紅外光譜儀講義

1、紅外光譜組員： 目錄紅外光譜概述紅外光譜概述紅外光譜儀紅外光譜儀紅外光譜儀的應(yīng)用紅外光譜儀的應(yīng)用紅外光譜概述紅外光是一種波長(zhǎng)大于可見光的電磁波，光區(qū)位于可見光區(qū)和微波區(qū)之間，波長(zhǎng)范圍為0.751000m。近紅外0.752.5m遠(yuǎn)紅外251000m中紅外2.525m紅外光譜概述利用物質(zhì)的分子對(duì)紅外輻射的吸收，并由其振動(dòng)或轉(zhuǎn)動(dòng)引起偶極矩的凈變化，產(chǎn)生分子振動(dòng)能級(jí)和轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)從基態(tài)到激發(fā)態(tài)的躍遷，得到分子振動(dòng)能級(jí)和轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)變化產(chǎn)生的振動(dòng)-轉(zhuǎn)動(dòng)光譜，又稱紅外光譜。定義縱坐標(biāo)為吸收強(qiáng)度，透過(guò)率（T %）或吸光度（A）橫坐標(biāo)為吸收峰的位置。用波長(zhǎng) （ m ）或波數(shù)單位：cm-1可以用峰數(shù)，峰位，峰形，峰強(qiáng)來(lái)

2、描述。紅外光譜的表示方法紅外光譜圖透過(guò)率T=I/I0100% A=lgI0/I=lg（1/T)波數(shù) =1/ 紅外光的頻率與分子振動(dòng)頻率相當(dāng)，能滿足分子振動(dòng)能級(jí)躍遷所需的能量。紅外光譜紅外光譜的產(chǎn)生的產(chǎn)生振動(dòng)過(guò)程中必須是能引起分子偶極矩變化的分子紅外吸收。紅外光譜的產(chǎn)生紅外光譜的產(chǎn)生分子振動(dòng)分子振動(dòng) 可以近似地看做是分子中的原子以平衡點(diǎn)為中心，以很小的振幅做周期性的振動(dòng)。這種分子振動(dòng)的模型可以用經(jīng)典的方法來(lái)模擬：雙原子分子振動(dòng)雙原子分子振動(dòng)分子振動(dòng)方程式分子振動(dòng)方程式根據(jù)量子力學(xué)理論，分子的振動(dòng)能不能任意取值，而根據(jù)量子力學(xué)理論，分子的振動(dòng)能不能任意取值，而是量子化的，結(jié)合經(jīng)典力學(xué)方程可解諧振子

3、體系的薛是量子化的，結(jié)合經(jīng)典力學(xué)方程可解諧振子體系的薛定諤方程得：定諤方程得： E振振=（V+1/2）h ： 化學(xué)鍵的化學(xué)鍵的 振動(dòng)頻率；振動(dòng)頻率；V ：振動(dòng)量子數(shù)。振動(dòng)量子數(shù)。 （V=0，1，2，）任意兩個(gè)相鄰的能級(jí)間的能量差為任意兩個(gè)相鄰的能級(jí)間的能量差為：kkckhhE13072112 為雙原子的為雙原子的折合質(zhì)量折合質(zhì)量 =m1m2/（m1+m2），單位為，單位為amu，折合質(zhì)量折合質(zhì)量：兩振動(dòng)原子只要有一個(gè)的質(zhì)量?jī)烧駝?dòng)原子只要有一個(gè)的質(zhì)量，（），發(fā)生振動(dòng)能級(jí)躍遷發(fā)生振動(dòng)能級(jí)躍遷需要能量的大小取需要能量的大小取決于鍵兩端原子的決于鍵兩端原子的折合質(zhì)量折合質(zhì)量和和鍵的力鍵的力常數(shù)常數(shù)，即

