（中職）儀器分析項目模塊3：紅外吸收光譜法簡介電子課件

（中職）儀器分析項目模塊3：紅外吸收光譜法簡介電子課件項目模塊3：紅外吸收光譜法簡介專題項目1：紅外吸收光譜法基本原理

一、紅外光譜分析法概述

紅外吸收光譜是物質(zhì)的分子吸收了紅外輻射后，引起分子的振動-轉(zhuǎn)動能級的躍遷而形成的光譜，因為出現(xiàn)在紅外區(qū)，所以稱之為紅外光譜。

1、紅外光譜法概述

紅外是分子振動光譜。通過譜圖解析可以獲取分子結(jié)構(gòu)的信息。尤其是有機化合物的紅外光譜能提供豐富的結(jié)構(gòu)信息，因此紅外光譜是有機化合物結(jié)構(gòu)解析的重要手段之一。

2、紅外光譜法的特點：

（1）優(yōu)點：

①氣態(tài)、液態(tài)和固態(tài)樣品均可進行紅外

光譜測定；

②每種化合物均有紅外吸收，并顯示了豐富的結(jié)構(gòu)信息；

③常規(guī)紅外光譜儀價格低廉，易于購置；

④樣品用量少；

⑤針對特殊樣品的測試要求，發(fā)展了多種測量新技術(shù)，如：光聲光譜（PAS）、衰減反射光譜（ATR），漫反射，紅外顯微鏡等。

（2）局限性：

①不能產(chǎn)生紅外吸收的物質(zhì)無法測定；

②旋光異構(gòu)體以及不同分子量的同一高聚物無法鑒別；

③譜圖上不是所有的峰都能作出理論解釋。

3、紅外光譜區(qū)域及其應用

紅外光譜屬于振動光譜，其光譜區(qū)域可進一步細分如下表所示。

紅外光譜最重要的應用是中紅外區(qū)有機化合物的結(jié)構(gòu)鑒定。通過與標準譜圖比較，可以確定化合物的結(jié)構(gòu)；對于未知樣品，通過官能團、順反異構(gòu)、取代基位置、氫鍵結(jié)合以及絡合物的形成等結(jié)構(gòu)信息可以推測結(jié)構(gòu)。

樣品的紅外吸收曲線稱為紅外吸收光譜，多用百分透射比與波數(shù)或百分透射比與波長曲線來描述。橫坐標為波數(shù)或波長，縱坐標為透光率或吸光度。所有的標準紅外光譜圖中都標有波數(shù)和波長兩種刻度。

二、紅外光譜的產(chǎn)生條件及紅外光吸收峰的類型

1、紅外光譜的產(chǎn)生條件

（1）分子吸收的紅外輻射能量與分子振動躍遷的能級一致時；

（2）只有引起分子偶極矩發(fā)生瞬間變化的振動即紅外活性振動，產(chǎn)生紅外吸收光譜。

2、常用的紅外光譜術(shù)語

（1）頻峰：由基態(tài)躍遷到第一激發(fā)態(tài)，產(chǎn)生的強吸收峰，稱為基頻峰(強度大)；

（2）倍頻峰：由基態(tài)直接躍遷到第二、第三等激發(fā)態(tài)，產(chǎn)生弱的吸收峰，稱為倍頻峰；

（3）合頻峰：兩個基頻峰頻率相加的峰；

（4）費米共振:某一個振動的基頻與另外一個振動的倍頻或合頻接近時,由于相互作用而在該基頻峰附近出現(xiàn)兩個吸收帶,這叫做費米共振。（5）振動偶合:兩個化學鍵的振動頻率相等或接近時,常使這兩個化學鍵的基頻吸收峰裂分為兩個頻率相差較大的吸收峰,這種現(xiàn)象叫做振動偶合。專題項目2：紅外吸收光譜儀

紅外吸收光譜儀主要有兩大類，即色散型紅外吸收光譜儀和干涉型傅里葉變換紅外吸收光譜儀。一、紅外光譜儀的組成1、光源

（1）能斯特燈

能斯特燈的材料是稀土氧化物，作成圓筒狀(20x2mm)，兩端為鉑引線。其工作溫度為1200～2200K。此種光源具有很大的電阻負溫度系數(shù)，需要預先加熱并設計電源電路能控制電流強度，以免燈過熱損壞。

