傅立葉變換紅外光譜儀的原理和應(yīng)用指導(dǎo)書

1、傅立葉變換紅外光譜儀的原理 和應(yīng)用指導(dǎo)書傅立葉變換紅外光譜儀的原理和應(yīng)用實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書貴州大學(xué)精細(xì)化工研究開發(fā)中心（綠色農(nóng)藥與生物工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室）1、實(shí)驗(yàn)類型及學(xué)時(shí)數(shù)a） 實(shí)驗(yàn)類型：設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn) （研究性實(shí)驗(yàn)）b） 學(xué)時(shí)數(shù)： 6 學(xué)時(shí)2、實(shí)驗(yàn)?zāi)康暮鸵饬x紅外及拉曼光譜都是分子振動(dòng)光譜。 通過譜圖解析可以獲取分子結(jié)構(gòu)的信息。 任何氣態(tài)、 液態(tài)、固態(tài)樣品均可進(jìn)行紅外光譜測(cè)定，這是其它儀器分析方法難以做到的。由于每種化合 物均有紅外吸收，尤其是有機(jī)化合物的紅外光譜能提供豐富的結(jié)構(gòu)信息，因此紅外光譜法是 有機(jī)化合物結(jié)構(gòu)解析的重要手段之一。傅立葉變換紅外光譜儀是 20 世紀(jì) 70 年代發(fā)展起來的新一代紅外光譜儀

2、，它具有以下特 點(diǎn)：一是掃描速度快，可以在 1s 內(nèi)測(cè)得多張紅外譜圖；二是光通量大，可以檢測(cè)透射較低的 樣品，可以檢測(cè)氣體、固體、液體、薄膜和金屬鍍層等不樣品；三是分辨率高，便于觀察氣 態(tài)分子的精細(xì)結(jié)構(gòu)；四是測(cè)定光譜范圍寬，只要改變光源、分束器和檢測(cè)器的配置，就可以 得到整個(gè)紅外區(qū)的光譜。廣泛應(yīng)用于有機(jī)化學(xué)、高分子化學(xué)、無機(jī)化學(xué)、化工、催化、石油、 材料、生物、醫(yī)藥、環(huán)境等領(lǐng)域。通過學(xué)習(xí)紅外光譜儀的構(gòu)成和使用方法，及其在定性、定量分析中的應(yīng)用，培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán) 謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度、細(xì)致的工作作風(fēng)、實(shí)事求是的數(shù)據(jù)報(bào)告和良好的實(shí)驗(yàn)習(xí)慣（準(zhǔn)備充分、操作 規(guī)范，記錄簡明，臺(tái)面整潔、實(shí)驗(yàn)有序，良好的環(huán)保和公德意識(shí)）

3、 。培養(yǎng)培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手能力、 理論聯(lián)系實(shí)際的能力、統(tǒng)籌思維能力、創(chuàng)新能力、獨(dú)立分析解決實(shí)際問題的能力、查閱手冊(cè) 資料并運(yùn)用其數(shù)據(jù)資料的能力以及歸納總結(jié)的能力等。3、實(shí)驗(yàn)原理紅外吸收光譜分析方法主要是依據(jù)分子內(nèi)部原子間的相對(duì)振動(dòng)和分子轉(zhuǎn)動(dòng)等信息進(jìn)行測(cè)(1) 雙原子分子的紅外吸收頻率分子振動(dòng)可以近似地看作是分子中原子心平衡點(diǎn)為中心， 以很小的振幅做周期性的振動(dòng)。 這種振動(dòng)的模型可以用經(jīng)典的方法來模擬。 如圖 1所示，m1和 m2分別代表兩個(gè)小球的質(zhì)量， 即兩個(gè)原子的質(zhì)量， 彈簧的長度就是化學(xué)鍵的長度。 這個(gè)體系的振動(dòng)頻率取決于彈簧的強(qiáng)度，即化學(xué)鍵的強(qiáng)度和小球的質(zhì)量。其振動(dòng)是在連接兩個(gè)小球的鍵軸方向

