第九章 紅外分光光度法與檢測(cè)技術(shù)

1案例導(dǎo)入2006年4月下旬，廣州某醫(yī)院多例重癥肝炎病人先后突然出現(xiàn)急性腎功能衰竭癥狀。院方經(jīng)過(guò)排查，將目光鎖定在某制藥公司生產(chǎn)的“亮菌甲素注射液”上。后經(jīng)檢測(cè)和反復(fù)驗(yàn)證，確定導(dǎo)致此次悲劇發(fā)生的罪魁禍?zhǔn)资敲俺渌幱幂o料丙二醇的工業(yè)原料二甘醇，檢測(cè)機(jī)構(gòu)所使用的檢驗(yàn)方法之一就是紅外光譜法。2案例導(dǎo)入鑒于藥害事件的頻繁發(fā)生，為加強(qiáng)藥品生產(chǎn)全過(guò)程的管理和質(zhì)量監(jiān)控，確保藥品質(zhì)量，我國(guó)GMP（2010年修訂）新增條款“應(yīng)當(dāng)制定相應(yīng)的操作規(guī)程，采取核對(duì)或檢驗(yàn)等適當(dāng)?shù)拇胧?，確保每一包裝內(nèi)的原輔料正確無(wú)誤?！边@一規(guī)定說(shuō)明藥品生產(chǎn)企業(yè)對(duì)其購(gòu)進(jìn)的藥用原輔料負(fù)有檢驗(yàn)職責(zé)。其中，對(duì)原料藥的入廠檢驗(yàn)，藥品生產(chǎn)企業(yè)多使用紅外光譜法，如與標(biāo)準(zhǔn)品的紅外光譜對(duì)照或與紅外標(biāo)準(zhǔn)圖譜對(duì)照等。

3紅外分光光度法（IR）是基于物質(zhì)對(duì)紅外輻射的特征吸收而建立起來(lái)的分析方法，又稱紅外吸收光譜法。

第一節(jié)概述

4第一節(jié)概述一、紅外線及紅外光譜5第一節(jié)概述1．紅外線

0.76～1000μm62．紅外吸收光譜（IR）由物質(zhì)分子吸收中紅外區(qū)的電磁輻射得到。又稱分子振-轉(zhuǎn)光譜。

第一節(jié)概述7第一節(jié)概述8第一節(jié)概述曲線“前疏后密”，吸收峰是向下的“谷”，且多、尖，圖譜復(fù)雜。

9第一節(jié)概述二、紅外光譜與紫外-可見(jiàn)光譜的區(qū)別相同點(diǎn)：同屬分子吸收光譜。101．紅外光譜（IR）主要由物質(zhì)分子的振動(dòng)能級(jí)躍遷產(chǎn)生。由于分子的振動(dòng)能級(jí)差大于轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)差，分子發(fā)生振動(dòng)能級(jí)躍遷時(shí)必然同時(shí)伴隨轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)躍遷，故紅外光譜又稱分子振-轉(zhuǎn)光譜。2．紅外光譜由吸收峰的位置（波數(shù)σ（cm-1）或波長(zhǎng)λ（μm），橫坐標(biāo)）和吸收峰的強(qiáng)度（百分透光率T%，縱坐標(biāo)）共同描述。3．紅外光譜與紫外-可見(jiàn)光譜的相同點(diǎn)是同屬分子吸收光譜，區(qū)別在于產(chǎn)生原因、適用范圍、特征性和用途不同。第一節(jié)概述

