紅外光譜法對(duì)果糖和葡萄糖的定性分析

1、紅外光譜法對(duì)果糖和葡萄糖的定性分析1 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?.1 熟練掌握紅外光譜儀的使用方法，知道怎么保護(hù)紅外光譜儀。1.2 熟練掌握壓片的技巧。1.3 學(xué)會(huì)用紅外光譜儀判定未知物及其質(zhì)組成與結(jié)構(gòu)的方法。2 實(shí)驗(yàn)原理2.1 實(shí)驗(yàn)原理及應(yīng)用范圍紅外光譜對(duì)樣品的適用性相當(dāng)廣泛，固態(tài)、液態(tài)或氣態(tài)樣品都能用該方法進(jìn)行分析，無(wú)機(jī)、有機(jī)、高分子化合物也都可檢測(cè)。紅外光譜分析可用于研究分子的結(jié)構(gòu)和化學(xué)鍵，也可以作為表征和鑒別化學(xué)物種的方法。紅外光譜具有高度特征性，可以采用與標(biāo)準(zhǔn)化合物的紅外光譜對(duì)比的方法來(lái)做分析鑒定。利用化學(xué)鍵的特征波數(shù)來(lái)鑒別化合物的類型，并可用于定量測(cè)定。由于分子中鄰近基團(tuán)的相互作用，使同一基團(tuán)在不

2、同分子中的特征波數(shù)有一定變化范圍。此外，在高聚物的構(gòu)型、構(gòu)象、力學(xué)性質(zhì)的研究，以及物理、天文、氣象、遙感、生物、醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域，也廣泛應(yīng)用紅外光譜。紅外吸收峰的位置與強(qiáng)度反映了分子結(jié)構(gòu)上的特點(diǎn)，可以用來(lái)鑒別未知物的結(jié)構(gòu)組成或確定其化學(xué)基團(tuán)；而吸收譜帶的吸收強(qiáng)度與化學(xué)基團(tuán)的含量有關(guān)，可用于進(jìn)行定量分析和純度鑒定。另外，在化學(xué)反應(yīng)的機(jī)理研究上，紅外光譜也發(fā)揮了一定的作用。但其應(yīng)用最廣的還是未知化合物的結(jié)構(gòu)鑒定。紅外光譜不但可以用來(lái)研究分子的結(jié)構(gòu)和化學(xué)鍵，如力常數(shù)的測(cè)定和分子對(duì)稱性的判據(jù)，而且還可以作為表征和鑒別化學(xué)物種的方法。2.1. 1定性分析紅外光譜是物質(zhì)定性的重要的方法之一。它的解析能夠提供許多

3、關(guān)于官能團(tuán)的信息，可以幫助確定部分乃至全部分子類型及結(jié)構(gòu)。其定性分析有特征性高、分析時(shí)間短、需要的試樣量少、不破壞試樣、測(cè)定方便、分析成本低等優(yōu)點(diǎn)。傳統(tǒng)的利用紅外光譜法鑒定物質(zhì)通常采用比較法，即與標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)對(duì)照和查閱標(biāo)準(zhǔn)譜圖的方法，但是該方法對(duì)于樣品的要求較高并且依賴于譜圖庫(kù)的大小。如果在譜圖庫(kù)中無(wú)法檢索到一致的譜圖，則可以用人工解譜的方法進(jìn)行分析，這就需要有大量的紅外知識(shí)及經(jīng)驗(yàn)積累。大多數(shù)化合物的紅外譜圖是復(fù)雜的，即便是有經(jīng)驗(yàn)的專家，也不能保證從一張孤立的紅外譜圖上得到全部分子結(jié)構(gòu)信息，如果需要確定分子結(jié)構(gòu)信息，就要借助其他的分析測(cè)試手段，如核磁、質(zhì)譜、紫外光譜等。盡管如此，紅外譜圖仍是提供官