4、，即取決于分取決于分子的結(jié)構(gòu)特征。子的結(jié)構(gòu)特征。K化學(xué)鍵的力常數(shù)（化學(xué)鍵的力常數(shù)（N/cm），與），與鍵能和鍵長(zhǎng)鍵能和鍵長(zhǎng)有關(guān)，有關(guān)，鍵能鍵能（大），鍵長(zhǎng)（大），鍵長(zhǎng)（短），（短），k k。 多原子分子振動(dòng)多原子分子振動(dòng)l 絕大多數(shù)分子是由多原子構(gòu)成的，其振動(dòng)方式非常復(fù)雜，可以將其分解成簡(jiǎn)單的簡(jiǎn)正振動(dòng)。l 簡(jiǎn)正振動(dòng)的振動(dòng)狀態(tài)是分子質(zhì)心保持不變，每個(gè)原子都在其平衡位置附近做簡(jiǎn)諧振動(dòng)，其振動(dòng)頻率和相位都相同。1) 伸縮振動(dòng)伸縮振動(dòng) 原子沿鍵軸方向伸長(zhǎng)和收縮的振動(dòng)，鍵長(zhǎng)周期性發(fā)生變化而鍵角不變稱為伸縮振動(dòng)（用表示）。 對(duì)稱伸縮振動(dòng)（對(duì)稱伸縮振動(dòng)（s）:原子振動(dòng)時(shí)所有鍵都同時(shí)伸長(zhǎng)或收縮原子振動(dòng)時(shí)所有鍵

5、都同時(shí)伸長(zhǎng)或收縮; 不對(duì)稱伸縮振動(dòng)（不對(duì)稱伸縮振動(dòng)（as）:原子振動(dòng)時(shí)有些鍵伸長(zhǎng)而另一些鍵收縮。原子振動(dòng)時(shí)有些鍵伸長(zhǎng)而另一些鍵收縮。2) 變形振動(dòng)（又稱彎曲振動(dòng)或變角振動(dòng)變形振動(dòng)（又稱彎曲振動(dòng)或變角振動(dòng)） 原子與鍵軸成垂直方向振動(dòng)，鍵角發(fā)生周期變化而鍵長(zhǎng)不原子與鍵軸成垂直方向振動(dòng)，鍵角發(fā)生周期變化而鍵長(zhǎng)不變的振動(dòng)稱為變形振動(dòng)，用符號(hào)變的振動(dòng)稱為變形振動(dòng)，用符號(hào)表示。表示。 紅外光譜儀兩種類型： 色散型 干涉型（傅里葉變換紅外光譜儀）工作原理工作原理傅里葉變換紅外光譜儀傅里葉變換紅外光譜學(xué)基本原理l 單色光干涉圖和基本方程（a）零光程差時(shí)（b）光程差為半個(gè)波長(zhǎng)時(shí)（c）光程差為一個(gè)波長(zhǎng)時(shí)單色光通過(guò)

6、理想的干涉儀得到的干涉圖 方程如下：）2cos()(5 . 0)(II)(I其中 干涉光的強(qiáng)度 單色光源的強(qiáng)度 波數(shù) 光程差)(I)(I檢測(cè)器檢測(cè)到的光強(qiáng) 如下：2cos(1)(5 . 0)(）II)(I事實(shí)上，干涉圖不只與單色光光強(qiáng)有關(guān)，還受其它多種因素的影響，如分束器的效率、檢測(cè)器的響應(yīng)和放大器的特性等。將干涉方程式乘以一個(gè)有關(guān)的因子 如下：)2cos()()(5 . 0)(IHI)2cos()()(BI)(H儀器經(jīng)特性修正后的單色光光源強(qiáng)度 的cosine傅里葉變換)(Bl 二色光干涉圖和基本方程強(qiáng)度相等的兩單色光波長(zhǎng)分別為1和2，假設(shè)101=92兩單色光強(qiáng)度不同時(shí)，點(diǎn)M處的光強(qiáng)不為零二

7、色光干涉圖方程和單色光相同)2cos()()(BI其干涉圖強(qiáng)度等于二者強(qiáng)度的疊加對(duì)于連續(xù)光源，干涉圖方程如下：d)2cos()()(-BI為了得到紅外光譜圖對(duì)上式進(jìn)行傅里葉逆變換d)2cos()()(IB兩式是cosine傅里葉變換對(duì)，是傅里葉變換光譜學(xué)基本方程l 多色光和連續(xù)光源的干涉圖基本方程主要儀器部件 要求：能發(fā)出穩(wěn)定、能量強(qiáng)、發(fā)射度小的具有連續(xù)波長(zhǎng)的紅外光。 光源是FTIR光譜儀的關(guān)鍵部件之一，紅外輻射能量的高低直接影響檢測(cè)的靈敏度。光源 目前使用的中紅外光源有碳硅棒光源和陶瓷光源，均可覆蓋整個(gè)中紅外波段。工作原理圖光程差為零時(shí)，相長(zhǎng)干涉光程差為1/2時(shí)，相消干涉光程差為時(shí)，相長(zhǎng)干涉

