红外光谱4大测定方法解析

压片法是实验室红外测试中最基础、应用最广的方法，核心原理是“基质稀释+透射测试”，通过红外透明的溴化钾（KBr）基质消除背景干扰，实现对固体样品的定性与半定量分析。

1.原理与制样流程

压片法的核心是利用KBr在中红外区（4000-400cm⁻¹）几乎无特征吸收的特性，将微量样品与KBr粉末均匀混合后压制为“盐片”，再通过检测透过盐片的红外光强度变化获取谱图。

完整制样流程需严格把控5个关键步骤：

（1）KBr预处理：取分析纯KBr粉末，放入干燥箱120℃烘烤4-6小时（彻底去除吸潮水分），烘烤后迅速转入干燥器冷却至室温（避免二次吸潮）；

（2）样品称量：按样品与KBr 1:100-1:200的质量比称量（低含量杂质可提高至1:50），总质量控制在100-200mg（适配直径13mm的标准压片模具）；

（3）研磨混合：在红外灯下将混合物放入玛瑙研钵研磨5-10分钟，直至粒径小于2μm（避免粒径过大导致光散射，影响谱图基线）；

（4）压片操作：将研磨好的粉末均匀填入模具样品槽，轻震模具使粉末分布均匀，放入压片机缓慢加压至10-15MPa，保压30-60秒（压力过大会导致盐片碎裂，不足则盐片疏松），泄压后用镊子轻夹盐片边缘取出；

（5）样品测试：将盐片快速放入光谱仪样品架（暴露时间不超过1分钟，减少吸潮），设置扫描次数16次、分辨率4cm⁻¹，测试完成后及时回收或丢弃盐片。

2.适用样品类型

压片法的普适性是其核心优势，尤其适合以下固体样品：

（1）固体粉末样品：如无机盐粉末、有机小分子晶体（苯甲酸、水杨酸）、药物原料药等，易与KBr混合研磨且无明显挥发性；

（2）难熔固体样品：如聚酰亚胺等耐高温聚合物、陶瓷粉末，无法通过熔融制膜，压片法成为主要选择；

（3）工业异物与微量杂质：如设备管道垢样、塑料成品中的黑点杂质、食品异物颗粒等，可通过“KBr转移法”取样（用KBr粉末擦拭异物表面吸附目标物），解决“取样难”问题；

（4）吸附态样品：如催化剂表面吸附的有机物种，可将催化剂粉末与KBr混合压片，直接测试吸附物种的红外信号，用于催化机理研究。

3.优点与缺点

（1）优点

• 应用普适性强：覆盖绝大多数固体类型，是未知样品初步定性分析的首选方法；

• 低含量检测能力突出：可检测低至0.1%的杂质成分（通过调整样品与KBr比例），远超薄膜透射法等其他手段；

• 谱图质量稳定：KBr基质背景信号低，谱图基线平稳、特征峰清晰，便于谱库检索与半定量分析；

• 取样灵活性高：对无法直接取样的样品（如大型设备涂层、文物附着物），可通过KBr转移取样，降低测试难度。

（2）缺点

• 水峰干扰难以根除：即使KBr经过烘烤，制样过程中仍会吸收空气中的水分，导致谱图在3400cm⁻¹（羟基伸缩振动）和1640cm⁻¹（水分子弯曲振动）出现强水峰，掩盖样品中羟基、氨基等基团的信号；

