA的分布（ 1750 cm-1） b) 生物玻璃的分布（ 1595 cm-1） c) 图 b经过调整后的图将该复合材料浸泡在 PBS缓冲溶液中，经过 14,28,63天后分别进行红外成像测定，发现生物玻璃的特征峰逐渐消失，同时
1026 cm-1的吸收峰出现，这代表羟基磷灰石的生成。
羟磷灰石的分布,a) 14,b) 28,c) 63天所有这些工作都是用 ATR Imaging技术完成的。
3）艺术品研究（ Anal,Chem.2004,76,1374-1385,Spectrochimica Acta
Part B 59 (2004) 1601– 1609）
对古代油画所用颜料研究,可用于真迹和赝品的鉴别。
首先对油画的断面进行光学成像，并将之分为七层，然后对各层进行反射 FTIR 成像分析,
Red represents a high
absorption,FT-IR image (a) at
1706 cm-1 represents the
embedding medium,(b) at 1419
cm-1 and (c) at 1382 cm-1 show
the presence of carbonates
（ 1419代表白垩土,1386则代表了蓝铜矿 Cu(CO3)2Cu(OH)2和铅白矿 Pb(CO3)2Pb(OH)2),The
FT-IR image (d) at 1000 cm-1
images the Si-O vibration (代表了深蓝青染料 ) and (e) at 1514
cm-1 the asymmetric vibration
of lead carboxylate （羧酸铅）,
The layers (1,4,5,and 6),
which can be discerned are
indicated in the images
4） 聚合物材料的研究
（ 1）聚丁二烯 /邻苯二甲酸烷酯的硫化行为研究 （ Anal,Chem.1998,
70,1768-1772 ）
硫化前（样品混合好后立即开始测）：
24小时硫化后：
可以看出，硫化后形成了很多较大的颗粒，～ 50
微米 。
(2) 聚合物的溶解研究 （ Macromolecules 2002,35,440-444）
Spectral images showing the concentration of PAMS（聚 a甲基苯乙烯）,MIBK,and
cyclohexane-d during dissolution of PAMS in an 85:15 cyclohexane-D:MIBK solvent solution
（ 3）可视聚合反应动力学研究 （ Polymer 47 (2006) 7355e7360 ）
甲基丙烯酸和四乙二醇甲基丙烯酸酯聚合形成一种智能水凝胶，通过观察
C=C双键的逐渐消失可以说明反应的进程，其反应过程可以这样看到：
FTIR images of spectral slices extracted from 1636 cm-1（ C=C） as a function of
reaction time,
（ 4）聚合物分散液晶的研究 （ Macromolecules,Vol,32,No,8,1999）
Infrared images of PDLCs formed by curing at 270 K after a prepolymerization
cooling time of (a) 30 min,(b) 1 h,(c) 2 h,(d) 4 h,(e) 6 h,and (f) 8 h.
Infrared images of PDLCs formed by curing at 255 K after a prepolymerization
cooling time of (a) 30 min,(b) 1 h,(c) 2 h,(d) 4 h,(e) 6 h,and (f) 8 h.