8、邁克爾遜干涉儀光路基本原理邁克爾遜干涉儀光路基本原理干涉儀l 干涉儀中采用動(dòng)態(tài)準(zhǔn)直措施調(diào)整定鏡以保證兩鏡面完全垂直。如圖。l動(dòng)鏡固定在空氣軸承支架上，通入空氣時(shí)，軸承處于懸浮狀態(tài)。在電磁驅(qū)動(dòng)下，動(dòng)鏡在空氣軸承上移動(dòng)，并與定鏡保持垂直。1、空氣軸承干涉儀、空氣軸承干涉儀2、角鏡型邁克爾遜干涉儀、角鏡型邁克爾遜干涉儀l邁克爾遜干涉儀的變形，定鏡和動(dòng)鏡均采用角鏡。l由于動(dòng)鏡在機(jī)械軸承上移動(dòng)的距離不能太長(zhǎng)，因而光譜的分辨率也受到一定的限制。只能達(dá)到0.5cm-1左右。l 采用立體角鏡的干涉儀，即使在動(dòng)鏡擺動(dòng)時(shí)，立體角鏡沿軸方向發(fā)生較小的偏移，仍然保證入射光線和出射光線絕對(duì)平行。l故采用立體角鏡的干涉儀

9、，儀器的抗干擾能力增強(qiáng)。干涉儀工作時(shí)不需要對(duì)定鏡進(jìn)行動(dòng)態(tài)準(zhǔn)直。檢測(cè)器l 作用是檢測(cè)紅外干涉光通過(guò)紅外樣品后的能量。要求：l 高的檢測(cè)靈敏度l 低噪聲l 響應(yīng)速度快l 有較寬的測(cè)量范圍中紅外光譜儀使用的檢測(cè)器主要有兩種l DTGS檢測(cè)器l MCT檢測(cè)器DTGSDTGS檢測(cè)器檢測(cè)器l 由氘代硫酸三苷肽（DTGS）晶體薄片制成，越薄靈敏度越高。l薄片兩面引出有兩個(gè)電極通至前置放大器，晶體在紅外干涉光的照射下產(chǎn)生極微弱的信號(hào)，經(jīng)前置放大器放大并進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換后送給計(jì)算機(jī)進(jìn)行傅里葉轉(zhuǎn)換。MCTMCT檢測(cè)器檢測(cè)器l 由寬頻帶的半導(dǎo)體碲化鎘和半金屬化合物碲化汞混合制成，改變混合物成分的比例，可獲得不同測(cè)量范圍

10、和檢測(cè)靈敏度的檢測(cè)器。l 同DTGS檢測(cè)器相比， 優(yōu)勢(shì)：靈敏度高、噪聲小、響應(yīng)速度快 劣勢(shì)：檢測(cè)范圍窄、需在液氮溫度下工作傅里葉變換紅外光譜儀附件傅里葉變換紅外光譜儀附件l 紅外顯微鏡附件l 氣紅聯(lián)用（GC/FTIR）附件l 衰減全反射（ATR）附件l 傅里葉變換拉曼光譜附件l 漫反射附件l 光聲光譜附件傅里葉變換紅外光譜儀的特點(diǎn)：（1）掃描速度極快掃描速度極快 傅里葉變換儀器在掃描時(shí)間內(nèi)同時(shí)測(cè)定所有頻率的信息，一般只要1s左右即可。因此，它可用于測(cè)定不穩(wěn)定物質(zhì)的紅外光譜。（2）具有很高的分辨率具有很高的分辨率 傅里葉變換紅外光譜儀分辨率最高可達(dá)0.1-0.005cm-1（3 3）靈敏度高）靈