4、發(fā)生的。圖 1 雙原子分子的振動(dòng)模型用經(jīng)典力學(xué)的方法可以得到如下的計(jì)算公式：21 k12c可簡化為：1304 k式中， 是頻率，Hz； 是波數(shù)，cm-1；k 是化學(xué)鍵的力常數(shù)， g/s2；c是光速 (31010cm/s）；是原子的折合質(zhì)量 ( =m1m2/(m1+m2) 。5 5 5 5般來說，單鍵的 k=4 1056105 g/s2；雙鍵的 k=810512105 g/s2；叁鍵的 k=12 10520 105 g/s2。(2) 多原子分子的吸收頻率 雙原子分子振動(dòng)只能發(fā)生在聯(lián)接兩個(gè)原子的直線上，并且只有一種振動(dòng)方式，而多原子分子振動(dòng)則有多種振動(dòng)方式。假設(shè)由 n 個(gè)原子組成，每一個(gè)原子在空間

5、都 則分子有 3n 個(gè)自由度。非線性分子的轉(zhuǎn)動(dòng)有 3 個(gè)自由度，線性分子則只有 2 個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)自有 3 個(gè)自由度，由度，因此非線性分子有 3n-6種基本振動(dòng)，而線性分子有 3n-5 種基本振動(dòng)。以 H2O 分子為例，其各種振動(dòng)如圖所示，水分子由 3 個(gè)原子組成并且不在一條直線上，其振動(dòng)方式應(yīng)有33 63個(gè)，分別是對(duì)稱和非對(duì)稱伸縮振動(dòng)和彎曲振動(dòng)。 OH 鍵長度改變的振動(dòng)稱為伸縮振動(dòng)，鍵角小于 HOH 改變的振動(dòng)稱為彎曲振動(dòng)。通常鍵長的改變比鍵角的改變需要更大的能量，因此伸縮振動(dòng)出現(xiàn)在高波數(shù)區(qū)，彎曲振動(dòng)出現(xiàn)在低波數(shù)區(qū)。（3） 紅外光譜及其表示方法 紅外光譜所研究的是分子中原子的相對(duì)振動(dòng)，也可歸結(jié)為化學(xué)

6、鍵的振動(dòng)。不同的化學(xué)鍵 或官能團(tuán)，其振動(dòng)能級(jí)從基態(tài)躍遷到激發(fā)態(tài)所需要的能量不同，因此要吸收不同的紅外光。物理吸收不同的紅外光，將在不同波長上出現(xiàn)吸收峰。紅外光譜就是這樣形成的紅外光譜的表示方法如下圖所示：400典型的紅外光譜。橫坐標(biāo)為波數(shù) （cm-1 ，最常見 ） 或波長 （ m），縱坐標(biāo)為透光率或吸光度。 紅外波段通常分為近紅外 （133004000cm-1）、中紅外（4000 400cm-1）和遠(yuǎn)紅外 10cm-1）。其中研究最為廣泛的是中紅外區(qū)。（4） 紅外譜帶的強(qiáng)度紅外吸收峰的強(qiáng)度與偶級(jí)矩變化的大小有關(guān)，吸收峰的強(qiáng)弱與分子振動(dòng)時(shí)偶極矩變化的平方成正比，一般，永久偶極矩變化大的，振動(dòng)時(shí)偶

7、極矩變化也較大，如C=O（或 C-O ）的強(qiáng)度比 C=C（或 C-C）要大得多，若偶極矩變?yōu)榱?，則無紅外活性，即無紅外吸收峰。4、實(shí)驗(yàn)設(shè)備型傅立葉變換紅外光譜儀儀器設(shè)備： SHIMADZU IRPresting-21傅立葉變換紅外SHIMADZU IRPresting-21光譜儀的工作原理圖50的光透射到可固定平面鏡、分光器和可調(diào)凹面鏡組成傅立葉變換紅外光譜儀的核心部件邁克爾干涉 儀。由光源發(fā)出的紅外光經(jīng)過固定平面鏡反射鏡后，由分光器分為兩束：調(diào)凹面鏡，另外 50的光反射到固定平面鏡。可調(diào)凹面鏡移動(dòng)至兩束光光程差為半波長的偶數(shù)倍時(shí)，這兩束光發(fā)生相長干涉，干涉圖 由紅外檢測(cè)器獲得，經(jīng)過計(jì)算機(jī)傅立

