紅外光譜法（儀器分析課件）

紅外光譜法紅外光譜法基本原理01紅外光譜法基本原理-1·基本原理目標(biāo)掌握原子吸收分光譜法特點(diǎn)01掌握原子吸收分光譜法基本原理02相關(guān)標(biāo)題文字一、概述

（一）紅外光譜（分子振動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)光譜）

1.定義：當(dāng)樣品受到頻率連續(xù)變化的紅外光照射時(shí)，分子吸收了某些頻率的輻射，并由其振動(dòng)或轉(zhuǎn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)引起偶極矩的凈變化，產(chǎn)生分子振動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)從基態(tài)到激發(fā)態(tài)的躍遷，使相應(yīng)于這些吸收區(qū)域的透射光強(qiáng)度減弱。

吸收紅外光分子-------------→

分子振動(dòng)或轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)躍遷（?

0）→IR吸收光譜紅外光譜法原理1234原理原理原理一、概述定義：（1）紅外光譜：是分子的振動(dòng)與轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)躍遷吸收光譜出現(xiàn)在紅外光區(qū)，稱為紅外光譜。又稱為紅外吸收光譜。(2)紅外光譜法：就是基于物質(zhì)分子的紅外吸收光譜進(jìn)行定性定量分析的光譜分析方法。一、概述2.分類按照紅外光區(qū)的波長(zhǎng)范圍（0.75——1000μm），將其分為：近紅外(0.75—2.5μm)、中紅外(2.5—50μm）、遠(yuǎn)紅外（50—1000μm）紅外光譜法是物質(zhì)特別是有機(jī)化合物結(jié)構(gòu)研究的重要手段之一。紅外光區(qū)的劃分區(qū)域名稱波長(zhǎng)(μm)波數(shù)(cm-1)能級(jí)躍遷類型近紅外區(qū)（泛頻區(qū)）0.78-2.512800-4000OH、NH、CH鍵的倍頻吸收中紅外區(qū)（基本振動(dòng)區(qū)）2.5-504000-200分子振動(dòng)/伴隨轉(zhuǎn)動(dòng)遠(yuǎn)紅外區(qū)（分子轉(zhuǎn)動(dòng)區(qū)）50-1000400-10分子轉(zhuǎn)動(dòng)二、基本原理

（一）分子吸收紅外的條件1.照射紅外光子具有的能量與分子振動(dòng)能級(jí)躍遷所需的能量相當(dāng)；物質(zhì)的分子對(duì)紅外光的吸收是通過(guò)共振的方式完成的。2.光子與分子之間發(fā)生偶合作用。并不是所有的分子都有吸收紅外光，只有在振動(dòng)過(guò)程中伴隨有凈的偶極距變化的分子才能吸收紅外光，稱其具有紅外活性，相應(yīng)的振動(dòng)稱為紅外活性振動(dòng)。以雙原子分子的純振動(dòng)光譜為例

對(duì)稱分子：沒(méi)有偶極矩，輻射不能引起共振，無(wú)紅外活性。如：N2、O2、Cl2

等。非對(duì)稱分子：有偶極矩，紅外活性。偶極子在交變電場(chǎng)中的作用示意圖

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。2.輻射與物質(zhì)之間必須有耦合作用磁場(chǎng)電場(chǎng)交變磁場(chǎng)

分子固有振動(dòng)

a偶極矩變化（能級(jí)躍遷）耦合不耦合紅外吸收無(wú)偶極矩變化無(wú)紅外吸收分子振動(dòng)方程式分子的振動(dòng)能級(jí)（量子化）：

E振=（V+1/2）h

：

化學(xué)鍵的振動(dòng)頻率；V：振動(dòng)量子數(shù)。

（

=0，1，2，

）1.雙原子分子的振動(dòng)簡(jiǎn)諧振動(dòng)及其頻率，化學(xué)鍵的振動(dòng)類似于連接兩個(gè)小球的彈簧（二）分子的基本振動(dòng)形式2、多原子分子的振動(dòng)（1）簡(jiǎn)正振動(dòng)：分子質(zhì)心保持不變，整體不轉(zhuǎn)動(dòng)，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，即每個(gè)原子都在同一瞬間通過(guò)其平衡位置，而且同時(shí)達(dá)到其最大位移值。分子中任何一個(gè)復(fù)雜振動(dòng)都可以看成這些簡(jiǎn)正振動(dòng)的線性組合2.多原子分子的振動(dòng)（1）簡(jiǎn)正振動(dòng)的基本形式

