FTIR實(shí)驗(yàn)講義

1、賽默飛世爾賽默飛世爾IS-10型傅立葉紅外光譜儀型傅立葉紅外光譜儀 FTIR 教學(xué)要求教學(xué)要求 要求 1、掌握本實(shí)驗(yàn)室紅外光譜儀的基本原理 及構(gòu)造，掌握本次講述的6種附件的 使用范圍及測量方法 2、了解紅外光譜區(qū)域的劃分及紅外光譜吸收 產(chǎn)生的條件。 3、掌握簡單紅外譜圖的定性分析。 紅外光譜概述紅外光譜概述 l1800年英國科學(xué)家赫謝爾發(fā)現(xiàn)紅外線 l1936年世界第一臺棱鏡分光單光束紅外光譜儀制成 l1946年制成雙光束紅外光譜儀 l60年代制成以光柵為色散元件的第二代紅外光譜儀 l70年代制成傅立葉變換紅外光譜儀，使掃描速度大大 提高 l70年代末，出現(xiàn)了激光紅外光譜儀，共聚焦顯微紅外 光譜

2、儀等 發(fā)展歷程發(fā)展歷程 傅立葉變換紅外光譜儀傅立葉變換紅外光譜儀 Fourier Transform Infrared Spectrometer (FTIR) 70年代出現(xiàn)，是一種非色散型紅外吸收光譜 儀，其光學(xué)系統(tǒng)的主體是邁克爾遜干涉儀。 （Michelson） u測量步驟： u1、測得一組包含原輻射全部光譜信息的干涉 圖； u2、經(jīng)計(jì)算機(jī)進(jìn)行傅立葉變換，獲得紅外吸收 光譜圖。 紅外光譜特點(diǎn)紅外光譜特點(diǎn) 紅外吸收只有振-轉(zhuǎn)躍遷，能量低 應(yīng)用范圍廣：幾乎所有有機(jī)物均有紅外吸收 分子結(jié)構(gòu)更為精細(xì)的表征：通過紅外光譜的波 數(shù)位置、波峰數(shù)目及強(qiáng)度確定分子基團(tuán)、分子 結(jié)構(gòu) 分析速度快 固、液、氣態(tài)樣均

3、可用，且樣品用量少 紅外光譜主要用于定性分析，也可進(jìn)行定量分析 紅外光譜特點(diǎn)紅外光譜特點(diǎn) l定性: 紅外光譜最重要的應(yīng)用是中紅外區(qū)有機(jī)化合物 的結(jié)構(gòu)鑒定。通過與標(biāo)準(zhǔn)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(tuán)、順反異構(gòu)、取 代基位置、氫鍵結(jié)合以及絡(luò)合物的形成等結(jié)構(gòu)信息可 以推測結(jié)構(gòu)。 l定量: 近年來紅外光譜的定量分析應(yīng)用也有不少報(bào)道, 尤其是近紅外、遠(yuǎn)紅外區(qū)的研究報(bào)告在增加。如近紅 外區(qū)用于含有與C，N，O等原子相連基團(tuán)化合物的定 量；遠(yuǎn)紅外區(qū)用于無機(jī)化合物研究等。 傅立葉變換的優(yōu)點(diǎn)：傅立葉變換的優(yōu)點(diǎn)： FTIR不需要分光，因此檢測器接收到的光通 量較色散型儀器大得多，因此提高

4、了信噪比和 靈敏度，有利于弱光譜的檢測； FTIR的掃描速度極快，能在很短的時(shí)間里 （1s）獲得全譜域的光譜響應(yīng)； FTIR儀器與計(jì)算機(jī)技術(shù)的結(jié)合，使IR的整機(jī) 性能大大提高，價(jià)格下降，使FTIR的商品儀 器獲得了普及。 紅外光區(qū)的劃分紅外光區(qū)的劃分 l波長與波數(shù)之間的關(guān)系為： （波數(shù)） / cm-1 =104 /（ / m ） 波數(shù) 波長 紅外光譜圖紅外光譜圖 l當(dāng)一束連續(xù)變化的各種波長的紅外光照射樣品 時(shí)，其中一部分被吸收，吸收的這部分光能就 轉(zhuǎn)變?yōu)榉肿拥恼駝幽芰亢娃D(zhuǎn)動能量；另一部分 光透過，若將其透過的光用單色器進(jìn)行色散， 就可以得到一譜帶。若以波長或波數(shù)為橫坐標(biāo)， 以百分吸收率或透光度

5、為縱坐標(biāo)，把這譜帶記 錄下來，就得到了該樣品的紅外吸收光譜圖。 紅外光譜譜圖認(rèn)識紅外光譜譜圖認(rèn)識 紅外光譜圖紅外光譜圖： 縱坐標(biāo)為透過率， 橫坐標(biāo)為波長 （ m ） 或波數(shù)（cm-1） 例1： Octane（辛烷） 紅外光譜圖 紅外譜圖的兩個(gè)重要區(qū)域紅外譜圖的兩個(gè)重要區(qū)域 l高波數(shù)段：4000-1500cm-1（官能團(tuán)區(qū)） 含氫官能團(tuán)、含雙鍵或叁鍵的官能團(tuán)在官能團(tuán)區(qū)有吸收，如OH， NH以及C=O等重要官能團(tuán)在該區(qū)域有吸收，它們的振動受分子 中剩余部分的影響小。 l低波數(shù)段：1500cm-1以下（指紋區(qū)） 不含氫的單鍵、各鍵的彎曲振動出現(xiàn)在1300cm-1以下的低波數(shù)區(qū)。 該區(qū)域的吸收特點(diǎn)是振

