说明：本文华算科技主要介绍红外光谱里 O-H、N-H、C-H 三类含氢键伸缩振动的识别方法，包括它们集中在高波数区的振动来源、C-H 在脂肪链和不饱和碳上的位置差别、O-H 峰位和峰宽随氢键环境的变化、N-H 峰数目对胺和酰胺的区分，以及三类峰与水、杂质谱带重叠时的分辨方式。
O-H等伸缩峰为什么都集中在高波数区？
红外光谱的横轴是波数，单位 cm-1。一根化学键的伸缩振动可以近似成两个原子用弹簧相连的谐振子，振动波数由键力常数 k 和两端原子的折合质量 μ决定，正比于 √(k/μ)。
O-H、N-H、C-H 都把一个很轻的氢原子接在较重的氧、氮、碳上，折合质量 μ 接近 1，这些共价键的力常数又偏大，伸缩振动因此集中在 3700–2800 cm-1。指纹区在 1500 cm-1 以下，来自 C-O、C-N、C-C 骨架和弯曲振动，参与振动的原子更重，波数更低。
一个振动能否在红外谱上出现，取决于振动时偶极矩是否改变。O-H、N-H 两端电负性差异大，伸缩时偶极矩变化大，吸收强；C-H 的偶极变化小一些，吸收中等；对称的同核键（N≡N、O=O）伸缩时偶极不变，红外没有信号。这三类含氢键的伸缩吸收强度大致按 C-H、N-H、O-H 递增。
键越强、氢一端越轻，伸缩峰越靠高波数。同是 C-H，三键 ≡C-H 在约 3300 cm-1，双键 =C-H 在 3000–3100 cm-1，饱和单键 C-H 在 3000 cm-1 以下。
3000 cm-1 是一条常用分界：高于它的 C-H 多来自不饱和碳或芳环，低于它的来自饱和烷基。O-H、N-H 因为氧、氮电负性更高、键力常数更大，比 C-H 更靠高波数，游离状态能到3600 cm-1 以上。
含碳材料的红外谱在高波数区和指纹区各有分工。生物炭在 3400 cm-1 附近有羟基和吸附水的 O-H 宽包，2921 与 2852 cm-1 是脂肪 CH2 的反对称和对称伸缩，1600 cm-1 附近是芳环 C=C 和 C=O，1000 cm-1 左右是 C-O 骨架。
热解温度升到 700 ℃，2921/2852 cm-1 的脂肪 C-H 大幅减弱，对应脂肪链断裂、芳构化加深。峰强跟着这种键的数量走。
同一种键的峰位分布在一段范围内。氢键强弱、相态、浓度和邻近基团都会让 O-H、N-H、C-H 在几十到上百波数内移动，所以每个含氢官能团对应一段特征区间，波数随环境上下浮动。这也是同一个羟基在干样和湿样里位置不同的原因。
怎么分辨各类 C-H 伸缩峰？
饱和 C-H 的伸缩集中在 3000–2840 cm-1。CH2 的反对称伸缩在 2915–2925 cm-1，对称伸缩在 2845–2855 cm-1；CH3 的反对称约 2960 cm-1，对称约 2870 cm-1。
长链亚甲基越多，2920/2850 cm-1 这对峰越强越尖，CH3/CH2 峰强比随支化程度改变。饱和 C-H 全部处在 3000 cm-1 以下，高于这条线的属于不饱和碳。
沥青、蜡和高分子改性剂在 2850–2960 cm-1 都以脂肪 CH2、CH3 伸缩为主峰。这类样品几乎不含芳环 C-H，高于 3000 cm-1 基本没有吸收，谱图只见 2920 和 2850 cm-1 一对强峰。石蜡、EVA、SBS 之间的差别更多在峰形和肩峰，而不在峰位。
3000 cm-1 以上是不饱和碳的 C-H。芳环和烯烃的 =C-H 伸缩在 3000–3100 cm-1，强度通常弱于脂肪 C-H；末端炔烃 ≡C-H 在约 3300 cm-1，峰形尖锐，与 N-H、O-H 重叠时，要靠它的窄峰形和 2100 cm-1 附近的 C≡C 一起认。
烯烃和芳环还会在 1600 cm-1 附近给出 C=C，指纹区 900–650 cm-1 的面外弯曲进一步区分取代类型。
C-H 伸缩几乎出现在所有有机物里，是判断样品含不含有机成分的直接信号。无机氧化物、盐类在 3000 cm-1 以下没有 C-H，一旦这里出现 2920/2850 cm-1 的峰，说明含脂肪链或有机修饰。
指纹区 1465 cm-1 的 CH2 剪切和 720 cm-1 的长链摇摆能给出亚甲基链的长度。四个以上 CH2 相连，720 cm-1 的摇摆峰才会出现。
O-H 峰的位置和宽度由什么决定？