（ 5） EVA热熔粘合剂相容性的研究（ submitted to Polymer Testing）
不同比例的 EVA和石油树脂混合后的 FTIR Imaging 。
两种 EVA 和石油树脂比例为 100/100时的成像图 。其中的颜色标尺做了细化。
2,4 一些特殊的红外光谱技术
2,4,1时间分辨红外光谱技术（ Time-Resolved FTIR,TR-FTIR）
时间分辨光谱学，又称频闪光谱学，时间分辨 FTIR是最近 30年才发展起来的一门新技术。 它是将光谱仪器的快速多重扫描功能和计算机快速采集、处理数据的功能相结合，在与时间有关的研究领域中应用的一门技术。
通常的 FTIR步骤：
麦克尔逊干涉 F(x) or F(t)
Fourier 变换光谱 B(w)
对 TR-FTIR来说,F(x)或 F(t)随时间变化，得到一时序谱图：
麦克尔逊干涉 F(x,T) or F(t,T)
Fourier 变换光谱 B(w,T)
TR-FTIR中，瞬变时间 T很短,<?s,因此通常的方法得不到时间分辨的 FTIR图。
TR-FTIR的采集是在样品变化的 T瞬间内取得有限个数据点，
然后通过机械、光、电等外界激发因素，让样品多次重复瞬间
T内的变化，从而取得一组数据点处的数据，如此多次，即可完成 T瞬变每一过程干涉图所需要的全部数据点处的数据。大多数 TR-FTIR采用时间脉冲来控制时间，即以控制采样时间来达到逐步获取全部数据的目的。
由于在时间分辨研究中，需要对样品进行多次瞬变过程的重复扫描，后一次的扫描必须在样品恢复到初始状态时才可以进行。因此时间分辨光谱学主要用于研究：
2）物理或化学变化的中间过渡过程，即随时间的瞬变过程；
1）可逆化学反应；
如：聚合物的形变研究，化学反应中间瞬变体的研究，快速反应动力学研究，光合作用研究，等等。
注：这里“快速”、“瞬变”习惯上是指反应或变化的发生快于毫秒数量级而言。目前时间分辨率已能达到飞秒量级。
2,4,2 二维相关红外光谱技术 （ Two Dimensional Correlation FTIR,
2D-COS FTIR ）
1）二维相关谱的基本概念普通 FTIR光谱图通常都是二维平面图形。其中，横坐标代表如波长、波数等，而纵坐标代表相对应的体系性质，如发光强度、吸光度、透过率等。
但在实际研究的体系中，影响体系光谱学性质的变量通常不止一个。当多个因素同时作用于体系，或是若干个因素之间互有相关时，平面的二维光谱分析方法则无法反映出这些影响因素彼此之间的联系。
故此引入三维光谱分析的概念。它具有两个独立的自变量轴，
分别代表影响体系光谱学性质的因素；以及一个因变量轴，代表体系的某种光谱学性质。从三维立体图中，可以清晰地看出体系的光谱学性质分别随着两个变量变化的情况，以及两个变量之间的相关性。
三维光谱可以分为两大类,相关光谱和非相关光谱 。它们的本质区别，在于是否将数学中的交叉－相关分析（ Cross-
Correlation Analysis）方法运用到光谱数据的处理中。
三维光谱可以看成是一种“堆积谱”，谱图上的因变量维（强度）代表在相应的两个条件下，体系的某种光谱学性质的强度，
具有实实在在的物理意义。
三维相关光谱的核心思想则在于：对体系的动态光谱数据进行交叉－相关分析，从而得到一系列非常有用的二维相关谱图。谱图的两个变量通常是同一物理量（如二维红外光谱中的波数－波数），彼此之间是相关的。谱图上的第三维 —因变量维可以当作是一种广义上的光谱强度，但它只是一个计算出来的量，并没有什么实际的物理意义。国际上通常将三维相关谱图统称为二维相关谱 (Two-Dimensional Correlation
Spectroscopy,简称 2DCOS)。这是因为在实际应用中，三维相关谱图中的相关峰的峰位置显得尤为重要,而峰强度一般只是用来表征相关峰的相对强弱，其绝对值没有太多的实用价值。
二维相关谱有两种表示方法：