4、能團(tuán)信息最方便快捷的方法。2.1.2定量分析定量分析依據(jù)是比爾定律：ecl=logI0/I或A=ecl。如果有標(biāo)準(zhǔn)樣品，并且標(biāo)準(zhǔn)樣品的吸收峰與其它成分的吸收峰重疊少時(shí)，可以采用標(biāo)準(zhǔn)曲線法以及解聯(lián)立方程的辦法進(jìn)行單組分、多組分定量。對(duì)于兩組分體系，可采用比例法。2.2 實(shí)驗(yàn)方法紅外光的波長(zhǎng)較大，能量較紫外光和可見(jiàn)光較小，當(dāng)紅外光照射到物質(zhì)表面時(shí)，會(huì)引起分子的振動(dòng)能級(jí)和轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)的躍遷。紅外光譜所研究的是分子振動(dòng)中伴有偶極距變化的化合物，當(dāng)這些化合物吸收紅外光后，分子將產(chǎn)生不同方式的振動(dòng)，消耗光能。紅外可分近紅外、中紅外和遠(yuǎn)紅外：近紅外128204000 cm-1中紅外4000200 cm-1遠(yuǎn)紅外

5、20033 cm-1為了研究某種物質(zhì)的結(jié)構(gòu)特征，采用紅外光照射該物質(zhì)，并測(cè)定該物質(zhì)的吸光度，以透光度為縱坐標(biāo)，波數(shù)為橫坐標(biāo)作圖。根據(jù)波谷對(duì)應(yīng)的波數(shù)，查閱標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)紅外光圖譜，確定待測(cè)物質(zhì)的組成或者所包含的官能團(tuán)及不飽和度等信息，從而確定待測(cè)物質(zhì)的結(jié)構(gòu)。本實(shí)驗(yàn)中，當(dāng)果糖和葡萄糖收到紅外光譜照射，分子吸收某些頻率的輻射，其分子振動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)能及發(fā)生從基態(tài)到激發(fā)態(tài)的躍遷，使相應(yīng)的透射光強(qiáng)度減弱。以紅外光的透射比對(duì)波數(shù)或波長(zhǎng)作圖，就可以得到果糖和葡萄糖的紅外光譜圖。葡萄糖和果糖的炭式結(jié)構(gòu)如圖1所示，費(fèi)歇爾式結(jié)構(gòu)如圖2所示：圖1圖22.3 儀器原理2.3. 1 傅立葉紅外光譜儀傅立葉紅外光譜儀的基本結(jié)構(gòu)如圖3

6、所示。圖3 傅立葉紅外光譜儀工作原理示意圖傅里葉紅外光譜儀的工作原理如下：光源發(fā)出的紅外光由邁克爾遜干涉儀分成兩束相干光，相干光照射到樣品上，含有樣品信息的相干光到達(dá)檢測(cè)器，由檢測(cè)器將光信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，并將此電信號(hào)傳遞到指示系統(tǒng)計(jì)算機(jī)中。計(jì)算機(jī)將時(shí)間域信息通過(guò)傅立葉變換轉(zhuǎn)化為頻率域信息，最終得到透過(guò)率隨波數(shù)變化的紅外吸收光譜圖。(一)光源光源要求能發(fā)射出穩(wěn)定、高強(qiáng)度連續(xù)波長(zhǎng)的紅外光，能斯特?zé)簟⑻蓟杌蛲坑邢⊥粱衔锏逆囥t旋狀燈絲這些是我們通常使用光源材料。(二)干涉儀我們所用的干涉儀是邁克爾遜干涉儀，邁克爾遜干涉儀的作用是將復(fù)色光變?yōu)楦缮婀?。中紅外干涉儀中的分束器主要由溴化鉀材料制成；近紅外

7、干涉儀中的分束器一般以石英和CaF2為材料；遠(yuǎn)紅外干涉儀中的分束器一般由Mylar膜和網(wǎng)格固體材料制成。邁克爾遜干涉儀工作原理圖如圖4所示。圖4 邁克爾遜干涉儀光路圖邁克爾遜干涉儀是由固定不動(dòng)的反射鏡M1（定鏡），可移動(dòng)的反射鏡M2（動(dòng)鏡）以及廣分束器G1和G2組成。M1和M2是互相垂直的平面反射鏡，G1和G2以45°角置于M1和M2之間。光線由光源S發(fā)出之后，入射在半透半反鏡G1上，部分光線反射到平面鏡M1，再經(jīng)M1反射和G1透射，最后到達(dá)檢測(cè)器，同時(shí)，另一部分光線經(jīng)G1透射后，穿過(guò)G2到達(dá)M2，再經(jīng)M2反射沿原路返回，最后被G1反射至檢測(cè)器。由于動(dòng)鏡的移動(dòng)，使兩束光產(chǎn)生了光程差。