8、葉變換處理后得到紅外光譜圖。IRPresting-21 型傅立葉變換紅外光譜儀具 300 入射邁克爾遜密閉型干涉儀， 單光束光學(xué) 系統(tǒng)，空冷陶瓷光源，鍍鍺 KBr 基片分束器，溫度可調(diào)的 DLATGS 檢測(cè)器，波數(shù)范圍 7,800 350cm-1 ，S/N 大于 40,0001(4 cm -1，1 分鐘， 2,100 cm -1 附近， P P)，具有自診斷功 能和狀態(tài)監(jiān)控器?？墒占屑t外、近紅外、遠(yuǎn)紅外范圍光譜。5、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容了解并初步掌握傅立葉變換紅外光譜儀的基本原理與構(gòu)造； 學(xué)習(xí)紅外光譜法測(cè)定化合 物結(jié)構(gòu)的方法；通過測(cè)定已知和未知樣品的紅外光譜，初步掌握獲得譜圖的一般操作程序與 技術(shù)；學(xué)習(xí)

9、樣品制備的方法；了解影響分析測(cè)定的重要因素，學(xué)會(huì)優(yōu)化分析條件；學(xué)習(xí)譜圖 的解析方法。6、實(shí)驗(yàn)步驟(1) 樣品制備技術(shù)簡介(a) 固體樣品制樣 固體樣品制樣由壓模進(jìn)行，壓模的構(gòu)造如圖所示： 壓模由壓桿和壓舌組成。奪舌的直徑為 13mm，兩個(gè) 壓舌的表面光潔度很高，以保證壓出的薄片表面光滑。因 此，使用時(shí)要注意樣品的粒度、濕度和硬度，以免損傷壓舌表面的光潔度。組裝壓模時(shí)，將其中一個(gè)壓舌光潔面朝上放在底座上，并裝上壓片套圈，加入研磨后的 樣品，再將另一壓舌光潔面朝下壓在樣品下，輕輕轉(zhuǎn)動(dòng)以保證樣品面平整，最后順序放在壓 片套筒、彈簧和壓桿，通過液壓器加壓力至 10t，保持 3min 。(b) 液體樣品

10、制樣 液體池構(gòu)造如下圖所示：液體池是由后框架、墊片、后窗片、間隔片、前窗片和前框架 7 個(gè)部分組成。一般后框 架和前框架由金屬材料制成；前窗片和后窗片為氯化鈉、溴化鉀等晶體薄片；間隔片常由鋁 箔和聚四氟乙烯等材料制成，起著固定液體樣品的作用，厚度為0.01 2mm 。液體池的裝樣操作 將吸收池傾斜 30，用注射器（不帶針頭）吸取待測(cè)的樣品，由下孔注入直到上孔看到樣品溢出為止，用聚四氟乙烯塞子塞住上、下注射孔，用高質(zhì)量的紙巾 擦去溢出的液體后，便可進(jìn)行測(cè)試。在液體池裝樣操作過程中，應(yīng)注意以下幾點(diǎn)： 灌樣時(shí)要防止氣泡； 樣品要充分溶 解，不應(yīng)有不溶物進(jìn)入液體池內(nèi)； 裝樣品時(shí)不要將樣品溶液外溢到窗片

11、上。液體池的清洗操作 測(cè)試完畢，取出塞子，用注射器吸出樣品， 由下孔注入溶劑， 沖洗 2-3 次。沖洗后，用吸耳球吸取紅外燈附近的干燥空氣吹入液體池內(nèi)以除去殘留的溶劑，然后放 在紅外燈下烘烤至干，最后將液體池存放在干燥器中。注意！液體池在清洗過程中或清洗完 畢時(shí)，不要因溶劑揮發(fā)而致使窗片受潮。液體池厚度的測(cè)定 :根據(jù)均勻的干涉條紋的數(shù)目可測(cè)定液體池的厚度。 測(cè)定的方法是將空的液體池作為樣品進(jìn)行掃描，由于兩鹽 片間的空氣對(duì)光的折射率不同而產(chǎn)生干涉。根據(jù)干涉條紋 的數(shù)目計(jì)算池厚（如圖所示） 。般選 1500600cm 1的范圍較好，計(jì)算公式：式中， b 是液體池厚度， cm；n 是兩波數(shù)間所夾的完

