組成物質的分子、原子、離子都在不停的運動。主要的運動形式包括振動、轉動和平動。此外，分子内部的基團也在運動，其模式有伸縮振動、彎曲振動以及環的呼吸等等。這些運動的能量範圍都在紅外光區。除平動之外，和其它微觀運動一樣，轉動和平動的能級都是量子化的。如果一種分子或者基團吸收了足夠能量，便可以躍遷到較高能級繼續其運動。其表現形式就是，如果用紅外光掃描一種物質，我們就會看到某些區域出現吸收峰，而另外一些區域沒有吸收。根據吸收峰的波長和波形，便可以推測分子中的元素、集團以及它們的連接方式。這種光譜法叫做紅外光譜法（infrared absorption spectroscopy，IR），是振動-轉動光譜的一種。它可以快速、簡便的獲取有機分子的組成或結構信息。輔以合適的校準曲綫，紅外光譜還可以用於定量分析。
拉曼光譜則是建立在拉曼效應的基礎上。當光子照射到物質表面時，絕大部分時間發生彈性散射，光子的能量沒有損失，散射光的波長和入射光一樣。這種效應稱為瑞利散射。我們的視力很大程度上依賴這種散射。只有入射光和散射光的波長相同的時候，我們的眼睛才能看到物體的本色。偶爾光子和物質分子會發生非彈性散射。一部分光子的能量傳遞給一個分子或者其内部的一個基團，使其躍遷到較高的振動-轉動能級。散射光子的能量降低，其顔色發生紅移。這種散射現象被稱為拉曼效應。印度物理學家拉曼（C. V. Raman, 1888-1970）於1930年發現並對這種現象提出了理論解釋。拉曼散射比瑞利散射弱三到四個數量級，如果用普通光源，很難觀察到光的拉曼散射。因此拉曼光譜在激光出現後才真正成爲一種實用的分析方法。它和紅外光譜都在紅外光區。由於機理、選律不同，如果紅外光譜中一個分子或基團在某個波長沒有吸收，很多時候在拉曼光譜中反倒有。所以拉曼光譜和紅外光譜有很好的互補性。
用於產生紅外光譜的儀器稱為紅外線分光光度計，一般簡稱為紅外光譜儀。早期的紅外光譜儀使用單色器產生每一波長的紅外光掃描待測物，數度較慢。現代紅外光譜儀使用邁克爾遜干涉儀以及對干涉圖的傅立葉變換來獲得紅外光譜。一個干涉圖中包含了所有波長的吸收峰位置和强度，測試速度大大加快。因此現在的紅外光譜儀一般稱為傅立葉變換紅外線光譜儀（FTIR）。拉曼光譜儀用激光照射樣品，散射光經過分光和濾波（除去瑞利散射波、背景光以及熒光等），最終到達探測器。傅立葉變換技術現在也廣泛地使用在拉曼光譜儀中。
習慣上紅外和拉曼光譜的橫坐標不用光波的波長（單位是nm或者μm），而用波數（單位是cm-1）。二者的轉換很簡單，把波長轉換爲cm，取倒數即可。比如波長為50 μm = 0.005 cm，其對應的波數為1/0.005 = 200 cm-1。使用波數，除了歷史原因之外，還有幾個考慮。首先，波數是線性的，而且直接和能量對應。1 cm-1等於1.24×10−4 eV或者1.986×10−23 J。這樣有幾個好處。高波數對應高能振動-轉動躍遷。譜線的間距直接對應其能量差距。而波長和頻率沒有這麽直接。如果使用它們作爲單位而維持我們熟悉的紅外譜的話，橫軸將是非線性的。另外，拉曼峰的位置不能用波長來表示。拉曼譜中，吸收峰的位置是根據拉曼散射光子和入射激光的頻率差異來決定的。這個頻率差異就是能量差異，自然易於用線性的波數來表述。由於紅外光譜和拉曼光譜經常一起用來鑒定分子結構，通用波數為單位就顯得自然而然了。
拉曼峰的強度是待測物濃度的線性函數，而紅外吸收峰的強度是濃度的對數函數。如果其它條件維持不變，溶液濃度加倍，拉曼譜線的強度也會加倍，而對紅外吸收峰强度的顯影響取決於峰所在的位置。比較弱的紅外吸收區強度可能接近加倍，但本來吸收比較强的區域只能加強一點。
波譜產生的條件
并非所有的分子振動、轉動模式都能引起紅外和拉曼吸收。分子轉動能級之間的間隔比較小（<0.05eV），因此純轉動吸收在遠紅外區（波長50 μm到1 mm；波數200 cm-1以下）。但是振動能級二點間隔要大一些（0.05 ~ 1.0eV），因此出現在中紅外區（波長2.5 μm到50 μm；波數4000-200 cm-1）和近紅外區（波長0.8-2.5 μm；波數12500-4000 cm-1）。但是振動、轉動模式無法隔離，通常都處於耦合狀態，紅外和拉曼的吸收峰通常都比較寬。對於複雜化合物，一般要通過多個峰形成的「指紋」來識別。
