紅外光譜法（儀器分析課件）

紅外光譜法紅外光譜法基本原理01紅外光譜法基本原理-1·基本原理目標(biāo)掌握原子吸收分光譜法特點(diǎn)01掌握原子吸收分光譜法基本原理02相關(guān)標(biāo)題文字一、概述

（一）紅外光譜（分子振動轉(zhuǎn)動光譜）

1.定義：當(dāng)樣品受到頻率連續(xù)變化的紅外光照射時，分子吸收了某些頻率的輻射，并由其振動或轉(zhuǎn)動運(yùn)動引起偶極矩的凈變化，產(chǎn)生分子振動和轉(zhuǎn)動能級從基態(tài)到激發(fā)態(tài)的躍遷，使相應(yīng)于這些吸收區(qū)域的透射光強(qiáng)度減弱。

吸收紅外光分子-------------→

分子振動或轉(zhuǎn)動能級躍遷（?

0）→IR吸收光譜紅外光譜法原理1234原理原理原理一、概述定義：（1）紅外光譜：是分子的振動與轉(zhuǎn)動能級躍遷吸收光譜出現(xiàn)在紅外光區(qū)，稱為紅外光譜。又稱為紅外吸收光譜。(2)紅外光譜法：就是基于物質(zhì)分子的紅外吸收光譜進(jìn)行定性定量分析的光譜分析方法。一、概述2.分類按照紅外光區(qū)的波長范圍（0.75——1000μm），將其分為：近紅外(0.75—2.5μm)、中紅外(2.5—50μm）、遠(yuǎn)紅外（50—1000μm）紅外光譜法是物質(zhì)特別是有機(jī)化合物結(jié)構(gòu)研究的重要手段之一。紅外光區(qū)的劃分區(qū)域名稱波長(μm)波數(shù)(cm-1)能級躍遷類型近紅外區(qū)（泛頻區(qū)）0.78-2.512800-4000OH、NH、CH鍵的倍頻吸收中紅外區(qū)（基本振動區(qū)）2.5-504000-200分子振動/伴隨轉(zhuǎn)動遠(yuǎn)紅外區(qū)（分子轉(zhuǎn)動區(qū)）50-1000400-10分子轉(zhuǎn)動二、基本原理

（一）分子吸收紅外的條件1.照射紅外光子具有的能量與分子振動能級躍遷所需的能量相當(dāng)；物質(zhì)的分子對紅外光的吸收是通過共振的方式完成的。2.光子與分子之間發(fā)生偶合作用。并不是所有的分子都有吸收紅外光，只有在振動過程中伴隨有凈的偶極距變化的分子才能吸收紅外光，稱其具有紅外活性，相應(yīng)的振動稱為紅外活性振動。以雙原子分子的純振動光譜為例

對稱分子：沒有偶極矩，輻射不能引起共振，無紅外活性。如：N2、O2、Cl2

等。非對稱分子：有偶極矩，紅外活性。偶極子在交變電場中的作用示意圖

2.振動過程中必須是能引起分子偶極矩變化的分子才能產(chǎn)生紅外吸收光譜。2.輻射與物質(zhì)之間必須有耦合作用磁場電場交變磁場

分子固有振動

a偶極矩變化（能級躍遷）耦合不耦合紅外吸收無偶極矩變化無紅外吸收分子振動方程式分子的振動能級（量子化）：

E振=（V+1/2）h

：

化學(xué)鍵的振動頻率；V：振動量子數(shù)。

（

=0，1，2，

）1.雙原子分子的振動簡諧振動及其頻率，化學(xué)鍵的振動類似于連接兩個小球的彈簧（二）分子的基本振動形式2、多原子分子的振動（1）簡正振動：分子質(zhì)心保持不變，整體不轉(zhuǎn)動，每個原子都在其平衡位置附近做簡諧振動，其振動頻率和相位都相同，即每個原子都在同一瞬間通過其平衡位置，而且同時達(dá)到其最大位移值。分子中任何一個復(fù)雜振動都可以看成這些簡正振動的線性組合2.多原子分子的振動（1）簡正振動的基本形式

對稱伸縮振動(vs)

①

伸縮振動

不對稱伸縮振動(vas)