• 制样流程复杂耗时：从KBr预处理到压片完成需30-60分钟，远慢于ATR法，且每一步均可能引入误差；

• 易引入外源杂质：玛瑙研钵残留的上一样品粉末、压片模具的金属锈迹或油污，都会导致谱图出现杂峰；

• 不适用特殊样品：挥发性样品（低沸点有机固体）在研磨时会挥发，热敏性样品（蛋白质、多糖）在红外灯下可能变性，均会导致谱图失真。

4.操作注意事项

压片法的“坑”多藏在细节里，需重点关注以下5点：

（1）环境湿度控制：制样与测试需在相对湿度＜40%的干燥环境中进行，湿度较高时需在手套箱或氮气保护下操作，减少KBr吸潮；

（2）研钵与模具清洁：每次使用前用无水乙醇擦拭研钵内壁和模具样品槽，必要时80℃烘干10分钟，确保无残留杂质；

（3）压片参数校准：首次使用或更换样品时，先做空白KBr压片测试，若空白谱图无杂峰，说明压力、保压时间等参数合适；

（4）盐片转移防护：禁止用手指直接接触盐片（汗液会导致吸潮和油脂污染），需用镊子夹取边缘，测试后立即放入干燥器保存；

（5）水峰扣除技巧：若谱图出现水峰，可先测试空白KBr盐片作为背景，再通过光谱仪软件自动扣除背景水峰（样品本身含水需先干燥处理）。

薄膜透射法是聚合物结构分析的“专属工具”，无需添加基质，直接通过样品熔融制膜测试，能真实反映样品本身的红外特征，尤其适合研究晶型、取向等结构信息。

1.原理与制样流程

该方法基于“直接透射”原理：将样品加热至熔融状态制成均匀薄膜，红外光直接透过薄膜被化学基团吸收，通过检测透过光强度变化获取谱图。

制样流程需精准控制温度与厚度，核心步骤如下：

（1）样品预处理：取5-10mg样品，用无水乙醇擦拭表面去除灰尘油污（聚合物颗粒可剪成小块），易氧化样品需在氮气保护下处理；

（2）加热制膜：将样品放在石英载片上（普通玻璃在中红外区有吸收，必须用石英），放入加热台（温度精度±1℃），设定温度高于样品熔点10-20℃（如聚丙烯熔点160-170℃，加热至180℃），待样品完全熔融后，用另一石英载片轻压形成薄膜（避免用力过猛导致样品溢出）；

（3）冷却定型：保持载片压力，以5-10℃/min的速度缓慢冷却至室温（快速冷却会导致薄膜内应力开裂），冷却10-20分钟至薄膜完全固化；

（4）薄膜剥离：用镊子轻轻撬开载片，若薄膜粘连可将载片冷藏5-10分钟（利用热胀冷缩分离），检查薄膜是否均匀无褶皱；

（5）样品测试：将薄膜固定在样品架上（确保平整无拉伸），设置扫描参数后测试，若强峰无饱和、弱峰清晰，说明薄膜厚度合适。

2.适用样品类型

薄膜透射法的应用范围较窄，仅适合“可熔融且能成膜”的样品：

（1）热塑性聚合物：如聚乙烯（PE）、聚丙烯（PP）、聚氯乙烯（PVC）等，加热后能熔融流动，冷却后形成稳定薄膜；

（2）低熔点有机固体：如石蜡、硬脂酸、邻苯二甲酸二丁酯（增塑剂），熔点低于200℃，熔融后无明显分解；

（3）可热压成型固体：如天然橡胶、丁苯橡胶等弹性体，无需完全熔融，加热加压即可制成薄膜；

（4）聚合物共混物与复合材料：如PE/PP共混物、玻璃纤维增强聚丙烯，可通过特征峰变化分析共混相容性（出现新峰说明组分间有相互作用）。

3.优点与缺点

（1）优点

• 无基质干扰：直接测试样品本身，避免KBr等基质引入的杂峰与相互作用，谱图真实性极高；

• 低含量基团辨识度高：样品中微量官能团（如聚合物中的少量羰基、羟基）无基质掩盖，特征峰易识别（如聚烯烃氧化产物的羰基峰1720cm⁻¹，压片法易被水峰干扰，薄膜法可清晰检测）；