8、當(dāng)光程差為半波長(zhǎng)的偶數(shù)倍時(shí)，發(fā)生相長(zhǎng)干涉，產(chǎn)生明線；當(dāng)光程差為半波長(zhǎng)的奇數(shù)倍時(shí)，發(fā)生相消干涉，產(chǎn)生暗線。當(dāng)動(dòng)鏡連續(xù)移動(dòng)，在檢測(cè)器上記錄的信號(hào)將連續(xù)變化。(三)檢測(cè)器紅外光區(qū)的檢測(cè)器一般有兩種類型：熱檢測(cè)器和光導(dǎo)電檢測(cè)器。紅外光譜儀中常用的熱檢測(cè)器有：熱電偶；輻射熱測(cè)量計(jì)，以及熱電檢測(cè)器等。熱電偶和輻射熱測(cè)量計(jì)主要用于色散型分光光度計(jì)中，而熱電檢測(cè)器主要用于中紅外傅立葉變換光譜儀中2.4 分析過(guò)程2.4. 1 樣品處理技術(shù)針對(duì)液體樣品、固體樣品分別有液膜法、溶液法和壓片法、薄膜法。針對(duì)氣體樣品也有專門(mén)的處理方法。2.4. 2 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)(沸點(diǎn)高于8

9、0)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(cè)量。若測(cè)定碳?xì)漕愇蛰^低的化合物時(shí)，可在中間放入夾片(spacer，約0.05-0.1mm厚)，增加膜厚。測(cè)定時(shí)需注意不要讓氣泡混入，螺絲不應(yīng)擰得過(guò)緊以免窗板破裂。使用以后要立即拆除，用脫脂棉沾氯仿、丙酮擦凈。（2）溶液法溶液法適用于揮發(fā)性液體樣品的測(cè)定。使用固定液池，將樣品溶于適當(dāng)溶劑中配成一定濃度的溶液(一般以10%w/w左右為宜)，用注射器注入液池中進(jìn)行測(cè)定。所用溶劑應(yīng)易于溶解樣品，是非極性，不與樣品形成氫鍵，溶劑的吸收不與樣品吸收重合。常用溶劑為CS2、CCl4、

10、CHCl3等。2.4. 3 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(cè)定的標(biāo)準(zhǔn)方法。將固體樣品0.5mg1.0mg與150mg左右的KBr一起粉碎，用壓片機(jī)壓成薄片。薄片應(yīng)透明均勻。（2）薄膜法該法適用于高分子化合物的測(cè)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(jìn)行測(cè)定。常見(jiàn)鹽片的紅外透明范圍為：KBr(400 cm-1)，NaCl(650 cm-1)，CsI(150 cm-1)等。2.4. 4氣體樣品氣體樣品的測(cè)定可使用窗板間隔為2.5cm10cm的大容量氣體池，如圖5所示。抽真空后，向池內(nèi)導(dǎo)入待測(cè)氣體。測(cè)定氣體中的少量組分時(shí)使

11、用池中的反射鏡，其作用是將光路長(zhǎng)增加到數(shù)十米。氣體池還可用于揮發(fā)性很強(qiáng)的液體樣品的測(cè)定。圖5.氣體池2.5 譜圖分析2.5. 1 紅外光譜的三個(gè)重要特征（1）譜帶位置譜帶的位置是指示一定基團(tuán)存在的最有用的特征，由于若干不同的集團(tuán)可能在相同的頻率區(qū)出現(xiàn)，做出判斷時(shí)要特別慎重。（2）形狀有時(shí)候從譜帶的形狀也可能得到相關(guān)基團(tuán)的有關(guān)信息，這些對(duì)于堅(jiān)定特殊基團(tuán)的存在很有用。（3）相對(duì)強(qiáng)度由于分子中極性較強(qiáng)的集團(tuán)產(chǎn)生強(qiáng)的吸收帶，有時(shí)我們可以根據(jù)相對(duì)強(qiáng)度進(jìn)行分析。2.5. 2同一基團(tuán)振動(dòng)峰任一官能團(tuán)由于存在伸縮振動(dòng)（某些官能團(tuán)同時(shí)存在對(duì)稱和反對(duì)稱伸縮振動(dòng)）和多種彎曲振動(dòng)，會(huì)在紅外譜圖的不同區(qū)域顯示出幾個(gè)相關(guān)