點(diǎn)滴積累11一、分子的振動(dòng)和紅外吸收紅外光譜產(chǎn)生的條件：分子中某基團(tuán)的振動(dòng)頻率和照射的紅外線頻率一致分子偶極矩發(fā)生變化第二節(jié)基本原理12第二節(jié)基本原理分子振動(dòng)頻率的大小取決于化學(xué)鍵的強(qiáng)度和原子的質(zhì)量?；瘜W(xué)鍵越強(qiáng)，原子折合相對(duì)質(zhì)量越小，振動(dòng)頻率就越高。物質(zhì)不同，結(jié)構(gòu)不同，振動(dòng)時(shí)吸收的紅外線頻率不同。13第二節(jié)基本原理1．闡述紅外光譜產(chǎn)生的條件。2．請(qǐng)說(shuō)出不同的物質(zhì)紅外吸收光譜不同的原因。課堂活動(dòng)14第二節(jié)基本原理二、振動(dòng)形式雙原子：伸縮振動(dòng)。多原子分子伸縮振動(dòng)彎曲振動(dòng)對(duì)稱伸縮振動(dòng)（υs）不對(duì)稱伸縮振動(dòng)（υas）面內(nèi)彎曲振動(dòng)（β）面外彎曲振動(dòng)（γ）剪式彎曲振動(dòng)（δ）平面搖擺振動(dòng)（ρ）扭曲振動(dòng)（τ）非平面搖擺振動(dòng)（ω）15第二節(jié)基本原理對(duì)同一基團(tuán)而言，不對(duì)稱伸縮振動(dòng)頻率要稍高于對(duì)稱伸縮振動(dòng)頻率，伸縮振動(dòng)的頻率高于彎曲振動(dòng)的頻率。振動(dòng)形式不同，吸收峰位置不同。16第二節(jié)基本原理17第二節(jié)基本原理18第二節(jié)基本原理三、振動(dòng)自由度與峰數(shù)非線性分子為3n－3－3=3n－6線性分子為3n－3－2=3n－5分子基本振動(dòng)的數(shù)目，即分子的獨(dú)立振動(dòng)數(shù)。3n－平動(dòng)自由度－轉(zhuǎn)動(dòng)自由度振動(dòng)自由度19第二節(jié)基本原理H2O為非線性分子，有3種基本振動(dòng)形式，即3756cm-13652cm-11595cm-120第二節(jié)基本原理2350cm-11340cm-1666cm-1666cm-1CO2為線性分子，有4種基本振動(dòng)形式，即21第二節(jié)基本原理紅外光譜基本振動(dòng)吸收峰數(shù)小于振動(dòng)自由度的原因：3．儀器性能的限制2．紅外非活性振動(dòng)1．簡(jiǎn)并頻率相同的不同振動(dòng)形式吸收峰重疊的現(xiàn)象偶極矩不發(fā)生變化的振動(dòng)22請(qǐng)說(shuō)出CO2的紅外光譜只有2350cm-1和666cm-1兩個(gè)吸收峰的原因。第二節(jié)基本原理課堂活動(dòng)23第二節(jié)基本原理四、紅外吸收峰的類型(一）基頻峰與泛頻峰1．基頻峰：V=0→V=1倍頻峰二倍頻峰（V=0→V=2）

三倍頻峰（V=0→V=3）

合頻峰、……，差頻峰、……，

2.泛頻峰24第二節(jié)基本原理2．特征峰與相關(guān)峰能夠用于鑒別官能團(tuán)存在并具有較高強(qiáng)度的吸收峰。由一個(gè)官能團(tuán)所產(chǎn)生的一組具有依存關(guān)系的特征峰稱為相關(guān)吸收峰。25第二節(jié)基本原理五、吸收峰的位置及影響因素峰位：吸收峰的位置。表示形式：吸收的紅外光的λmax（或σmax、νmax）。26第二節(jié)基本原理影響因素：（一）內(nèi)部因素1．電子效應(yīng)（1）吸電子基團(tuán)的誘導(dǎo)效應(yīng)：常使吸收峰向高頻方向移動(dòng)。27第二節(jié)基本原理（2）共軛效應(yīng)：常使吸收峰向低頻方向移動(dòng)。

1715cm-11685cm-11685cm-11660cm-128第二節(jié)基本原理2．空間效應(yīng)（1）環(huán)張力，使環(huán)內(nèi)雙鍵伸縮振動(dòng)頻率降低，環(huán)外雙鍵伸縮振動(dòng)頻率升高。CHCHCHCH1576cm-11611cm-11644cm-11781cm-11678cm-11657cm-11651cm-129第二節(jié)基本原理（2）空間位阻，使吸收峰向高頻方向移動(dòng)。1663cm-11686cm-11693cm-130第二節(jié)基本原理3．氫鍵使伸縮振動(dòng)頻率降低。4．互變異構(gòu)、費(fèi)米共振等ν

C=O

～1760ν

O-H3500～3600ν

C=O

～1710ν

O-H3200～250031第二節(jié)基本原理（二）外部因素1．物質(zhì)的狀態(tài)同一化合物聚集狀態(tài)不同，吸收頻率和強(qiáng)度不同。晶型不同，紅外光譜不同。2．溶劑效應(yīng)極性溶劑中，極性基團(tuán)的伸縮振動(dòng)頻率常隨溶劑極性的增大而降低。32第二節(jié)基本原理六、吸收峰的強(qiáng)度及影響因素33第二節(jié)基本原理影響因素：1．振動(dòng)過(guò)程中偶極矩的變化Δμ越大，ε越大影響偶極矩變化大小的因素：（1）原子電負(fù)性：化學(xué)鍵兩端原子電負(fù)性相差越大，Δμ越大，ε越大。（2）振動(dòng)形式：一般ενas＞ενs＞εδ（3）分子結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性：對(duì)稱性越差，Δμ越大，ε越大。34第二節(jié)基本原理2．振動(dòng)能級(jí)的躍遷幾率

