紅外光譜
關注創建者：國高材高分子材料產業創新中心 創建時間：2021-06-09
紅外光譜的視頻教程
紅外光譜在材料研發/品控中的應用
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紅外光譜的實例教程
關鍵詞：Gaussian、GaussView、傅里葉紅外光譜（FTIR）、光譜分析、量子化學
近年來，紅外光譜分析技術在材料科學和化學領域得到了廣泛的應用。紅外光譜是一種基于物質分子振動模式的分析方法，可以用于研究物質的結構、組成和性質。然而在實驗中，由于各種原因(如儀器限制、環境干擾等),實際測量到的光譜可能會與理論預測有所偏差。為了解決這個問題，我們可以使用Gaussian軟件對材料的紅外光譜進行模擬。通過對已知物質的紅外光譜數據進行擬合，我們可以生成一個描述物質紅外光譜行為的模型。然后，將這個模型應用于實際測量的光譜數據，就可以得到對實驗光譜峰震動情況的分析結果。本文以將介紹如何使用Gaussian軟件模擬材料的紅外光譜，并利用這個光譜來分析實驗的光譜峰的震動情況。
圖1 苯酚使用KBr壓片法測試所得的FTIR圖譜
圖1為苯酚使用KBr壓片法測試所得的FTIR圖譜，由圖可以看到苯酚這個極為簡單的小分子材料出現了很多峰，在缺乏一定的分析化學能力的情況下難以正確的對其進行分析。因此我們首先使用GaussView軟件對苯酚進行建模，如圖2所示。
圖2 苯酚模型
首先對結構進行優化，并且對優化后結構進行紅外光譜計算，計算完成后將log/out文件使用GaussView打開，調出光譜曲線，如圖3所示。理論模擬的光譜和實驗光譜常有一定整體的偏差，為了能夠盡量相符，我們往往需要一些調節：一是對光譜的高度乘上刻度系數，使模擬光譜的峰高能和實驗光譜有較好的對應（通常僅進行定性符合）；另外就是對模擬光譜的橫坐標也進行scale或整體加減一個數值，以消除躍遷能量計算的系統性的偏差；此外，有時候還需要調節FWHM和展寬函數使結果更好地接近實驗譜。
展開 紅外光譜分析
主要用于對被測物質分子進行分析和鑒定活動，常用于材料研發分析。由于測試樣品成分及來源復雜多變，不同類型樣品所適用的方法不同，紅外光譜分析制樣主要可以分為：壓片法、糊狀法、薄膜法（溶劑溶解成膜法、熱壓法制膜）、液體池法（液體測試、液膜測試）、氣體池法等 。
對于高分子材料及成品樣品的分析來說，主要以測試粉體、樹脂為主，日常測試的主要方法為熱壓法、溶劑溶解成膜法和KBr研磨壓片法。三種測試方法存在差異，當然也會導致測試圖譜存在一定的差異，國高材分析測試中心通過實際應用案例，探討不同方法之間的差異性，幫助各位在進行材料分析制樣時提供一些思路。
圖1 紅外制樣方法示意圖
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不同制樣方法及注意事項
1、熱壓法
采用熱壓法進行高分子材料測試時，需要先確定高分子材料種類，選擇合適的熱壓溫度（對于未知聚合物的測試，建議以160℃作為起始溫度，從低到高進行驗證）。
展開 獲得mesh.hdf5文件：
phonopy --dim="3 3 1" -c POSCAR-unitcell --readfc --hdf5 --fc-symmetry --mesh="1 1 1" –eigenvectors
獲得irreps.yaml文件：
phonopy --dim="3 3 1" -c POSCAR-unitcell --readfc --hdf5 --fc-symmetry --irreps="0 0 0"
可根據材料晶體結構以及對稱性判斷Raman活性信息，也可根據irreps.yaml文件判斷