（2）碳化硅棒

尺寸為50×5mm,工作溫度1300～1500K。與能斯特燈相反,碳化硅棒具有正的電阻溫度系數(shù),電觸點需水冷以防放電。其輻射能量與能斯特燈接近,但在>2000cm-1區(qū)域能量輸出遠大于能斯特燈。

（3）白熾線圈

用鎳鉻絲螺旋線圈或銠線做成。工作溫度約1100K。其輻射能量略低于前兩種，但壽命長。

一般近紅外區(qū)的光源用鎢燈即可，遠紅外區(qū)用水銀放電燈作光源2、檢測器

紅外檢測器有熱檢測器、熱電檢測器和光電導檢測器三種。前兩種用于色散型儀器中，后兩種在傅立葉變換紅外光譜儀中多見。（1）熱檢測器

熱檢測器依據(jù)的是輻射的熱效應。輻射被一小的黑體吸收后，黑體溫度升高，測量升高的溫度可檢測紅外吸收。（2）熱電檢測器熱電檢測器的響應速率很快，可以跟蹤干涉儀隨時間的變化，故多用于傅立葉變換紅外光譜儀中。（3）光電導檢測器該檢測器用于中紅外區(qū)及遠紅外區(qū)，這種檢測器比熱電檢測器靈敏，在FT-IR及GC/FT-IR儀器中獲得廣泛應用。二、色散型紅外光譜儀色散型紅外光譜儀，又稱經(jīng)典紅外光譜儀。色散型儀器在紅外光譜儀出現(xiàn)后的很長一段時間內(nèi)一直使用。該類儀器價格較低，掃描速度慢，分辨率低。色散型紅外光譜儀的原理示意圖色散型紅外光譜儀的光路圖色散型紅外光譜儀的特點：（1）為雙光束儀器，可以消除它們的影響；（2）單色器在樣品室之后，可以消除大部分散射光而不至于到達檢測器。（3）切光器轉(zhuǎn)動頻率低，響應速率慢，以消除檢測器周圍物體的紅外輻射。三、傅立葉變換紅外光譜儀目前幾乎所有的紅外光譜儀都是傅立葉變換型的。色散型儀器的主要不足是掃描速度慢，靈敏度低，分辨率低。因此色散型儀器自身局限性很大。1、傅立葉變換紅外光譜儀的構(gòu)成