12、吸收峰。所以，只有當(dāng)幾處應(yīng)該出現(xiàn)吸收峰的地方都顯示吸收峰時(shí)，就可以得出該官能團(tuán)存在的結(jié)論。以甲基為例，在2960、2870、1460、1380 cm-1處都應(yīng)有C-H的吸收峰出現(xiàn)。以長(zhǎng)鏈CH2為例，2920、2850、1470、720 cm-1處都應(yīng)出現(xiàn)吸收峰。2.5. 3譜圖解析順序根據(jù)質(zhì)譜、元素分析結(jié)果得到分子式。由分子式計(jì)算不飽和度U。U=四價(jià)元素?cái)?shù) -（一價(jià)元素?cái)?shù)/2）+（三價(jià)元素?cái)?shù)/2）+ 1。然后先觀察官能團(tuán)區(qū)，找出存在的官能團(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。根據(jù)官能團(tuán)及化學(xué)合理性，拼湊可能的結(jié)構(gòu)。最后是進(jìn)一步的確認(rèn)需與標(biāo)樣、標(biāo)準(zhǔn)譜圖對(duì)照及結(jié)合其它儀器分析手段

13、得出的結(jié)論。3 儀器與試劑3.1 試劑與藥品：3.1.1 溴化鉀（分析純）3.1.2 果糖（分析純）、葡萄糖（分析純）3.1.3 未知樣品A、B、C（樣品是葡萄糖或果糖或者是兩者的混和物）3.1.4 無(wú)水乙醇3.2 儀器：3.2.1 瑪瑙研缽、藥匙、鑷子、紙巾3.2.2 WS701型紅外線快速干燥器（上海市吳淞五金廠）3.2.3 NEXUS 470-FTIR 傅立葉紅外光譜儀（Thermo公司）3.2.4 AB135-S電子天平（METTLER TOLEDO公司）3.2.5 手壓機(jī)（島津公司）4 實(shí)驗(yàn)步驟4.1 實(shí)驗(yàn)前準(zhǔn)備實(shí)驗(yàn)前首先開(kāi)啟烘干機(jī)，保持實(shí)驗(yàn)室內(nèi)干燥，后則影響儀器的性能并且使樣品沾有

14、水分影響分析圖譜。在實(shí)驗(yàn)前將所需的藥品：溴化鉀、樣品A、B、C，用研缽初步磨細(xì)、磨勻，然后放入烘箱，將模具、鑷子、藥匙和研缽等用沾有無(wú)水乙醇的紙巾擦拭干凈（3.2.1）。4.2 壓片的制備以及圖譜繪制4.2.1 KBr空白壓片的制備用電子天平（3.2.4）稱取200 mg左右初步磨好的溴化鉀粉末，放入研缽中用力再次磨細(xì)、磨勻。然后用藥匙小心地將磨好的KBr粉末移入模具中，轉(zhuǎn)移過(guò)程中應(yīng)小心謹(jǐn)慎，防止粉末濺灑到模具周?chē)?，引起粉末的損失，導(dǎo)致壓片不均勻。將模具蓋裝好，旋轉(zhuǎn)幾圈，使KBr粉末在模具中均勻分布。隨后將模具放入手壓機(jī)(3.2.5)，用約600 kgf/cm2壓力在液壓機(jī)上壓制2 min左右