一個分子要吸收紅外光需要滿足兩個條件。第一，分子振-轉能級的能量差必須等於光子的能量，才能吸收光子而躍遷至激發態，從而產生紅外吸收峰。如果光子能量大於或者小於該能量差，光子和分子之間不會有相互作用。在譜圖上，表現為一種分子在某些頻率有吸收峰，而另外一些頻率沒有。分子吸收紅外光後，由基態振-轉能級躍遷至第一激發態時產生的峰叫做基頻；還會發生從基態躍遷至第二激發態、第三激發態……的倍頻峰以及基頻和任意倍頻的合頻、差頻峰，合稱爲泛頻。相對於基頻，泛頻比較弱。此外還存在同位素效應引起的峰。一方面，它們的存在進一步增加了紅外譜線的寬度以及解讀的難度。但是，同位素峰的模式又可以幫助我們容易識別某些分子。
以氯化氫爲例。由於35Cl（76%）和37Cl（24%）的存在，H-Cl的伸-縮振動基頻峰有兩個。H-35Cl 在2885.97 cm-1。37Cl因爲原子較重，其伸縮振動基頻稍微藍移，在2883.84 cm-1。除此之外該分子還有多種振-轉模式。因此氯化氫在2600-4000 cm-1之間有大量的吸收峰。這些基頻有對應的二倍頻峰、三倍頻峰等。有經驗的紅外分析師馬上會注意到這一點，推測待測物可能含有以共價鍵結合的氯。
第二，分子吸收紅外光子後，只有其激發的振-轉模式出現偶極矩變化時，才能出現紅外吸收峰。如果缺乏偶極矩變化，則不會出現吸收。這是因爲分子和紅外光子之間的互動并不是簡單的機械碰撞，而是通過偶極矩介導的。沒有偶極矩變化，分子便無法吸收紅外光子，即使第一個條件得到滿足。一個對稱分子的某些振動模式也是對稱的，不會引發偶極矩變化。比如乙烯分子的部分伸縮振動，兩個同類基團在雙鍵平面内等速沿共價鍵反方向移動，達到極限后再沿原徑跡回退。這個模式就沒有紅外活性。
紅外活性並不需要永久偶極子。一個分子偶極矩可以是永久的，也可以是誘發的。一般來説，擁有永久偶極矩的分子都是不對稱的。具有對稱中心的分子，若其振-轉模式是拉曼活性的，則紅外是非活性的。反過來，若某一模式是紅外活性的，則拉曼為非活性的。沒有對稱中心的分子，除少數例外和巧合之外，其拉曼和紅外光譜都應該是有活性的。例如常溫常壓下N2，紅外光譜中幾乎觀察不到譜帶，而拉曼光譜中可以看到譜帶。但在高壓下，氮分子相互碰撞時產生的暫時偶極矩足以在遠紅外區產生吸收。不對稱雙原子分子，比如一氧化碳（CO）不但紅外有活性，拉曼也有活性。
有機分子的紅外波譜
要研究分子的振動模式，我們需要一個坐標系。通常，坐標系的中心就是一個分子的質心。比如三氟化硼是平面正三角形分子，其質心是正三角形中心的硼原子。甲烷是正四面體分子，其質心是正四面體中心的碳原子。水分子是非線性分子。由於其中的氧原子比兩個氫原子重得多，其質心應當在氧原子附近。如果我們保持分子的質心不動，而分子中的每個原子都做簡諧振動。這個假設稱爲簡正振動。複雜振動可以看作是各種簡正振動的線性組合。事實上，真正的簡正振動是不存在的，所有的化學鍵都不是理想的諧振子，在某種程度上都有偏離簡正振動的行爲。比如，H-35Cl如果是理想諧振子，其伸-縮振動的基頻應該在2990 cm-1附近。觀察到的峰值在2886 cm-1，相差超過100 cm-1。
我們用XH2Y2來説明其中原子的簡正振動。Y代表X原子上的取代基，可以是任何原子。這是有機化合物中最常見的取代形式。它有兩種伸縮模式：對稱伸縮（νs）和反對稱伸縮（νas）；兩種振動模式：面内彎曲振動（δ）和面外彎曲振動（γ）。前者包括兩種類型：面内彎曲（或稱剪式振動，δs）和面內搖擺（ρ）；後者也有兩種形式：面外搖擺（ω）和面外扭曲（τ）。下面簡述常見有機基團的紅外吸收特徵峰。
