1.2 光谱产生机理

近红外光（NIR）是介于紫外-可见光（UV-Vis）和中红外光（MIR）之间的电磁波，其波长范围为700～2500nm（14286～4000cm-1），又分为短波（700～1100nm）和长波（1100cm-1～2500nm）近红外两个区域。由紫外-可见光谱延伸来的仪器，光谱常以波长（nm或μm）为横坐标单位，而由红外光谱延伸来的仪器尤其是傅里叶变换型的仪器，光谱则多以波数（cm-1）为横坐标单位。

分子是由化学键相连的原子组成，分子的运动状态包括分子的整体平动、转动、核间的相对位置变化的振动和电子运动。分子的这三种运动状态都具有一定的能量，属于一定的能级。图1-4是双原子分子能级示意图，其中E_A和E_B表示不同能量的电子能级，在每个电子能级中因振动能量不同又分为若干个振动能级，V=0，1，2，3，…，在同一电子能级和同一振动能级中，还因转动能量不同分为若干个转动能级J=0，1，2，3，…。当它们受到电磁辐射的激发时，会从一个能级转移到另一个能级，称为跃迁。按量子理论，它们是不连续的，即具有量子化的性质。一个分子吸收了外来辐射之后，它的能量变化ΔE为其振动能变化ΔE_v、转动能变化ΔE_r，以及电子运动ΔE_e能量变化之和，即ΔE=ΔE_v+ΔE_r+ΔE_e。

当能量接近于E_v的中红外和近红外光（102～104cm-1）与分子作用时，由于其能量不足以引起电子能级变化，只能引起分子振动能级变化并伴随转动能级的变化，此时，分子产生的吸收光谱称之为振动-转动光谱或振动光谱，振动光谱以谱带形式出现。

对于谐振子，振动量子数变化只能为1个单位（ΔV=±1），1个能级以上的跃迁是禁止的。因室温下大多数分子处于基态（V=0），允许的跃迁V=0→V=1称为基频跃迁，这种跃迁在红外吸收光谱中占主导地位，其谱带出现在中红外区域，即产生中红外光谱。其他允许的跃迁，如V=1→V=2、V=2→V=3、…是由激发态（V≠0）开始的跃迁，由于处于激发态的分子数相对较少，相应的谱带强度比基频吸收弱得多，通常在强度上相差1～3个数量级。

实际上，分子不是理想的谐振子，具有非谐性。首先，振动能级能量间隔不是等间距的，其能级间隔随着振动量子数V的增加而慢慢减少。其次，倍频跃迁（ΔV=±2或ΔV=±3），即V=0→V=2、V=3、V=4、…是允许的。但倍频吸收的频率并不是基频吸收的2、3、4、…倍，而是略小于对应的整数倍。

这可由非谐性振动的能级公式来说明：

式中，E_V为V能级的能量值；h为普朗克常量；为振动频率；c为光速；V为振动量子数（V=0，1，2，…）；X为非谐性常数（Anharmonic Constant），X是很小的正数，约等于0.01。

若只取上式的前两项，当非谐振子从V=0向V=1跃迁时，即基频振动频率为

式中，为谐振子的基频振动频率。可以看出，非谐振子的基频振动频率比谐振子的基频振动频率低。

当非谐振子从V=0向V=2跃迁时，即一级倍频振动频率为

当非谐振子从V=0向V=3跃迁时，即二级倍频振动频率为

例如，游离O—H键的基频吸收峰约为3625cm-1，若X取0.01，则可计算出其一级倍频的预计吸收位置出现在7033cm-1附近，二级倍频的预计吸收位置则出现在10440cm-1附近。

合频是指一个光子同时激发两种或多种跃迁所产生的泛频，包括二元组合频（两个基频之和，）、三元组合频（三个基频之和，），以及其他类型的组合频，如基频和倍频的组合频（）等。合频振动也是在非谐振子中才会出现，合频的频率也一定小于对应基频之和。

理论上，近红外光谱区的分子振动倍频和合频的信息量可能要比中红外的基频信息量更大，因为一些非活性的红外吸收也有可能发生倍频和合频吸收，以及费米共振峰。但由于倍频和合频的跃迁概率远小于基频，有实际意义的谱峰会有所减少。

基于产生的机理，可以总结出近红外光谱具有以下特性[9,10]：

1）近红外光谱主要是分子基频振动的倍频和合频吸收峰。与中红外光谱（基频）相比，产生近红外光谱的概率要低1～3个数量级，所以近红外光谱吸光度系数比中红外光谱低1～3个数量级（见表1-1），这要求仪器要具有极高的信噪比。

2）如表1-2所示，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，在近红外区域最常观测到的谱带是含氢基团（C—H、N—H和O—H）的吸收。一方面，由于含氢基团（X—H）伸缩振动的非谐性常数非常高，相比而言，羰基伸缩振动的非谐性较小，其倍频吸收强度就很低；另一方面，X—H伸缩振动出现在红外的高频区，且吸收最强，其倍频及其与弯曲振动的合频吸收恰好落入近红外光谱区。

3）与红外光谱相比，近红外光谱的谱带重叠严重，单一的谱带可能是由几个基频的倍频和组合频组成，很难像红外光谱或拉曼光谱那样对其进行精确区分。因此，不能采用传统光谱学的方法将其用于分子结构的鉴定。在定量分析方面，由于近红外谱带之间的重叠干扰，基于单波长的朗白-比尔定律工作曲线方法往往也不能得到满意的结果。但是，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，近红外光谱含有丰富的结构和组成信息，利用化学计量学方法，它非常适合用于含氢有机物质，如农产品、石化产品和药品等的物化参数测量。

4）氢键的变化会改变X—H键的力常数。通常，氢键的形成会使谱带频率发生位移并使谱带变宽。因组合频是两个或多个基频之和，倍频是基频的倍数，所以氢键对组合频和倍频谱的影响要大于对基频的影响。溶剂和温度变化产生的氢键效应是近红外光谱区的一个重要特性，即溶剂稀释和温度升高引起氢键的减弱将使谱带向高频（短波长）发生位移（见图1-5）。可以观测到的谱带位移的幅度为10～100cm-1，相当于几纳米至50nm。在使用近红外光谱进行定量和定性分析时，应注意氢键的影响。