使用Phonopy-Spectroscopy 軟件分析前置計算得到的文件并計算紅外和Raman圖像
生成&Gamma點模式的聲子線寬:
phono3py --dim="2 2 2" --dim_fc2="6 6 3" --fc2 --fc3 -v --br --thm --mesh="48 48 48" --write_gamma --gp=0
紅外強度計算
這時需要使用之前準備好的BORN文件，生成室溫(300 K)線寬的模擬紅外光譜和峰值表,命令如下
phonopy-ir --ir_reps --linewidth_hdf5="kappa-m484848-g0.hdf5" --linewidth_temperature=300
Raman計算
通過irreps.yaml的振動信息，并參考材料結構信息，判斷可能顯示Raman活動的模式，并生成計算文件：
phonopy-raman -d --bands="4 5 6 7 8 9 11 12 13 14 15 17 18 20 21 22 23 25 26 27"
bands的值為需要計算的模式。
展開 以下是使用XRD確定未知晶體結構分析過程：
圖3 XRD確定未知晶體結構分析過程
03
紅外吸收光譜
對通過某物質的紅外射線進行分光，可得到該物質的紅外吸收光譜，每種分子都由其結構決定的獨有的紅外吸收光譜。更多內容可查看登錄科袖網輸入關鍵詞紅外光譜，查看相關文章。
常用儀器：傅里葉紅外吸收光譜儀
圖4 傅里葉紅外吸收光譜儀
分析原理：任何物質都是由分子和原子組成，而不同的物質構成分子的原子間的結合方式不同。各種不同的結合方式吸收特定波長的紅外線。如果用紅外線對標本照射，一部分光被反射回來，同時標本吸收一部分紅外線的能量，而產生了紅外吸收光譜。
紅外光譜被吸收的特征頻率取決于被照射樣品的化學成分和內部結構，可以說紅外光譜是物質本身的分子結構的客觀反映，物質種類不同，紅外光譜的吸收峰形狀也不同，這樣可根據物質的紅外光譜圖確定其化合物。
應用實例：
（1）分子的結構和化學鍵，如力常數（可推知化學鍵的強弱）的測定和分子對稱性等，利用紅外光譜方法可測定分子的鍵長和鍵角，并由此推測分子的立體構型。
展開 斷面參與物質分析
對材料正常截面和斷面部分進行紅外光譜分析，下圖為分析結果，從紅外光譜圖中可以看出材料正常截面的主要成分為ABS；材料斷面在1722.64cm^-1處有特征吸收，說明斷面含有含羰基類物質。
制件正常截面的紅外光譜圖
制件斷面的紅外光譜圖
懷疑目標物質分析
對于懷疑的目標物質玻璃水進行紅外光譜分析并與顯微紅外測試塑料制件的斷面的紅外光譜進行對比分析。從圖中可知斷面與玻璃水在1722.64 cm^-1處附近有相似的羰基吸收峰，且在1026.99 cm^-1和1067.22 cm^-1斷處有相似的吸收峰，說明斷面可能殘留玻璃水類的物質。
玻璃水（粉紅）與制件斷面（藍色）、制件正常截面（綠色）的紅外光譜對比圖
開裂原因分析
總結建議
根據光學顯微鏡、SEM、紅外光譜法對塑料制件的斷裂面及玻璃水分析對比可知：
1）由學顯微鏡、SEM 的形貌圖可知，塑料制件斷面形貌平整，為典型的脆性斷裂形貌特征，且斷面有較大的溶劑侵蝕形貌特征；
2）由塑料制件斷面的顯微紅外光譜、玻璃水的紅外光譜對比數據可知：斷面含有與玻璃水相似的成分；
綜上所述，塑料制件的開裂原因可能是由含有羰基成分的玻璃水對于ABS塑料制件侵蝕，進而導致應力釋放而開裂。建議客戶在成型工藝過程中盡量避免材料與玻璃水接觸，避免出現塑料制件受侵蝕而斷裂的情況。
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光譜成像技術如何重塑視覺邊界？13天前