12、整波形個(gè)數(shù)； 1、 2 分別為起始 和終止的波數(shù)， cm-1（c）載樣材料的選擇目前以中紅外區(qū)（ 4000 400cm-1 ）應(yīng)用最為廣泛，一般的光學(xué)材料為氯化鈉（ 4000600 cm-1 ）、溴化鉀（ 4000400 cm-1）；這些晶體很容易吸水使表面發(fā)烏，影響紅外光的透過。 因此，所用的容片應(yīng)放在干燥器內(nèi)，要在濕度小的環(huán)境下操作。(2) 上機(jī)操作的基本思路A樣品的制備 不同的樣品狀態(tài)(固體、液體、氣體及粘稠樣品)需要與之相應(yīng)的制樣方法。制樣方法 的選擇和制樣技術(shù)的好壞直接影響譜帶的頻率、數(shù)目和強(qiáng)度。a) 液膜法：樣品的沸點(diǎn)高于 100可采用液膜法測(cè)定。粘稠樣品也可采用液膜法。這種 方法

13、較簡單，只要在兩個(gè)鹽片之間滴加 1 2 滴未知樣品，使之形成一層薄的液膜。流動(dòng)性 較大的樣品，可選擇不同厚度的墊片來調(diào)節(jié)液膜的厚度。樣品制好后，用夾具輕輕夾住進(jìn)行 測(cè)定。b) 液池法：樣品的沸點(diǎn)低于 100可采用液池法。選擇不同的墊片尺寸可調(diào)節(jié)液池的厚 度，對(duì)強(qiáng)吸收的樣品用溶劑稀釋后再測(cè)定。本底采用相應(yīng)的溶劑。c) 糊狀法：需準(zhǔn)確知道樣品是否含有 OH基團(tuán)(避免 KBr 中水的影響)時(shí)采用糊狀法。 這種方法是將干燥的粉末研細(xì)，然后加入幾滴懸浮劑(常用石蠟油或氟化煤油)在瑪瑙研缽 中研成均勻的糊狀，涂在鹽片上測(cè)定。本底采用相應(yīng)的懸浮劑。d) 壓片法：粉末狀樣品常采用壓片法。將研細(xì)的粉末分散在固體

14、介質(zhì)中，并用壓片器 壓成透明的薄片后測(cè)定。固體分散介質(zhì)一般是 KBr，使用時(shí)將其充分研細(xì)，顆粒直徑最好小 于 2 m (因?yàn)橹屑t外區(qū)的波長是從 2.5m 開始的)。本底最好采用相應(yīng)的分散介質(zhì)( KBr)。e) 薄膜法：對(duì)于熔點(diǎn)低，熔融時(shí)不發(fā)生分解、升華和其他化學(xué)變化的物質(zhì)，可采用加熱 熔融的方法壓制成薄膜后測(cè)定。B樣品測(cè)試a) 將制好的樣品用夾具夾好， 放入儀器內(nèi)的固定支架上進(jìn)行測(cè)定， 樣品測(cè)定前要先行測(cè) 定本底；b) 測(cè)試操作和譜圖處理按工作站操作說明書進(jìn)行，主要包括輸入樣品編號(hào)、測(cè)量、 基線 校正、譜峰標(biāo)定、譜圖打印等幾個(gè)命令。c) 測(cè)量結(jié)束后，用無水乙醇將研缽，壓片器具洗干凈，烘干后，存放于干燥器中。(3) 譜圖解析(4) 數(shù)據(jù)分析和實(shí)驗(yàn)報(bào)告7、注意事項(xiàng)(1) 必須嚴(yán)格按照儀器操作規(guī)程進(jìn)行操作；實(shí)驗(yàn)未涉及的命令禁止亂動(dòng)；