• 适合结构分析：通过控制冷却速度、加热温度，可制备不同晶型或取向的薄膜，研究样品结构变化（如聚乙烯结晶度与特征峰强度的关联）；

• 制样成本低：无需昂贵的KBr或ATR晶体，仅需石英载片，且载片可重复使用（清洗烘干即可）。

（2）缺点

• 应用范围极窄：无法用于热固性聚合物（环氧树脂加热不熔融）、高熔点样品（熔点＞300℃的陶瓷）、脆性固体（无机盐熔融后易碎裂）；

• 薄膜厚度难控：厚度5-20μm为最佳范围，过厚会导致强峰饱和（峰形平顶），过薄则弱峰信号弱，且同一薄膜的厚度差异易导致基线漂移；

• 高温易致样品降解：加热温度过高或时间过长，会导致样品热降解（如PVC高温释放HCl，出现新双键峰）或氧化（聚合物生成羰基），谱图失真；

• 薄膜剥离难度大：聚酰胺、聚酯等样品熔融后与石英载片附着力强，强行剥离易导致薄膜破裂，无法测试。

   

4.操作注意事项

薄膜透射法的关键在于“控温”与“控厚”，需重点关注：

（1）精准控温：先用差示扫描量热法（DSC）确定样品熔点与分解温度，确保加热温度在“熔点-分解温度”区间，加热时间以样品完全熔融为宜（1-3分钟）；

（2）石英载片清洁：每次使用前用无水乙醇浸泡10分钟，超声波清洗5分钟，120℃烘干20分钟，表面有划痕需及时更换（划痕会导致光散射）；

（3）厚度控制技巧：通过样品用量与压片力度调整厚度（用量多、力度小则厚，反之则薄），先做预实验（5mg、8mg、10mg样品），选择“强峰不饱和、弱峰清晰”的用量；

（4）防氧化措施：易氧化样品需在氮气手套箱或氮气气流（流速50-100mL/min）下制膜，隔绝空气；

（5）薄膜完整性检查：用光学显微镜观察薄膜，有气泡需先对样品真空除气，有褶皱需调整冷却速度，有杂质需重新预处理样品。

ATR法（衰减全反射法，Attenuated TotalReflection）是近年来应用最广的红外测试方法，凭借“非破坏性、快速便捷”的优势，成为固体、液体、半固体样品的“通用解法”。