光源發(fā)出的光被分束器分為兩束，一束經(jīng)反射到達動鏡，另一束經(jīng)透射到達定鏡。兩束光分別經(jīng)定鏡和動鏡反射再回到分束器。動鏡以一恒定速度作直線運動,因而經(jīng)分束器分束后的兩束光形成光程差，產(chǎn)生干涉。干涉光在分束器會合后通過樣品池，然后被檢測。四、紅外光譜測定中的樣品處理技術(shù)1、液體樣品（1）液膜法液體樣品常用液膜法。該法適用于不易揮發(fā)的液體或粘稠溶液。使用兩塊KBr或NaCl鹽片，將液體滴1～2滴到鹽片上，用另一塊鹽片將其夾住，用螺絲固定后放入樣品室測量。（2）溶液法溶液法適用于揮發(fā)性液體樣品的測定。使用固定液池，將樣品溶于適當溶劑中配成一定濃度的溶液(一般以10%左右為宜)，用注射器注入液池中進行測定。（3）水溶液的簡易測定法由于鹽片窗口怕水，因此一般水溶液不能測定紅外光譜。利用聚乙烯薄膜是水溶液紅外光譜測定的一種簡易方法。2、固體樣品（1）壓片法固體樣品常用壓片法，它也是固體樣品紅外測定的標準方法。將固體樣品0.5～1.0mg與150mg左右的KBr一起粉碎，用壓片機壓成薄片。薄片應透明均勻。（2）調(diào)糊法固體樣品還可用調(diào)糊法(或重烴油法，Nujol法)。將固體樣品(5～10mg)放入研缽中充分研細，滴1～2滴重烴油調(diào)成糊狀，涂在鹽片上用組合窗板組裝后測定。（3）薄膜法適用于高分子化合物的測定。將樣品溶于揮發(fā)性溶劑后倒在潔凈的玻璃板上，在減壓干燥器中使溶劑揮發(fā)后形成薄膜，固定后進行測定。3、氣體樣品氣體樣品的測定可使用窗板間隔為2.5～10cm的大容量氣體池。抽真空后，向池內(nèi)導入待測氣體。測定氣體中的少量組分時使用池中的反射鏡，其作用是將光路長增加到數(shù)十米。五、儀器的使用方法與日常維護1、使用方法：操作程序（傅立葉變換紅外光譜儀）：（1）接通電源，預熱，設置掃描參數(shù)；（2）待儀器穩(wěn)定后，掃描背景譜圖；（3）在樣品室放上待測樣品，掃描樣品譜圖；（4）對譜圖進行優(yōu)化處理；（5）打印樣品分析譜圖；（6）關(guān)閉電源，清理實驗臺，填寫儀器使用記錄。2、日常維護（1）紅外光譜實驗室要求溫度適中，濕度不得超過60％，為此，要求實驗室應裝配空調(diào)和除濕機；（2）儀器應放在防震的臺子上或安裝在震動甚少的環(huán)境中；（3）儀器使用的電源要遠離火花發(fā)射源和大功率磁電設備，采用穩(wěn)壓電源，并應設置良好的接地線；（4）儀器在使用過程中，對光學鏡面必須嚴格防塵，防腐蝕，并且要特別防止機械磨擦。（5）光源使用溫度要適宜，不得過高，否則將縮短其壽命；（6）各運動部件要定期用潤滑油潤滑，以保持運轉(zhuǎn)輕快；（7）儀器長期不用，再用時要對其性能進行全面檢查。專題項目3：紅外吸收光譜法的應用一、紅外光譜與分子結(jié)構(gòu)的關(guān)系紅外光譜源于分子振動產(chǎn)生的吸收，其吸收頻率對應于分子的振動頻率。大量實驗結(jié)果表明，一定的官能團總是對應于一定的特征吸收頻率，這對于利用紅外譜圖進行分子結(jié)構(gòu)鑒定具有重要意義。含氫官能團(折合質(zhì)量小)、含雙鍵或叁鍵的官能團(鍵力常數(shù)大)在官能團區(qū)有吸收。如果待測化合物在某些官能團應該出峰的位置無吸收，則說明該化合物不含有這些官能團。不含氫的單鍵(折合質(zhì)量大)、各鍵的彎曲振動(鍵力常數(shù)小)出現(xiàn)在1300cm-1以下的低波數(shù)區(qū)。該區(qū)域的吸收特點是振動頻率相差不大，振動的耦合作用較強，因此易受鄰近基團的影響。同時吸收峰數(shù)目較多，代表了有機分子的具體特征。大部分吸收峰都不能找到歸屬，猶如人的指紋。因此，指紋區(qū)的譜圖解析不易，但與標準譜圖對照可以進行最終確認。指紋區(qū)還包含了分子的骨架振動。二、紅外光譜的應用紅外光譜主要用于有機化合物的結(jié)構(gòu)鑒定。如果從樣品的出處可以大致推測結(jié)構(gòu)，則確認特定原子團或原子團間的結(jié)合就比較容易。通過測定已知物與待測樣品的紅外光譜進行比較，兩者應一致。1、紅外譜圖解析

（1）紅外光譜解析的三要素

在解析紅外光譜時，要同時注意吸收峰的位置、強度和峰形。（2）同一基團的幾種振動相關(guān)峰應同時存在。任一官能團由于存在伸縮振動和多種彎曲振動，因此，會在紅外譜圖的不同區(qū)域顯示出幾個相關(guān)吸收峰。（3）譜圖解析順序①根據(jù)質(zhì)譜、元素分析結(jié)果得到分子式。②可以先觀察官能團區(qū)，找出存在的官能團，再看指紋區(qū)。③根據(jù)官能團及化學合理性，拼湊可能的結(jié)構(gòu)。④進一步的