躍遷幾率越大，吸收峰的強(qiáng)度越大。達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡時(shí)，激發(fā)態(tài)分子占總分子的百分?jǐn)?shù)。35第二節(jié)基本原理七、紅外光譜的重要區(qū)域

（一）官能團(tuán)區(qū)：波數(shù)在4000～1500cm-1之間的區(qū)域

X—H伸縮振動(dòng)區(qū)（4000～2500cm-1

）X代表O、N、C、S等原子。（1）O—H伸縮振動(dòng)：游離羥基在3700~3500cm-1處有尖峰（2）N—H伸縮振動(dòng)：位于3500~3300cm-1

（3）C—H伸縮振動(dòng)：以3000cm-1為界，區(qū)分飽和烴與不飽和烴。36第二節(jié)基本原理2.叁鍵和累積雙鍵伸縮振動(dòng)區(qū)（2500～2000cm-1）主要是叁鍵伸縮振動(dòng)與累積雙鍵的不對(duì)稱伸縮振動(dòng)。

3.雙鍵伸縮振動(dòng)區(qū)37第二節(jié)基本原理（二）指紋區(qū)：波數(shù)低于1500cm-1的區(qū)域。主要由化學(xué)鍵的彎曲振動(dòng)和部分單鍵（C—X，X＝C、O、N等）的伸縮振動(dòng)引起。

38第二節(jié)基本原理1．振動(dòng)自由度反映的是分子基本振動(dòng)的數(shù)目，但并非每種振動(dòng)都出現(xiàn)吸收峰。2．同一基團(tuán)的振動(dòng)形式不同，吸收峰位置不同。3．基頻峰的強(qiáng)度大，是紅外光譜上的主要吸收峰；泛頻峰強(qiáng)度較弱，不易辨認(rèn)，但增加了紅外光譜的特征性。4．特征峰常出現(xiàn)在官能團(tuán)區(qū)，相關(guān)峰中的某些峰常出現(xiàn)在指紋區(qū)。官能團(tuán)區(qū)吸收峰較強(qiáng)且稀疏，易辨認(rèn)；指紋區(qū)吸收峰密集，難辨認(rèn)。點(diǎn)滴積累39一、紅外光譜儀的主要部件（一）色散型紅外分光光度計(jì)1．光源常用的有硅碳棒和能斯特?zé)簟?．吸收池（1）氣體池：氣體試樣及易揮發(fā)的液體試樣。（2）液體池：常溫下不易揮發(fā)的液體試樣及固體試樣。3．單色器目前主要采用反射光柵作為色散元件。4．檢測(cè)器常用真空熱電偶。5．記錄儀第三節(jié)紅外光譜儀與制樣40第三節(jié)紅外光譜儀與制樣（二）傅里葉變換紅外光譜儀1．光源常用硅碳棒和能斯特?zé)?．單色器邁克爾遜干涉儀3．檢測(cè)器熱電型和光電導(dǎo)型檢測(cè)器4．計(jì)算機(jī)和記錄系統(tǒng)41二、紅外光譜儀的工作原理（一）色散型紅外分光光度計(jì)第三節(jié)紅外光譜儀與制樣42（二）傅里葉變換紅外光譜儀

第三節(jié)紅外光譜儀與制樣43三、試樣制備（一）氣體試樣在玻璃氣槽內(nèi)進(jìn)行測(cè)定

（二）液體試樣1．液膜法2．溶液法（三）固體試樣1．薄膜法2．糊法3．壓片法KBr為最常用的固體分散介質(zhì)。

第三節(jié)紅外光譜儀與制樣44第三節(jié)紅外光譜儀與制樣四、紅外光譜法的應(yīng)用示例1．定性分析已知物圖譜對(duì)照

標(biāo)準(zhǔn)圖譜對(duì)照45第三節(jié)紅外光譜儀與制樣此外，紅外分光光度法在藥物雜質(zhì)檢查方面也有應(yīng)用，主要用于無(wú)效或低效晶型的檢查。

案例分析驅(qū)腸蟲(chóng)藥甲苯咪唑有三種不同的晶型，其中C晶型為有效晶型，而A晶型為無(wú)效晶型，《中國(guó)藥典》采用紅外分光光度法對(duì)A晶型進(jìn)行檢查。甲苯咪唑無(wú)效A晶型在640cm