1.原理与制样流程

ATR 法基于光内反射原理而设计。从光源发出的红外光经过折射率大的晶体再投射到折射率小的试样表面上，当入射角大于临界角时，入射光线就会产生全反射。

事实上红外光并不是全部被反射回来，而是穿透到试样表面内一定深度后再返回表面。

在该过程中，试样在入射光频率区域内有选择吸收，反射光强度发生减弱，产生与透射吸收相类似的谱图，从而获得样品表层化学成份的结构信息。

制样流程简化且高效：

（1）样品表面预处理：

固体样品（塑料板、金属涂层）用无水乙醇擦拭去杂，粗糙表面用砂纸（400-800目）打磨平整；

液体样品滴在晶体表面或载玻片上，避免气泡；

半固体样品（软膏）均匀涂抹在晶体表面；

（2）晶体清洁检查：用无水乙醇擦拭晶体表面（金刚石用软布，锗晶体避免硬布），氮气吹干后检查是否有划痕、破损（破损会导致光反射异常）；

（3）样品与晶体贴合：将样品放在晶体表面，根据样品硬度调整压力（软质10-20N、硬质30-50N），确保无气泡空隙（空隙会减弱倏逝波穿透效果）；

（4）背景与样品测试：先测空白背景（无样品的晶体反射光），再测样品，扫描次数32-64次（信号弱时增加次数），测试后立即清洁晶体。

2.适用样品类型

ATR法的适用范围远超其他方法，几乎覆盖所有常见样品状态：

（1）固体样品（含成品/不规则样品）：如塑料板材、橡胶制品、金属涂层、纸张、织物、块状陶瓷、电子元件封装材料，无需制样直接测试，适合成品检测；

（2）液体样品（含粘稠液体）：如润滑油、涂料、胶粘剂、水溶液、蜂蜜、糖浆，无需样品池，滴加或涂抹即可测试；

（3）半固体样品：如软膏、凝胶、牙膏、化妆品，均匀涂抹后快速测试；

（4）不规则形状样品：如岩石碎片、塑料边角料、植物叶片，只要有局部平整表面即可测试，无需切割打磨；

（5）动态过程监测样品：搭配加热台、湿度控制装置，可原位测试样品在不同环境下的结构变化（如聚合物热老化、药物湿度稳定性）。

3.优点与缺点

（1）优点

• 测试便捷快速：制样仅需5-10分钟，无需研磨、压片或熔融，适合批量样品测试；

• 适用范围极广：覆盖固体、液体、半固体，弥补压片法、薄膜法的应用局限；

• 非破坏性测试：仅接触样品表面，不破坏样品，适合珍贵样品（文物涂层、生物组织）或成品检测；

• 无基质干扰：直接测试样品本身，避免基质杂峰与相互作用，谱图真实性高；

• 可原位测试：搭配专用附件可实现动态监测，研究样品在加热、冷却、老化过程中的结构变化。

（2）缺点

• 样品表面要求高：需局部平整表面，粗糙样品（多孔材料、粉末）贴合不紧密，信号减弱；

• 刚性过强样品效果差：硬质合金、淬火钢等无法通过压力贴合晶体，倏逝波穿透不足，信噪比低；

• 易损坏晶体：锗晶体硬度低（莫氏硬度6）易划伤，金刚石晶体虽硬（莫氏硬度10）但价格昂贵，边缘易崩裂；

• 测试深度浅：仅检测表面几微米，无法反映样品内部成分（如表面涂层与内部基材不同时，仅能测涂层）；

• 强吸收样品信号弱：金属氧化物、浓溶液等强吸收样品会快速衰减倏逝波，导致弱峰难以检测（需增加扫描次数）。

4.操作注意事项

ATR法的关键在于“晶体维护”与“贴合度控制”，需注意：

（1）晶体选择与维护：测试范围广、样品硬选金刚石晶体；低波数区（200-2000cm⁻¹）、无机样品选锗晶体；液体、中等硬度样品选硒化锌晶体。清洁时用软布蘸无水乙醇轻擦，禁止硬物碰撞；

（2）表面平整度控制：粗糙固体用砂纸打磨，液体样品确保覆盖晶体无气泡，半固体均匀涂抹；

（3）压力精准控制：用带压力传感器的附件，按样品硬度设定压力，禁止盲目加压（金刚石晶体最大压力不超过100N）；

（4）晶体及时清洁：测试后立即擦去残留样品，粘稠样品（软膏）先用纸巾擦拭，再用乙醇清洗，锗晶体避免用丙酮（防腐蚀）；

（5）背景扣除：晶体本身有微弱吸收（如锗晶体3000cm⁻¹左右），需先测空白背景，再扣除背景信号。

样品池法是液体样品定量分析的“金标准”，通过固定厚度的透明样品池，实现对液体浓度的精准计算，核心优势在于“定量精度高、谱图重复性好”。

1.原理与制样流程

样品池法基于“固定厚度+透射吸收”原理：用中红外透明的窗口材料（石英、氟化钙、氟化钡）制成样品池，注入液体样品后，红外光透过窗口与样品被吸收，通过检测透过光强度变化获取谱图。