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Optris Xi 1M采用0.85–1.1 μm的短波紅外光譜設計，完美解決了這一痛點：
匹配金屬發射率：短波范圍與大多數金屬材料的高發射率區域相匹配，顯著提高了測量的準確性和重復性。
高輻射強度：根據普朗克輻射定律，高溫物體在短波段發射的紅外輻射顯著增加，這使得Xi 1M在測量450°C以上的高溫時，比長波設備更具優勢。
、紅外光譜及光學光譜
解析聲子貢獻
獲取折射率、消光系數、反射率、極化率、光電導率
計算電光張量
優勢
NanoLab GUI中的全自動化工作流程，降低出錯率并縮短周轉時間（TAT）
針對極性材料的高級功能(離子貢獻、通過電子-聲子耦合實現的溫度依賴性)
力學與熱學屬性
功能
計算彈性常數及更通用的模量，如體積模量
2025年12月，imec宣布已在300mm CMOS試驗線上成功將膠體量子點光電二極管集成于超構表面之上，實現了可擴展的短波紅外光譜傳感器平臺，預計2027至2028年可進入量產。[20] Lumotive于2026年3月演示了全球首款可編程二維光子波束成形芯片，采用液晶超構表面技術，可實時動態形成和重塑光束。
它工作在0.85μm至1.1μm的短波紅外光譜范圍內。在這一波段下，金屬材料的發射率顯著高于長波范圍，且根據普朗克輻射定律，短波范圍內的輻射能量隨溫度升高呈指數級增長。這意味著，PI 1M不僅能捕捉到更強的信號，還能大幅降低因發射率設置誤差對測量結果的影響。無論是熔融的金屬還是高速移動的鋼坯，PI 1M都能提供比長波熱像儀更準確、更可靠的表面溫度數據。
然而，在此范圍之外，例如在紫外或紅外光譜范圍內，模型玻璃將不再準確，因此不應使用。
事實上，盡管模型玻璃是可見光譜范圍內的良好近似法，但是，如果您可獲得所需的數據，就不應該使用此方法，而應使用 OpticStudio 中創建玻璃的其他方法。換句話說，如果您可獲得材料足夠的色散數據，則應該使用 OpticStudio 中的其它玻璃建模方法，因為這些方法更準確。
這類材料具有可調的帶隙結構，通過組分調控可實現從紫外到近紅外全光譜范圍的光發射；同時具備高色純度，其電致發光半高寬（FWHM）僅為有機材料的1/3至1/4，這對于顯示和傳感應用至關重要。此外，鈣鈦礦材料還擁有長載流子擴散長度、低激子束縛能以及與低溫制備工藝的良好兼容性，這些特性使其在太陽能電池、激光器和傳感器等領域均展現出卓越性能。
失效分析服務
國高材分析測試中心依托國家工程實驗室和院士工作站的技術力量，依據ISO、GB、ASTM等國際國內標準，利用顯微紅外光譜儀、掃描電鏡、氣質聯用儀等先進設備，精準分析產品開裂、變色、性能下降等失效問題的根本原因和機理，服務覆蓋從電子電器、汽車到新能源等多個行業，通過系統的成分分析、斷面形貌觀察和熱分析等技術，為客戶定位失效原因、優化生產工藝、改進產品配方提供數據支持和改進建議。
環境光傳感器（ALS）內置了一個抑制紅外光譜的濾光片，并提供了一個接近人眼反應的光譜。肌萎縮性側索硬化癥可以從黑暗到陽光直射，可選擇的檢測范圍約為40 dB。雙通道輸出（人眼），因此在不同的光條件下具有良好的光比。ALS在不同光照條件下具有良好的光比。
在時鐘（SCL）陷入LOW的情況下，如果您的I2C設備有HW重置輸入，優先程序使用HW重置信號重置總線。
實驗室嚴格依據國際及國內相關標準，配備先進的紅外光譜（FTIR）、差示掃描量熱儀（DSC）和熱重分析儀（TGA）等設備，可實現對各類塑料成分、結構、熱性能及熱穩定性的系統表征，測試結果廣泛應用于原料鑒別、批次穩定性考察、產品質量管控及研發支持等領域，為客戶提供科學、可靠的數據支持和綜合分析解決方案。咨詢電話：020-66221668