6、動頻率相差不大，振動的耦合作用較強(qiáng)， 因此易受鄰近基團(tuán)的影響。同時(shí)吸收峰數(shù)目較多，代表了有機(jī)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(biāo)準(zhǔn)譜圖對照可以進(jìn)行最終 確認(rèn)。 紅外光譜產(chǎn)生的條件紅外光譜產(chǎn)生的條件 例例2：H2O分子分子 先看看先看看H2O和和CO2分子的譜圖產(chǎn)生情況：分子的譜圖產(chǎn)生情況： 例例3：CO2分子的振動分子的振動 紅外光譜產(chǎn)生的條件紅外光譜產(chǎn)生的條件 條件： (1) 輻射應(yīng)具有能滿足物質(zhì)產(chǎn)生振動躍遷所需的能量； (2) 輻射與物質(zhì)間有相互偶合作用。 對稱分子對稱分子：沒有偶極矩，輻射不能引起共振， 無紅外活性。 如：N2、

7、O2、Cl2 等。 非對稱分子非對稱分子：有偶極矩，紅外活性。 紅外光譜與分子結(jié)構(gòu)的關(guān)系紅外光譜與分子結(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(yīng)于分子的振動頻率。大量實(shí)驗(yàn)結(jié)果 表明，一定的官能團(tuán)總是對應(yīng)于一定的特征 吸收頻率，即有機(jī)分子的官能團(tuán)具有特征紅 外吸收頻率。這對于利用紅外譜圖進(jìn)行分子 結(jié)構(gòu)鑒定具有重要意義。 紅外光譜圖的三要素紅外光譜圖的三要素 （2）峰強(qiáng)：）峰強(qiáng)：紅外吸收峰的強(qiáng)度取決于分子振動時(shí)偶極矩的紅外吸收峰的強(qiáng)度取決于分子振動時(shí)偶極矩的 變化，振動時(shí)分子偶極矩的變化越小，譜帶強(qiáng)度也就越弱。變化，振動時(shí)分子偶極矩的變化越小，譜帶強(qiáng)度也就越弱。 一般說來，極性較

8、強(qiáng)的基團(tuán)一般說來，極性較強(qiáng)的基團(tuán)(如如C=O,C-X)振動，吸收強(qiáng)度較振動，吸收強(qiáng)度較 大；極性較弱的基團(tuán)大；極性較弱的基團(tuán)(如如C=C,N-C等等)振動，吸收強(qiáng)度較弱；振動，吸收強(qiáng)度較弱； （1）峰位：）峰位：分子內(nèi)各種官能團(tuán)的特征吸收峰只出現(xiàn)在分子內(nèi)各種官能團(tuán)的特征吸收峰只出現(xiàn)在 紅外光波譜的一定范圍紅外光波譜的一定范圍 。 峰位、峰強(qiáng)和峰形峰位、峰強(qiáng)和峰形 紅外光譜圖的三要素紅外光譜圖的三要素 （3）峰形：）峰形：不同基團(tuán)的某一種振動形式可能會在同一頻不同基團(tuán)的某一種振動形式可能會在同一頻 率范圍內(nèi)都有紅外吸收，如率范圍內(nèi)都有紅外吸收，如-OH、-NH的伸縮振動峰的伸縮振動峰 都在都在3

9、400-3200 cm-1但二者峰形狀有顯著不同。此時(shí)峰但二者峰形狀有顯著不同。此時(shí)峰 形的不同有助于官能團(tuán)的鑒別。形的不同有助于官能團(tuán)的鑒別。 譜圖的一般的解析流程：譜圖的一般的解析流程： 主要應(yīng)用領(lǐng)域主要應(yīng)用領(lǐng)域 l有機(jī)、無機(jī)、高分子材料的成分分析及結(jié)構(gòu)剖析 l教育、科研、石油、化工、農(nóng)業(yè)、食品、醫(yī)藥、 商檢 l質(zhì)檢、海關(guān)、公安、汽車、珠寶、環(huán)保及國防科 學(xué)等領(lǐng)域 傅里葉變換紅外光譜儀結(jié)構(gòu)圖傅里葉變換紅外光譜儀結(jié)構(gòu)圖 傅里葉變換紅外光譜儀光路圖傅里葉變換紅外光譜儀光路圖 邁克爾遜干涉儀邁克爾遜干涉儀-1 l 0 -l BM 光程差光程差 = 0 BMBF= BF 邁克爾遜干涉儀邁克爾遜干涉儀-2 Detector