由于样品池厚度固定，可通过朗伯-比尔定律（A=εbc）计算样品浓度。

制样流程需严格把控清洁与除气：

（1）样品池选择：

普通有机溶剂选石英窗口，水溶液/强极性溶剂选氟化钙（CaF₂）或氟化钡（BaF₂）窗口（石英在水的吸收区有干扰）；

高浓度样品选0.1-0.2mm薄池，低浓度选0.5-1mm厚池；

挥发性样品选带密封盖的样品池；

（2）样品池清洁：新池用无水乙醇浸泡30分钟，超声波清洗10分钟，氮气吹干；旧池每次用与样品互溶的溶剂冲洗，再用乙醇清洗，氮气吹干；

（3）样品预处理：含颗粒的样品用0.22μm滤膜过滤（防光散射），含气泡的样品超声5分钟或真空除气；

（4）样品注入：用移液管缓慢注入样品（0.1-1mL），避免气泡（移液管尖端贴池壁），带密封盖的样品池注入后立即盖紧；

（5）样品测试：将样品池放入光谱仪插槽（确保窗口与光轴对齐），先测空白（注入溶剂的样品池），再测样品，测试后立即清洁样品池。

2.适用样品类型

样品池法专为液体样品设计，尤其适合以下场景：

（1）需定量分析的液体：如有机溶剂（乙醇、甲苯）、石油产品（汽油、润滑油）、药物制剂（口服液、注射液），通过特征峰强度计算浓度；

（2）不同浓度的溶液样品：如有机化合物的水溶液、乙醇溶液，研究浓度对红外光谱的影响；

（3）低挥发性液体：如食用油、甘油，挥发慢，测试中浓度变化小，谱图重复性好；

（4）动态监测的液体反应体系：如溶液中的化学反应、液体老化过程，可定时取样测试，研究反应进程。

3.优点与缺点

（1）优点

• 定量精度高：厚度固定、无基质干扰，通过朗伯-比尔定律计算浓度，相对误差＜5%；

• 可重复使用：样品池清洗后可多次使用，石英池使用寿命长，降低成本；

• 谱图重复性好：参数控制到位时，同一样品多次测试的相对标准偏差＜2%，便于数据对比；

• 可动态监测：搭配自动进样装置，可实现批量样品或反应体系的连续测试；

• 样品可回收：测试后样品可回收（珍贵样品适用），避免压片法的样品浪费。

（2）缺点

• 应用范围局限：仅适用于液体，且需澄清无颗粒（含颗粒需过滤）；

• 制样流程复杂：需清洁、过滤、除气等步骤，耗时15-30分钟，慢于ATR法；

• 样品用量大：需0.1-1mL样品，无法用于微量液体（如几微升的生物体液）；

• 窗口易损坏：石英窗口硬度低（莫氏硬度7）易划痕，氟化钙/氟化钡窗口化学稳定性差（氟化钙怕强酸，氟化钡怕水）；

• 挥发性样品误差大：乙醚、丙酮等易挥发样品会快速浓度降低，谱图重复性差；

• 水峰干扰：水溶液测试时，水的强吸收峰易掩盖样品信号，需复杂的背景扣除。

4.操作注意事项

样品池法的“定量精度”依赖细节控制，需重点关注：

（1）窗口材料选择：水溶液/强极性溶剂禁用石英，选氟化钙/氟化钡；酸性样品禁用氟化钙，选氟化钡；碱性样品避免氟化钡；

（2）厚度匹配：高浓度样品用0.1-0.2mm薄池，低浓度用0.5-1mm厚池，通过预实验确定最佳厚度；

（3）清洁与干燥：用与样品互溶的溶剂先冲洗，再用乙醇清洗，氮气吹干（禁止烘箱烘干，防窗口变形）；

（4）气泡控制：注入时动作缓慢，有气泡则轻晃样品池或超声除气；

（5）定量分析校准：绘制标准曲线（不同浓度标准溶液的吸光度-浓度曲线），测试样品时用同一池体与条件，空白校正后代入计算；

（6）样品池保存：清洁后放入专用盒，避免碰撞；长期不用时在窗口涂少量甘油防受潮，定期检查窗口状态。

问：固体粉末既能用压片法也能用ATR法，怎么选？

答：需低含量杂质检测（＜1%）选压片法；样品珍贵、需非破坏性测试或批量快速测试选ATR法；样品易吸潮选ATR法（避免KBr水峰干扰）。

问：液体样品用样品池法还是ATR法？

答：需定量分析选样品池法（厚度固定，精度高）；粘稠液体、微量样品或快速测试选ATR法；水溶液选ATR法（无需担心窗口选材）。

问：压片法的水峰怎么彻底解决？

答：三管齐下：①KBr120℃烘烤4-6小时；②湿度＜40%环境或氮气保护制样；③测试空白KBr谱图并扣除背景水峰；样品含水需先真空干燥。

问：ATR法样品与晶体贴合不紧密怎么办？

答：软质样品适当加压（不超晶体上限）；硬质样品打磨表面或垫聚四氟乙烯薄膜；液体样品增加用量覆盖晶体，刺破气泡。

问：样品池法测试水溶液用什么窗口？

答：窗口选氟化钙/氟化钡。