（ 1）鱼网图法 (Fishnet Map)：即将相关强度和两个频率变量都包括在内的三维立体谱图；
（ 2）等高线图法 (Contour Map)：即按不同相关强度切割出来的，只包括两个频率变量的图。
二维相关红外光谱是一种研究分子内官能团间相互作用和分子间相互作用的新方法。
2) 二维相关谱学的实验方法
1986年,Noda首先提出获得二维红外相关光谱的实验方案。
将一定形式的微扰（最初为正弦波形的低频扰动）作用在样品体系上使样品激发，产生红外吸收光谱的动态变化。然后对随时间变化的红外信号进行数学上的相关分析，产生二维红外相关光谱。
微扰会诱发区域性分子环境的变化,从而导致 FTIR谱图随时间变化，这种瞬间变化的谱叫动态谱。动态谱的变化包括：峰强度、位移、二向色性等。
在二维相关光谱学研究中，微扰的选择至关重要，不同的微扰方式，会得到不同的二维谱图。
3）二维红外相关谱的性质二维红外相关谱分为同步相关和异步相关两种。
同步相关示意图 异步相关示意图同步相关谱的分析：
主对角线上的组峰称为自动峰（ Autopeak）。自动峰总是正峰，它们代表吸收峰对一定微扰的敏感程度。
位于非主对角线上的峰称为交叉峰 (Cross Peak)。交叉峰可正可负。交叉峰的出现说明在官能团之间可能存在着分子内或者分子间的相互作用，这些作用会限制它们变化的独立性。
异步相关谱的分析：
异步相关谱上，没有自动峰，只有非对角线位置上才出现交叉峰。交叉峰有正有负。 该交叉峰通常说明官能团之间没有强化学相互作用、直接相连或成对现象。
异步相关谱的一个优势是提供了一种提高谱图分辨率的可能性。如果两个官能团吸收峰位置很近，发生重叠，而它们对共同的微扰却表现出不同的动态响应，这样就会在异步相关谱中生成清晰的交叉峰，从而提高了谱图的分辨率。
4）二维红外相关光谱的应用
（ 1）在聚合物结构研究；
（ 2）研究小分子在聚合物膜中的扩散行为；
（ 3）蛋白质的二级结构研究；
（ 4）中药研究；
（ 5）小肽中氢键的 b-转换动力学 （ Nature,444（ 2006）
469-472），该转换时间量级为 ps。
3．近红外和远红外光谱
3,1 近红外光谱 （ Near Infrared Spectroscopy,NIR）
3,1,1近红外光谱分析技术概述及发展历程近红外区分为近红外短波（ 780～ 1100nm）和近红外长波
（ 1100～ 2526nm）两个区域。
19世纪，发现了近红外光波。
1950年代,NIR技术在农副产品分析中得到应用 。
1960年代－ 1980年代,NIR由于一些缺点而处于发展低谷。
1980年代后期，重新发展（得益于化学计量学技术的发展）。
1990年代，飞速发展期。
2000年代，成熟发展、推广应用时期。
近红外光谱的产生：
近红外光谱主要是由于分子振动的非谐振性使分子振动从基态向高能级跃迁时产生的，记录的主要是含氢基团 C－ H,O－ H、
N－ H,S－ H,P－ H等振动的倍频和合频吸收。不同基团
（如甲基、亚甲基、苯环等）或同一基团在不同化学环境中的近红外吸收波长与强度都有明显差别。所以近红外光谱具有丰富的结构和组成信息。
3,1,2 近红外光谱的工作过程现代近红外光谱的特点是充分利用了化学计量学技术，可以说是将化学计量学技术应用最成功的一个例子 。
样品的近红外光谱包含了组成与结构的信息，而性质参数也与其组成、结构相关。因此，近红外光谱和其性质参数间也必然存在着内在的联系。使用化学计量学对两者进行关联，可确立这两者间的定量或定性关系，即校正模型。所以，整个近红外光谱分析过程包括了校正和预测两个过程 。
1）模型的建立采集已知样品的近红外光谱图，再通过化学计量学对光谱进行处理，并将其与不同性质参数的参考数据相关联，这样在光谱图和其参考数据之间便建立起了一一对应的映射关系，这种一一对应的映射关系就称作模型。
初级模型的建立，对定性分析约需 20个样品，定量分析则需要 50～ 80个样品 。