O-H 伸缩的位置和宽度主要由氢键决定。完全不参与氢键的游离 O-H 峰位高、峰形尖，出现在 3600–3650 cm-1。一旦形成氢键，O-H 键被削弱、力常数下降，峰位向低波数移动、峰形变宽。缔合越强，红移越多、峰越宽，羧酸的 O-H 因此能展宽上千波数。
高岭石这类层状硅酸盐的结构羟基排列有序，几乎不受液态水氢键干扰，在 3620–3695 cm-1 给出几条尖锐吸收：3620 cm-1 来自内羟基，3650–3695 cm-1 来自内表面羟基。这种尖锐多重峰是有序结构羟基的标志，也用来衡量高岭石的结晶有序度。
含水样品的高波数区完全不同。吸附水和相互缔合的 O-H 形成一个以 3400 cm-1 为中心、跨度上千波数的宽包，随含水量下降整体收缩，而结构羟基的尖峰位置基本不动。宽包强度随水分变化、尖峰不随水分变化，两者叠在同一区间。羧酸更极端：二聚体氢键把 O-H 展宽到 2500–3300 cm-1，直接盖住 C-H。
羟基的具体归属和化学环境有关。醇和酚的游离 O-H 在 3600 cm-1 附近，缔合后移到 3200–3400 cm-1 的宽包；羧酸的二聚体氢键最强，O-H 展宽成 2500–3300 cm-1 的连续吸收，并在 2600 和 2500 cm-1 附近带出小肩峰。
分子内氢键的 O-H 不随浓度变化，分子间氢键的 O-H 随稀释向高波数收回、峰变尖，醇羟基还会和 1050 cm-1 的 C-O 一起出现。
如何区分胺与酰胺 N-H 峰？
N-H 伸缩在 3150–3500 cm-1，位置与 O-H 有重叠，而峰的数目和形状能把胺、酰胺分开。伯胺 -NH2 有两条峰，反对称伸缩约 3350–3400 cm-1，对称伸缩约 3170–3300 cm-1；仲胺 -NH- 只有一条；叔胺没有 N-H，这一区没有峰。
三聚氰胺和它的缩聚产物蜜勒胺带有多个氨基和环上 N-H，在 3100–3500 cm-1 给出成组的 N-H 伸缩，1200–1650 cm-1 是三嗪环骨架的强吸收。N-H 比 O-H 略弱、峰形也更窄，在没有大量羟基干扰时，凭这一组峰就能认出含氮结构。
酰胺要靠邻近谱带一起认。酰胺 N-H 在 3200–3300 cm-1，同时 1630–1690 cm-1 出现酰胺 I 带（C=O 伸缩）、1510–1560 cm-1 出现酰胺 II 带（N-H 弯曲）。高波数看 N-H、指纹区看酰胺 I 和 II，两处对上才能把酰胺和普通胺分开。缔合的 N-H 也会像 O-H 一样变宽、向低波数移。
带电的氮氢基团另有特征。铵盐 -NH3+ 和氨基酸在 2800–3200 cm-1 给出宽吸收，比中性 N-H 更低更宽，还伴随 2100 cm-1 附近的组合带。胺成盐后，这段宽吸收和 1600、1500 cm-1 附近的 NH3+ 弯曲一起出现。据此可以把成盐的胺和游离胺分开。
O-H、N-H、C-H 重叠和水、杂质谱带怎样分辨？
高波数区最常见的重叠是O-H 和 N-H 叠在一起。含羟基又含氨基的样品，两者的宽伸缩合成一个 3200–3500 cm-1 的大包，只看这一个包容易把氨基漏掉。此时看指纹区：有酰胺 I、II 带或 1580 cm-1 的 N-H 弯曲，才能确认氮的存在，羟基则对应 1000–1100 cm-1 的 C-O。
水是最容易带来干扰的信号。吸附水在 3400 cm-1 和 1630 cm-1 都有吸收，前者抬高整个 O-H/N-H 区的基线，后者与酰胺 I、C=C 重叠。KBr 压片容易吸潮、ATR 受表面水影响，两种模式都会引入水峰。测试前干燥样品、扣除背景，高波数区的特征峰才显得出来。
羧酸是三类峰重叠的典型。油酸的谱图里，2915 和 2853 cm-1 的尖锐 C-H 峰叠在羧基 O-H 的宽背景上，1701 cm-1 的 C=O 强峰确认羧基。尖窄的 C-H 叠在宽矮的 O-H 之上，是羧酸最好认的组合。把油酸接到 TiO2 表面后，2915/2853 cm-1 的 C-H 出现在原本没有有机信号的氧化物上，成为表面接枝的直接标志。
还有两类信号容易被当成官能团吸收峰。强 C=O 或 C=C 的倍频和组合带会在 3400–3600 cm-1 出现弱峰，强度只有基频的百分之几，位置约在对应基频波数的两倍处；醛基 2820 和 2720 cm-1 的双峰来自 C-H 伸缩与弯曲倍频的费米共振，两条峰对应同一个 C-H。这两类弱峰的强度都远低于 O-H、N-H、C-H 的基频吸收。