X-H伸縮振動通常出現於4000-2500 cm-1波數區，X=O，N，C。醇、酚和有機酸的羥基O-H的紅外吸收在3650-3200 cm-1。胺和酰胺的N-H伸縮振動出現在3500~3100 cm-1。硫醇S-H的伸縮振動在2600-2400 cm-1。這些基團的質子易於解離，因此被稱爲活性氫。在通常狀況下，活性氫一直在不停的交換（自身交換以及和溶劑的活性氫交換）。這使得其紅外吸收的譜線進一步變寬。另外，活性氫可以形成氫鍵。分子間的氫鍵網絡可以使它們締合。網絡的大小取決於活性氫的濃度。因此，只有在樣品濃度低時才可能觀察到自由羥基、胺基和硫醇的紅外峰。以氫鍵締合的羥基、胺基和硫醇峰會向低波數方向移動。這也會使其譜線變寬。
C-H鍵在通常狀況下不會生成氫鍵。烴類C-H伸縮振動出現在3000~2800 cm-1。如甲基的C-H伸縮吸收出現在2900 cm-1附近。不飽和C-H的伸縮振動出現在3000 cm-1左右。比如苯環的C-H鍵伸縮振動出現在3030 cm-1，烯烴雙鍵C-H在3010~3040 cm-1。三鍵C-H的伸縮振動出現更高波數，約在3300 cm-1左右。這些峰都比較尖銳。
三鍵的伸縮振動主要出現在2500-1900 cm-1，包括炔烴、腈類、碳氧三鍵等。對稱炔烴的伸縮振動為非紅外活性。端基炔C-H的伸縮振動出現在2100-2140 cm-1附近。比如己炔三鍵的伸縮振動出現在2126 cm-1。不對稱炔烴的伸縮振動在2190-2260 cm-1左右。腈C≡N基的伸縮振動在2200-2300 cm-1區間：非共軛腈C≡N基在2240-2260 cm-1，共軛腈紅移到2200~2230 cm-1左右。纍積烯烴C=C=C、異氰酸N=C=O等也出現在這個波數範圍（2220-2280 cm-1）。
C=O和C=C雙鍵的伸縮振動出現在1900-1600 cm-1。酮、醛、羧酸、酯以及酸酐等化合物均可由此強峰鑒別。烯烴的C=C伸縮振動出現在1680~1620 cm-1。單環芳烴的C=C伸縮振動有兩個特徵峰，分別位於1600和1500cm-1左右。苯環的泛頻譜帶出現在2000~1650 cm-1。其强度較弱，但是它們的分佈可以幫助確定苯環的取代模式：單取代還是多取代，是鄰位、間位還是對位取代。
1800到400 cm-1波數有許多單鍵的伸縮振動，也有芳環的呼吸振動。比如單苯環的骨架振動在1650~1430 cm-1。C-O伸縮振動峰出現在1250~1000 cm-1，C-N 1650~1020 cm-1等等。
常見有機基團的紅外吸收範圍。（來源：wikicommons，CC-BY-NA 4.0）
常見紅外采樣法
現代紅外光譜儀基本全部是FT-IR 光譜儀。老式的色散型和光柵型紅外光譜儀基本已經式微。原因有多個。第一，FT-IR速度快，一般幾次掃描、數秒鐘就可以得到高質量的紅外譜圖。第二， FT-IR技術靈敏度高。這是因爲色散型和光柵型紅外光譜儀都需要把紅外光先進行分光。分光就意味著單色光的能量低於分光前的光束，且每個波長的光强度不同。能量低的入射光就意味著低靈敏度。第三，因爲其高靈敏度，FT-IR能提供三種技術中最優秀的解析度。第四，由於棱鏡和光柵的物理極限，它們只能在4000~200 cm-1的紅外區使用。而FT-IR把紅外光譜延伸到了近紅外和遠紅外區。這大大擴展了紅外光譜的適用領域。其應用包括金屬有機化合物以及氣體分子的分析和鑒定。
FT-IR一般采用透射或者反射模式來采樣。在透射模式下，液體樣品需要附著在鹽鏡或者紅外專用薄膜上。衰減全反射（ATR）是一種流行的反射採樣方法。它利用全內反射產生穿透樣品的倏逝波，很多時候無需樣品製備即可直接獲得紅外譜圖。在 ATR 取樣中，紅外光穿過晶體，在晶體和樣品的界面至少發生一次全內反射。在內反射期間，一部分紅外光進入樣品並被吸收。這稱為倏逝波。倏逝波進入樣品的穿透深度由樣品和ATR晶體之間的折射率差決定。應對不同的樣品和不同的光程要求，ATR晶體有多種材料選擇：鑽石、硅、硒化鋅、鍺等等。
ATR-FTIR 光譜的穿透深度通常為幾個微米。這使得ATR特別適合表面分析。任何固態和液態樣品，只要和ATR晶體在化學上相容，可以直接和晶體接觸而產生紅外譜。與透射採樣相比，測量路徑長度與樣品的厚度無關。因爲這一點，如果使用ATR-FTIR做定量分析需要謹慎：表層組分必須具有代表性，否則分析結果。
題圖：一台現代ATR-FTIR紅外光譜儀。。（來源：wikicommons，CC-BY-NA 4.0）