2）模型有效性确认模型在投入使用之前需要对其进行有效性确认，以便检查它能否正确预测结果。良好的模型应当是在用验证集样本对模型进行考核时，其预测结果与标准方法实际测量结果一致。
3）模型的扩充初始模型的建立是从小数据库开始的。数据库小，模型的适用范围就受到限制。这就意味着要使一个模型更加稳定、适用范围更加宽广，就需要不断地对模型的数据库进行扩充 。
4）模型的数量近红外光谱分析的效率取决于仪器所配备的模型的数量。模型数量越多，从一张图上得到的信息越多。因此多个模型的建立，可以大大提高近红外光谱分析的工作效率。
3,1,3 近红外光谱仪器分为色散分光型和傅立叶变换两种。
3,1,4 近红外光谱的应用
3,2 远红外光谱 （ Far Infrared Spectroscopy,FIR）
3,2,1 FIR简介：
IR主要研究振动和转动光谱。一般的，纯的振动光谱出现在
100～ 10000 cm-1(100~1?m),纯的转动光谱在 1~100 cm-1
(10000~100?m)。一般说的远红外区间是 400～ 10 cm-1,有时也扩展到 650 cm-1。
FIR的局限：
2）水蒸气对远红外光谱的干扰特别严重。这是因为水蒸气的转动光谱遍布整个远红外区，并且有许多极强的峰，如果不除尽水汽，远红外的测量很困难。
1）远红外振动很丰富，但研究并不深入，峰归属不很明确；
3,2,2远红外光谱仪器
1）光源必须提供远红外区足够的能量；
远红外仪器要考虑三点：
2）干涉仪的分束器覆盖的光谱区间尽可能宽；
3）检测器对远红外响应要快，灵敏度要高。
1）光源：有两类，一为中红外光源，另一为高压汞弧灯。
Nicolet的 Ever-Glo光源很好，可适用中远红外区仪器主要构成：
2）干涉仪的分束器有三种：聚酯膜（ Mylar Film）分束器、
固体分束器、金属丝网分束器 。
3）检测器：氘代硫酸三甘肽 /聚乙烯检测器（ DTGS/PE），
窗口材料是 PE，这是因为 PE对远红外光是透明的
3,2,3 影响远红外光谱的因素
1）水蒸气；
2）噪声，因为远红外区域的能量很小，可通过增加扫描次数来提高信噪比 ；
3）测试条件，如分辨率越高，信噪比越低；扫描速度慢，
噪音会小些等。
3,2,4 样品制备
1）固体样品,采用碘化铯粉末压片、聚乙烯粉末压片以及石蜡油研磨法，以碘化铯压片最好 。
2）液体样品,聚乙烯液体池法，硅晶片液体池法等。
3,2,5 远红外光谱的应用第一类：分子内部振动，包括,
（ 1）重原子之间的伸缩和弯曲振动，如无机化合物，配位化合物，金属有机化合物中金属与其他原子之间的伸缩和弯曲振动；
（ 2）气体或液体的扭转振动；
（ 3）环状分子的环变形（环折迭）振动。
第二类：分子之间的振动，包括：
（ 1）分子间相互作用，如氢键的振动等；
（ 2）晶格振动。
第三类：气体分子的纯振动 。
上世纪初，光的波粒二象性提出；
1923年,Smekal预言了光的非弹性散射；
1928年，印度物理学家 Raman用玻璃和太阳光证明了光的非弹性散射的存在。之后几个月，
苏联科学家 Landsberg和 Mandelstam也独立地发现了这一效应。
1931年,Raman获得了诺贝尔物理学奖。
1960年代，激光技术的成熟极大的推动了
Raman光谱技术的发展。
4．拉曼光谱
4,1 拉曼效应的发现什么是拉曼效应呢？
光照射到物质上时会发生散射，大部分散射光的频率不变，
这部分光叫做瑞利散射。还有一小部分光的频率在散射后发生了变化，频率的变化决定于散射物质的特性，这就是拉曼效应。
拉曼光谱是入射光子和分子相碰撞时，分子的振动能量或转动能量和光子能量叠加的结果，利用拉曼光谱可以把处于红外区的分子能谱转移到可见光区来观测。因此拉曼光谱作为红外光谱的补充，是研究分子结构的有力武器。
4,2拉曼光谱的原理可用分子能级图简单说明。
h(?0 +D?)
E0
E1 V=1
V=0
E1+ h?0
E2+ h?0
hD?
h?0h(?0 -D?)
