Nguyên tắc: Nhƣ chúng ta đã biết, năng lƣợng gắn với các chuyển động tuần hoàn mà các phân tử (quay) hoặc các nguyên tử trung liên kết (dao động) chỉ nhận năng lƣợng gián đoạn đặc trƣng cho trạng thái khác nhau của chúng.
Các bƣớc chuyển mức năng lƣợng dao động trong phân tử thƣờng khá nhỏ, tƣơng đƣơng với mức năng lƣợng bức xạ hồng ngoại trong thang bức xạ điện từ. Phƣơng pháp phổ IR dựa trên sự tƣơng tác của các bức xạ điện từ miền hồng ngoại (400-4000 cm-1) với các phân tử cần nghiên cứu. Quá trình tƣơng tác đó có thể dẫn đến sự hấp thụ năng lƣợng, có liên quan chặt chẽ đến cấu trúc của các phân tử.
Phân tích phổ hồng ngoại ta xác định đƣợc vị trí (tần số) của vân phổ và cƣờng độ, hình dạng của vân phổ. Phổ hồng ngoại thƣờng ghi dƣới dạng đƣờng cong, sự phụ thuộc của phần trăm truyền qua (100I/Io) vào số sóng (ν=λ-1). Sự hấp thụ của các nhóm nguyên tử đƣợc thể hiện bởi những vân phổ ứng với các đỉnh phổ ở các số sóng xác định mà ta vẫn quen gọi là tần số.
Nếu đặt một điện từ trƣờng có tần số ν thì phân tử đang ở trạng thái E có thể chuyển lên trạng thái kích thích E*, nếu điều kiện cộng hƣởng Borh thỏa mãn:
E = E* - E = hν (7)
Trong đó:
E: là năng lƣợng ở trạng thái cơ bản
E*: là năng lƣợng ở trạng thái kích thích (E* >E)
E: là hiệu năng lƣợng h: là hằng số Flanck ν: là tần số
Phân tử sẽ hấp thụ một bức xạ có tần số ν khi nó kích thích từ EE*.Ngƣợc lại, khi chuyển từ E*E nguyên tử sẽ phát ra bức xạ ν.
Cho nguồn bức xạ hồng ngoại có tần số thay đổi, chúng ta sẽ phát hiện ra các dao động cộng hƣởng ứng với các liên kết trong phân tử.
Ngƣời ta chứng minh rằng chỉ có hai loại dao động của phân tử thể hiện trên phổ IR đó là dao động hóa trị và dao động biến dạng. Với dao động hóa trị chỉ thay đổi độ dài liên kết mà không thay đổi góc liên kết. Còn với dao động biến dạng chỉ thay đổi góc liên kết mà không thay đổi độ dài liên kết.
Dựa trên phổ hồng ngoại để phân tích hoặc định lƣợng cấu trúc vật liệu. Để phân tích định tính, phổ của mẫu đo đƣợc so sánh với mẫu chuẩn. Để phân tích định lƣợng, ngƣời ta dựa vào định luật hấp thụ ánh sáng Bouguer- Lambert-Beer. Phƣơng trình cơ bản của sự hấp thụ bức xạ điện từ là phƣơng trình Lambert-Beer:
A = lgII0 = εlC (8)
Trong đó:
A: là mật độ quang
Io,I: là cƣờng độ ánh sáng trƣớc và sau khi ra khỏi chất phân tích ε: là hệ số hấp thụ phân tử
l: là bề dày cuvet (cm)
C: là nồng độ chất phân tích (mol/l)
Đƣờng cong biểu diễn sự phụ thuộc của mật độ quang vào chiều dài bƣớc sóng kích thích gọi là phổ hấp thụ hồng ngoại. Mỗi cực đại trong phổ IR đặc trƣng cho một dao động của một liên kết trong phân tử. Do có độ nhạy cao nên phƣơng pháp IR đƣợc ứng dụng nhiều trong phân tích cấu trúc phân tử, phát hiện nhóm –OH bề mặt, phân biệt các axit Bronsted và Lewis, xác định pha tinh thể…Và dựa vào tần số cƣờng độ để xác định sự tồn tại của các nhóm liên kết cạnh tranh trong phân tử.