物质内部的分子具有若干特定的振动(或转动)能级，当一束连续波长的光照射该物质时，分子振动(或转动)就会发生能级跃迁，同时从入射光中吸收与该跃迁能量相等的入射光波。经过物质吸收能量之后的出射光将缺少一些波长信息或光强信息。通过对这些缺少的波长或光强信息进行分析，可以反过来获知物质内部的分子振动(或转动)信息，进而可以获知物质内部的分子结构。如图2-19所示，从光谱的角度来看，红外光谱是光谱中的一段，红外光谱又常分为特征区和指纹区。其中，特征区的红外吸收峰主要由组成分子的各种官能团(如C＝C、C＝O、C　C、苯环、咪唑环等)伸缩振动引起的，该区域的吸收峰出现的位置对应着官能团的种类，出现在特定波长范围内的吸收峰即表明分子中含有与之对应的官能团。指纹区的红外吸收峰是由各种官能团复杂的变形振动引起的，反映了分子结构中微小的结构差别，因此可以像人的指纹一样对物质的分子结构进行识别。因此，红外光谱是对物质分子(或离子)进行结构鉴定应用的非常有效的工具，在结构研究方面具有重要的意义。

红外光谱和拉曼光谱都是分析物质分子的振动、转动等行为的重要手段，两者具有较强的互补性，结合使用可以更加全面地了解物质的结构信息。目前，红外光谱已经广泛应用于物理学、化学、材料学、医药学等领域，是重要的分析手段。不同形态(固态、液态、气态等)和不同类型(无机、有机或高分子化合物等)的样品都可以利用红外光谱进行检测。

高压通常会引起物质内部结构发生变化，从而影响原子或分子的成键形式，在红外光谱中表现为相应的红外吸收峰发生移动、劈裂、峰强和峰宽改变，甚至可能出现新峰。因此，将高压实验技术与红外吸收光谱以及拉曼光谱结合使用，能够更加全面地认识高压下物质结构及性质方面的变化规律。图2-20为郑州轻工业大学高压科学技术实验室使用的Bruker Vertex 70V型红外光谱仪实物图。

图2-19　光谱区及能量跃迁相关图

图2-20　Bruker Vertex 70V型红外光谱仪实物图

以正戊醇为例，其结果能够很好地说明红外光谱在高压研究中的显著作用。如图2-21所示，为正戊醇在常压下的拉曼光谱和红外光谱。从图中可知，拉曼光谱和红外光谱主要特征峰相对应，说明这些振动模式同时表现出拉曼活性和红外活性。光谱在800～1200cm－1代表碳链的伸缩振动，拉曼光谱中1058 cm－1是碳链的反式构象特征峰，1078cm－1指扭曲构象。1300cm－1被指认为—CH2摇摆振动，1400～1500cm－1是—CH2和—CH3的弯曲模式振动区域，2800～3000cm－1代表—CH2和—CH3的对称和反对称伸缩振动模式，3100～3500cm－1为羟基振动模式。(www.daowen.com)

图2-21　常温常压下正戊醇拉曼和红外光谱

为了研究正戊醇中氢键在高压下的动力学行为，采用红外光谱对正戊醇的加压过程进行原位探测，压强从常压增加至12.0 GPa。图2-22为加压过程中正戊醇的红外光谱图。由图中可知，随压强的增加，在2.0 GPa时有特征峰劈裂和新峰出现(见图2-22中*所示)，新峰出现说明正戊醇内部有新的振动模式，分子结构可能发生变化。继续加压至12.0 GPa，除光谱分辨率降低外没有明显变化，说明在本次升压过程中可能出现一次液固相转变，相变点为2.0 GPa，此相变点与拉曼加压相变点3.2 GPa不同，可能由于加压速率不同导致。此外，代表羟基的特征峰3300 cm－1在2.0 GPa时劈裂成多个峰，且随压强的增加，这些特征峰向低波数方向移动，出现红移，说明随着压强的增加，正戊醇中的氢键在增强，可能氢键在此压强点形成新的氢键网或团簇，进而使正戊醇由液相转变成固相。

为了详细分析压强对正戊醇中氢键的作用，图2-23对3000～3600 cm－1段代表氢键的特征峰进行拟合，并与代表C链伸缩振动的特征峰进行对比。图2-22显示相变以后代表氢键的特征峰有明显变化，所以图2-23从相变点2.0 GPa以后进行研究。图2-23(a)显示，正戊醇在2.0GPa发生相变后，除C链的伸缩振动峰随压强增加向高波数方向偏移外，没有其他明显变化，说明正戊醇固化以后，压强对C链的作用不明显。从图2-23(b)发现，代表氢键的特征峰在2.0GPa发生相变之后，随压强的增加出现两个明显的拐点，分别在4.0GPa和8.0GPa。对比加压红外光谱图以及显微镜下图片，新出现的两个拐点不能反映相变发生，但可以说明压强对氢键团簇影响非常明显。正戊醇分子通过分子间相互作用及氢键聚合在一起，当发生液－固相变时，代表羟基的峰3300cm－1发生劈裂，通过数据拟合该峰劈裂成3200cm－1、3311cm－1、3414cm－1、3451cm－1和3465cm－1五个峰，其中3200cm－1和3311cm－1两个峰代表氢键环状四聚体团簇，3414cm－1和3451cm－1代表氢键环状三聚体团簇，3465cm－1代表氢键二聚体团簇。这五个峰随压强的增加，向低波数方向移动且有两个拐点，说明氢键对压强非常敏感。随压强的增加，正戊醇内部出现更多的氢键环状四聚体团簇和环状三聚体团簇，组成的氢键网越来越大，氢键的作用力越来越强。此外，说明氢键在促进正戊醇晶体结构稳定方面起至关重要的作用。

图2-22　正戊醇在不同压强下红外光谱(*代表新特征峰出现)

由该实例可知，高压红外光谱是研究有机分子尤其是离子液体的有力工具。