ANTI-STOKES
0 -D?
Rayleigh
STOKES
0 +D0
拉曼位移：
即拉曼散射光的频率变化 Du。
拉曼位移与入射光波长无关，仅仅与分子的振动有关 。这就是拉曼分析的基础。
4,3 拉曼光谱的特点
1）红外光谱反映的是分子永久偶极矩的变化，而拉曼光谱则反映分子诱导偶极矩的改变；
诱导偶极距 μ＝ aE,a为极化率,E为电场强度。
2）一些在红外光谱中为弱吸收的谱带，在拉曼光谱中可能为强谱带，从而有利于这些基团的检出 ；
3）拉曼光谱低波数方向的测定范围宽（ 40 cm-1），有利于提供重原子的振动信息 ；
4）由于水的散射光谱极弱，因此拉曼光谱特别适合于研究水溶液体系 ；
5）固体样品可直接测定，无需制样。
4,4 与红外光谱的关系共同点：二者都反映分子振动的信息。
不同点：其物理过程不同。
2）拉曼光谱来源于分子的诱导偶极矩，与分子极化率变化有关，通常非极性分子及基团的振动导致分子变形，引起极化率的变化，属拉曼活性；而红外吸收与分子永久偶极矩的变化有关，一般极性分子及基团的振动引起永久偶极矩的变化，因此属红外活性
1）拉曼效应是光散射过程，因此是发射光谱，而红外光谱是吸收光谱；
红外及拉曼光谱的经验法则判断,
1）互相排斥规则有对称中心的分子其分子振动对红外和拉曼之一有活性，则另一非活性；
2）互相允许法则无对称中心的分子其分子振动对红外和拉曼都是活性的 ；
3）互相禁止法则少量分子的振动模式对红外和拉曼都是非活性的。
4,5拉曼光谱实验技术
4,5,1激光拉曼光谱下图是一个传统色散型激光拉曼光谱仪的示意图：
该拉曼光谱仪的局限：
1）激发光源在可见光区，光子能量较高，易产生荧光干扰测定 ；
2）光栅分光导致波数的准确度和重现性差；
3）逐点扫描，耗时长；
4）狭缝导致光通量小，信噪比低。
4.5,2 FT-Raman光谱
FT-Raman采用傅立叶变换技术对信号进行收集，多次累加来提高信噪比，并用 Nd,YAG 的近红外激光光源（钇铝石榴石激光器，波长 1064 nm）照射样品，大大减弱了荧光背景 。
和传统色散光谱仪不同的是,FT-Raman光谱仪采用近红外光源，没有分光系统，而且检测器采用了高灵敏度的铟镓砷探头 。
4,5,3共振拉曼光谱（ Resonance Raman Spectroscopy,RRS ）
激发频率与待测分子的某个电子吸收峰接近或重合时，即产生拉曼共振，这一分子的拉曼线强度可增强一万到一百万倍，并能观察到强度可与基频相比拟的泛频及组合振动光谱。
共振拉曼光谱的特点：
1）基频的强度可以达到瑞利线的强度；
2）泛频和合频的强度有时大于或等于基频的强度；
3）通过改变激发频率，使之仅与样品中某一种物质发生共振，
从而选择性的研究某一种物质 ；
4）和普通拉曼相比，其散射时间短，一般为 10-12～ 10-5 S ；
5）激光共振拉曼光谱灵敏度高、所需样品浓度低、反映的结构信息量大。
4,5,4表面增强共振拉曼光谱和表面增强红外光谱类似，非常灵敏 。
4,6拉曼光谱的应用
1）高分子材料、天然及合成橡胶、有机化合物的研究；
如结晶度、立构性、分子取向、分子结构等；
2）生物化学及生物领域研究；
如蛋白质的二级结构； DNA结构研究；酶、蛋白以及药物与 DNA相互作用的研究等 ；
3）无机化合物研究；
拉曼光谱非常适合无机化合物、配合物、生物无机化合物以及金属有机物的研究 ；
4）催化剂的表征这是目前拉曼光谱应用最广泛的领域。