11、敏度高 因傅里葉變換紅外光譜儀不用狹縫和單色器，反射鏡面又大，故能量損失小，到達(dá)檢測(cè)器的能量大，可檢測(cè)10-8g數(shù)量級(jí)的樣品。紅外光譜的應(yīng)用l 紅外光譜的應(yīng)用面非常廣泛，在地質(zhì)勘探、石油石化工業(yè)、紡織日化工業(yè)、農(nóng)業(yè)、食品、生物學(xué)和生化、材料、環(huán)境和能源科技等許多領(lǐng)域都有其用武之地。例如， 在石油工業(yè)中，可利用紅外光譜定性定量研究地質(zhì)中有機(jī)質(zhì)的成熟度；在石油化工中，可對(duì)汽油辛烷值和柴油十六烷值進(jìn)行預(yù)測(cè)； 在生物、醫(yī)藥學(xué)中，可以研究蛋白質(zhì)、核酸等生物大分子的結(jié)構(gòu)；研究細(xì)胞和組織等復(fù)雜體系，進(jìn)行腫瘤早期診斷和其他多種疾病的臨床醫(yī)學(xué)輔助診斷；分析確定藥物化學(xué)結(jié)構(gòu)和藥物鑒定等。實(shí)例實(shí)例l 儀器： WQF

12、-660型傅里葉變換紅外光譜儀 碲化鎘MCT檢測(cè)器 衰減全反射(ATR)探頭l 病例標(biāo)本 16例甲狀腺癌患者手術(shù)中獲取的頸部淋巴結(jié)（病理檢測(cè)發(fā)現(xiàn)各有微轉(zhuǎn)移淋巴結(jié)一枚），同時(shí)取微轉(zhuǎn)移淋巴結(jié)同區(qū)域內(nèi)的非轉(zhuǎn)移淋巴結(jié)作為對(duì)照甲狀腺癌微轉(zhuǎn)移淋巴結(jié)的紅外光譜檢測(cè)甲狀腺癌微轉(zhuǎn)移淋巴結(jié)的紅外光譜檢測(cè)結(jié)果與討論結(jié)果與討論在甲狀腺淋巴結(jié)的紅外光譜中可觀察到在甲狀腺淋巴結(jié)的紅外光譜中可觀察到13個(gè)譜帶個(gè)譜帶非轉(zhuǎn)移與微轉(zhuǎn)移淋巴結(jié)的平均光譜對(duì)比圖非轉(zhuǎn)移與微轉(zhuǎn)移淋巴結(jié)的平均光譜對(duì)比圖a-微轉(zhuǎn)移淋巴結(jié)紅外譜b-非轉(zhuǎn)移淋巴結(jié)紅外譜 蛋白質(zhì)譜峰的變化蛋白質(zhì)譜峰的變化 1460 cm-1處的譜峰因其穩(wěn)定的特性一直被作為內(nèi)參，用于

13、計(jì)算其余譜帶的相對(duì)峰強(qiáng)。 譜峰與譜帶的變化譜峰與譜帶的變化與脂類相關(guān)的譜帶變化與脂類相關(guān)的譜帶變化與糖類相關(guān)的譜帶變化與糖類相關(guān)的譜帶變化與核酸相關(guān)的譜帶變化與核酸相關(guān)的譜帶變化討論討論甲狀腺乳頭癌發(fā)生淋巴結(jié)微轉(zhuǎn)移時(shí)， 大量免疫細(xì)胞增殖蛋白相關(guān)峰相對(duì)峰高 腫瘤細(xì)胞核分裂活動(dòng)活躍核酸譜峰 邊緣竇內(nèi)組織細(xì)胞反應(yīng)性增生核酸譜峰 免疫活性細(xì)胞呼吸爆發(fā)糖脂代謝 ，譜峰 結(jié)論結(jié)論 FTIR能檢測(cè)出甲狀腺癌的微轉(zhuǎn)移淋巴結(jié)，因此有可能用于甲狀腺癌患者的精準(zhǔn)手術(shù)治療，并提高其遠(yuǎn)期療效。 The end, thank you!1、什么是紅外光譜？紅外光譜產(chǎn)生的條件是什么？l 紅外光譜是利用物質(zhì)分子對(duì)紅外輻射的吸收，并由其振動(dòng)或轉(zhuǎn)動(dòng)引起偶極矩的凈變化，產(chǎn)生分子振動(dòng)能級(jí)和轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)從基態(tài)到激發(fā)態(tài)的躍遷，得到分子振動(dòng)能級(jí)和轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)變化產(chǎn)生的振動(dòng)-轉(zhuǎn)動(dòng)光譜。（4）l 產(chǎn)生條件（6）（1）紅外光的頻率與分子振動(dòng)頻率相當(dāng)，才能滿足分子振動(dòng)能級(jí)躍遷所需的能量，產(chǎn)生吸收光譜。（2）振動(dòng)過(guò)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。題目2、簡(jiǎn)