剪式（δ）

面內(nèi)變形振動

②變形振動平面搖擺振動（ρ）（彎曲振動）面外搖擺振動（ω）面外變形振動面外扭曲振動（τ）簡正振動基本形式伸縮振動：原子沿鍵軸方向伸縮，鍵長變化但鍵角不變的振動。變形振動：基團(tuán)鍵角發(fā)生周期性變化，但鍵長不變的振動。又稱彎曲振動或變角振動。下圖給出了各種可能的振動形式（以甲基和亞甲基為例）。

理論上，多原子分子的振動數(shù)應(yīng)與譜峰數(shù)相同，但實(shí)際上，譜峰數(shù)常常少于理論計(jì)算出的振動數(shù)，這是因?yàn)椋篴）偶極矩的變化=0的振動，不產(chǎn)生紅外吸收,如CO2；b）譜線簡并（振動形式不同，但其頻率相同）；c）儀器分辨率或靈敏度不夠，有些譜峰觀察不到。以上介紹了基本振動所產(chǎn)生的譜峰，即基頻峰（V=±1允許躍遷）。在紅外光譜中還可觀察到其它峰躍遷禁阻峰：

紅外光譜法紅外光譜儀結(jié)構(gòu)及功能02項(xiàng)目二紅外光譜儀結(jié)構(gòu)及功能-1·紅外光譜儀的結(jié)構(gòu)紅外光譜儀的各部組件的作用目標(biāo)掌握紅外光譜儀結(jié)構(gòu)組成01掌握各部分組件的功能02相關(guān)標(biāo)題文字紅外光譜儀紅外吸收光譜模塊之1進(jìn)一步鞏固紅外光譜法原理2掌握紅外光譜儀的組成3掌握紅外光譜儀的個部件的作用能力目標(biāo)

紅外光譜儀的結(jié)構(gòu)及功能

紅外光譜儀一、紅外光譜儀的類型

色散型紅外光譜儀紅外光譜儀傅立葉(Fourier)變換紅外光譜儀一）色散型紅外光譜儀光源→樣品池→單色器→檢測器→記錄系統(tǒng)色散型紅外光譜儀又稱紅外分光光度計(jì)，也有單光束、雙波長、雙光束型。（一）光源1.Nernst燈

Nernst燈特點(diǎn)：（1）高溫下導(dǎo)電，室溫下非導(dǎo)體，使用前需預(yù)熱（2）發(fā)光強(qiáng)度高，尤其在>1000cm-1高波數(shù)區(qū)（3）使用壽命長（4）穩(wěn)定性好（5）價格貴，機(jī)械強(qiáng)度差2.硅碳棒

特點(diǎn)：（1）低波數(shù)區(qū)域發(fā)光較強(qiáng)，使用波數(shù)范圍寬，低至200cm-1（2）堅(jiān)固（3）發(fā)光面積大（4）壽命長（5）不需預(yù)熱，價格便宜（二）吸收池（金屬鹵化物）

NaCl、KBr、CsI、KRS-5（TlI58%，TlBr42%）材料制成窗片（玻璃、石英等材料不能透過紅外光）（三）單色器組成：色散元件、準(zhǔn)直鏡、狹縫（四）檢測器

高真空熱電偶、熱釋電檢測器、碲鎘汞檢測器

二、Fourier變換紅外光譜儀（FTIR）干涉儀光源樣品室檢測器顯示器繪圖儀計(jì)算機(jī)干涉圖光譜圖FTS（一）

傅立葉變換紅外光譜儀的特點(diǎn)

特點(diǎn)：

(1)掃描速度極快(1s)；適合儀器聯(lián)用；(2)不需要分光，信號強(qiáng)，靈敏度很高；

(3)儀器小巧。（二）儀器原理光源發(fā)出的輻射經(jīng)干涉儀轉(zhuǎn)變?yōu)楦缮婀?，通過試樣后，包含的光信息需要經(jīng)過數(shù)學(xué)上的傅立葉變換解析成普通的譜圖

光信號→干涉儀→干涉光→計(jì)算機(jī)→Fourier變換→將干涉圖還原為紅外光譜圖組成：光源（硅碳棒、高壓汞燈）、Michelson干涉儀、檢測器、計(jì)算機(jī)和記錄儀等。