15、。取出模具，用鑷子小心地將壓好的KBr薄片放在磁板上。4.2.2 樣品壓片用電子天平稱取約1 mg樣品（A、B、C中任選一種）,我們?cè)趯?shí)驗(yàn)中選擇的是A樣品。再取約200 mg溴化鉀粉末，將兩者混合，用研缽研磨，其余操作步驟同上。以上步驟每用完一次藥品要及時(shí)放回干燥器內(nèi)，保持藥品的絕對(duì)干燥。4.2.3 繪制紅外圖譜首先將裝有KBr薄片的磁板放入樣品槽中，開(kāi)啟紅外光譜儀，在計(jì)算機(jī)中設(shè)定好參數(shù)，儀器開(kāi)始運(yùn)行，最后在計(jì)算機(jī)中會(huì)顯示出紅外光譜圖，作為空白。將待測(cè)樣品放入樣品槽，重復(fù)以上步驟，計(jì)算機(jī)將自動(dòng)扣除空白后的光譜圖顯示出來(lái)。隨后表示出每個(gè)明顯吸收峰對(duì)應(yīng)的波數(shù)，保存文件，完成圖譜的繪制。5 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

16、與結(jié)果我們實(shí)驗(yàn)中所得出的樣品A的光譜圖以及葡萄糖（分析純）和果糖（分析純）的標(biāo)準(zhǔn)紅外圖譜分別如圖6、圖7和圖8所示： 圖6 樣品A的紅外光譜圖7葡萄糖的標(biāo)準(zhǔn)圖譜圖8 果糖的標(biāo)準(zhǔn)圖譜看圖3對(duì)比圖4和圖5可以知道，樣品A的圖譜即不能和果糖的標(biāo)準(zhǔn)圖譜很好的吻合，也不能和葡萄糖的標(biāo)準(zhǔn)圖譜很好的溫和，所以我判定樣品A為果糖和葡萄糖的混合物。由上面三個(gè)圖找出樣品A與葡萄糖和果糖的相似峰值，并列下表(表1)。具體解析見(jiàn)表1。樣品A果糖葡萄糖對(duì)比最大差值3404.543412.327.782945.302945.3002910.273.892883.0302361.512914.162357.627.7823

17、34.272883.032342.057.781633.731641.517.781458.591458.5901415.781411.893.891337.951341.843.891221.191225.083.891147.241143.353.891104.431112.227.781053.841061.621046.057.781022.701022.700913.73921.57917.627.78859.24863.143.89839.78839.780812.54820.327.78773.62777.51777.513.89707.46695.787.78617.95617

18、.95551.78559.577.78表1 葡萄糖標(biāo)準(zhǔn)圖譜與樣品C的紅外圖譜分析表格分析：由表格可知樣品A明顯吸收峰分別與葡萄糖和果糖的部分峰值較好的吻合，最大的差值也不超過(guò)8。有些吸收峰有一定的差異可能是因?yàn)樵趬浩瓦M(jìn)樣的過(guò)程中，固體壓片吸附了空氣中的水汽或二氧化碳等物質(zhì)。6 實(shí)驗(yàn)討論6.1為什么用KBr作為空白及樣品的稀釋劑？答：因?yàn)镵Br在4000400 cm-1區(qū)域內(nèi)無(wú)吸收；并且，它的折射率與大多數(shù)有機(jī)化合物的折射率很接近，因此可以減少因光散射而造成的能量損失，我們?cè)趯?shí)驗(yàn)中將固體顆粒研磨到其粒徑比輻射波長(zhǎng)還小也是為了減少散射率；否則，將有很大部分的輻射能量因散射而損失。因此，應(yīng)將樣品研磨到其粒徑為2 m以下1。6.2 水對(duì)測(cè)定過(guò)程有哪些影響？答：水分在近紅外譜區(qū)內(nèi)有較強(qiáng)的吸收峰（約在1450 nm處），這是近紅外定量分析的主要干擾因素2。KBr有很強(qiáng)的吸水性，因此使用前必須對(duì)其進(jìn)行干燥處理，并且在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中應(yīng)盡量縮短KBr暴露在空氣中的時(shí)間。6.3 二氧化碳對(duì)實(shí)驗(yàn)是否有影響？為什么？答：有影響。 因?yàn)镃O2雖然是對(duì)稱分子，但是