對(duì)稱伸縮振動(dòng)(vs)

①

伸縮振動(dòng)

不對(duì)稱伸縮振動(dòng)(vas)

剪式（δ）

面內(nèi)變形振動(dòng)

②變形振動(dòng)平面搖擺振動(dòng)（ρ）（彎曲振動(dòng)）面外搖擺振動(dòng)（ω）面外變形振動(dòng)面外扭曲振動(dòng)（τ）簡(jiǎn)正振動(dòng)基本形式伸縮振動(dòng)：原子沿鍵軸方向伸縮，鍵長(zhǎng)變化但鍵角不變的振動(dòng)。變形振動(dòng)：基團(tuán)鍵角發(fā)生周期性變化，但鍵長(zhǎng)不變的振動(dòng)。又稱彎曲振動(dòng)或變角振動(dòng)。下圖給出了各種可能的振動(dòng)形式（以甲基和亞甲基為例）。

理論上，多原子分子的振動(dòng)數(shù)應(yīng)與譜峰數(shù)相同，但實(shí)際上，譜峰數(shù)常常少于理論計(jì)算出的振動(dòng)數(shù)，這是因?yàn)椋篴）偶極矩的變化=0的振動(dòng)，不產(chǎn)生紅外吸收,如CO2；b）譜線簡(jiǎn)并（振動(dòng)形式不同，但其頻率相同）；c）儀器分辨率或靈敏度不夠，有些譜峰觀察不到。以上介紹了基本振動(dòng)所產(chǎn)生的譜峰，即基頻峰（V=±1允許躍遷）。在紅外光譜中還可觀察到其它峰躍遷禁阻峰：

紅外光譜法紅外光譜儀結(jié)構(gòu)及功能02項(xiàng)目二紅外光譜儀結(jié)構(gòu)及功能-1·紅外光譜儀的結(jié)構(gòu)紅外光譜儀的各部組件的作用目標(biāo)掌握紅外光譜儀結(jié)構(gòu)組成01掌握各部分組件的功能02相關(guān)標(biāo)題文字紅外光譜儀紅外吸收光譜模塊之1進(jìn)一步鞏固紅外光譜法原理2掌握紅外光譜儀的組成3掌握紅外光譜儀的個(gè)部件的作用能力目標(biāo)

紅外光譜儀的結(jié)構(gòu)及功能

紅外光譜儀一、紅外光譜儀的類型

色散型紅外光譜儀紅外光譜儀傅立葉(Fourier)變換紅外光譜儀一）色散型紅外光譜儀光源→樣品池→單色器→檢測(cè)器→記錄系統(tǒng)色散型紅外光譜儀又稱紅外分光光度計(jì)，也有單光束、雙波長(zhǎng)、雙光束型。（一）光源1.Nernst燈

Nernst燈特點(diǎn)：（1）高溫下導(dǎo)電，室溫下非導(dǎo)體，使用前需預(yù)熱（2）發(fā)光強(qiáng)度高，尤其在>1000cm-1高波數(shù)區(qū)（3）使用壽命長(zhǎng)（4）穩(wěn)定性好（5）價(jià)格貴，機(jī)械強(qiáng)度差2.硅碳棒

特點(diǎn)：（1）低波數(shù)區(qū)域發(fā)光較強(qiáng)，使用波數(shù)范圍寬，低至200cm-1（2）堅(jiān)固（3）發(fā)光面積大（4）壽命長(zhǎng)（5）不需預(yù)熱，價(jià)格便宜（二）吸收池（金屬鹵化物）