其核心部分為Michelson干涉儀，它將光源來的信號以干涉圖的形式送往計(jì)算機(jī)進(jìn)行Fourier變換的數(shù)學(xué)處理，最后將干涉圖還原成光譜圖（三）組成紅外光譜法紅外光譜法應(yīng)用03紅外光譜法應(yīng)用-1·樣品的制備目標(biāo)掌握紅外光譜法樣品制備方法01掌握紅外光譜法樣品制備技能02相關(guān)標(biāo)題文字一、試樣的處理和制備（一）紅外光譜法對試樣的要求

試樣可為氣、液、固，應(yīng)滿足以下要求：1.單一組分的純物質(zhì)，純度應(yīng)>98%或符合商業(yè)規(guī)格，這樣才便于與純化合物的標(biāo)準(zhǔn)光譜進(jìn)行對照提純多組分：分餾、萃取、重結(jié)晶、區(qū)域熔融（GC-FTIR除外）2.試樣中不應(yīng)含有游離水

H2O有紅外吸收干擾樣品測定，侵蝕吸收池的鹽窗3.試樣的濃度和測試厚度應(yīng)選擇適當(dāng)T:10-80%二、制樣方法（一）液體和溶液試樣常用方法：

1.液體池法：沸點(diǎn)低、揮發(fā)性大試樣（注入封閉液體池中，液層厚度0.01-1mm）

2.液膜法:

沸點(diǎn)較高的試樣（直接滴在兩塊鹽片之間形成液膜）

CS2:1350-600cm-1

低頻常用溶劑

CCl4:4000-1350cm-1

高頻（二）固體試樣

1.壓片法：試樣與KBr研細(xì)混勻，在壓片機(jī)上壓成透明薄片

壓片機(jī)及壓膜結(jié)構(gòu)紅外光譜法應(yīng)用-11234原理原理原理

2.石蠟糊法：將干燥處理后的試樣研細(xì)，與液體石蠟混合，調(diào)成糊狀，夾在鹽片中測定

3.薄膜法：樣品直接加熱熔融后涂制或壓制成膜（二）固體試樣二、制樣的方法(三).氣體樣品氣態(tài)樣品可在玻璃氣槽內(nèi)進(jìn)行測定，它的兩端粘有紅外透光的NaCl或KBr窗片。先將氣槽抽真空，再將試樣注入。紅外光譜法紅外光譜法應(yīng)用03紅外光譜法應(yīng)用-2·定性及定量目標(biāo)掌握紅外光譜圖的定性解析01掌握紅外光譜圖的定量分析方法02相關(guān)標(biāo)題文字解析紅外光譜，要同時注意吸收峰的位置、強(qiáng)度和峰行。譜圖解析的順序?yàn)椋?.根據(jù)質(zhì)譜、元素分析結(jié)果得到分子式，并有分子式計(jì)算不飽和度。

1）化合物的不飽和度例如：Ω=1+6+(0-6)/2=4

一、定性分析（定性鑒定和結(jié)構(gòu)分析）（一）已知物的鑒定：與標(biāo)準(zhǔn)譜圖對照

2.先觀察官能團(tuán)取，確定可能存在的官能團(tuán)，再看指紋區(qū)，如果是芳香族化合物，應(yīng)定出苯環(huán)取代位置。3.根據(jù)官能團(tuán)及化學(xué)和理性，拼湊可能的結(jié)構(gòu)。4.進(jìn)一步的確認(rèn)需與標(biāo)準(zhǔn)樣品、標(biāo)準(zhǔn)圖譜對照，或結(jié)合其他儀器手段得出結(jié)論。標(biāo)準(zhǔn)圖譜集最常見的是薩特勒紅外譜圖集一、定性分析（定性鑒定和結(jié)構(gòu)分析）（一）已知物的鑒定：與標(biāo)準(zhǔn)譜圖對照

二、定量分析

譜帶強(qiáng)度測量方式主要有峰高（即吸光度值）測量和峰面積測量兩種。定量分析方法視被測物質(zhì)的情況和定量分析的要求可采用直接計(jì)算法、工作曲線法、吸光度比法