NaCl、KBr、CsI、KRS-5（TlI58%，TlBr42%）材料制成窗片（玻璃、石英等材料不能透過(guò)紅外光）（三）單色器組成：色散元件、準(zhǔn)直鏡、狹縫（四）檢測(cè)器

高真空熱電偶、熱釋電檢測(cè)器、碲鎘汞檢測(cè)器

二、Fourier變換紅外光譜儀（FTIR）干涉儀光源樣品室檢測(cè)器顯示器繪圖儀計(jì)算機(jī)干涉圖光譜圖FTS（一）

傅立葉變換紅外光譜儀的特點(diǎn)

特點(diǎn)：

(1)掃描速度極快(1s)；適合儀器聯(lián)用；(2)不需要分光，信號(hào)強(qiáng)，靈敏度很高；

(3)儀器小巧。（二）儀器原理光源發(fā)出的輻射經(jīng)干涉儀轉(zhuǎn)變?yōu)楦缮婀猓ㄟ^(guò)試樣后，包含的光信息需要經(jīng)過(guò)數(shù)學(xué)上的傅立葉變換解析成普通的譜圖

光信號(hào)→干涉儀→干涉光→計(jì)算機(jī)→Fourier變換→將干涉圖還原為紅外光譜圖組成：光源（硅碳棒、高壓汞燈）、Michelson干涉儀、檢測(cè)器、計(jì)算機(jī)和記錄儀等。

其核心部分為Michelson干涉儀，它將光源來(lái)的信號(hào)以干涉圖的形式送往計(jì)算機(jī)進(jìn)行Fourier變換的數(shù)學(xué)處理，最后將干涉圖還原成光譜圖（三）組成紅外光譜法紅外光譜法應(yīng)用03紅外光譜法應(yīng)用-1·樣品的制備目標(biāo)掌握紅外光譜法樣品制備方法01掌握紅外光譜法樣品制備技能02相關(guān)標(biāo)題文字一、試樣的處理和制備（一）紅外光譜法對(duì)試樣的要求

試樣可為氣、液、固，應(yīng)滿足以下要求：1.單一組分的純物質(zhì)，純度應(yīng)>98%或符合商業(yè)規(guī)格，這樣才便于與純化合物的標(biāo)準(zhǔn)光譜進(jìn)行對(duì)照提純多組分：分餾、萃取、重結(jié)晶、區(qū)域熔融（GC-FTIR除外）2.試樣中不應(yīng)含有游離水

H2O有紅外吸收干擾樣品測(cè)定，侵蝕吸收池的鹽窗3.試樣的濃度和測(cè)試厚度應(yīng)選擇適當(dāng)T:10-80%二、制樣方法（一）液體和溶液試樣常用方法：

1.液體池法：沸點(diǎn)低、揮發(fā)性大試樣（注入封閉液體池中，液層厚度0.01-1mm）

2.液膜法:

沸點(diǎn)較高的試樣（直接滴在兩塊鹽片之間形成液膜）

CS2:1350-600cm-1

低頻常用溶劑

CCl4:4000-1350cm-1

高頻（二）固體試樣

1.壓片法：試樣與KBr研細(xì)混勻，在壓片機(jī)上壓成透明薄片

壓片機(jī)及壓膜結(jié)構(gòu)紅外光譜法應(yīng)用-11234原理原理原理

2.石蠟糊法：將干燥處理后的試樣研細(xì)，與液體石蠟混合，調(diào)成糊狀，夾在鹽片中測(cè)定

3.薄膜法：樣品直接加熱熔融后涂制或壓制成膜（二）固體試樣二、制樣的方法(三).氣體樣品氣態(tài)樣品可在玻璃氣槽內(nèi)進(jìn)行測(cè)定，它的兩端粘有紅外透光的NaCl或KBr窗片。先將氣槽抽真空，再將試樣注入。紅外光譜法紅外光譜法應(yīng)用03紅外光譜法應(yīng)用-2·定性及定量目標(biāo)掌握紅外光譜圖的定性解析01掌握紅外光譜圖的定量分析方法02相關(guān)標(biāo)題文字解析紅外光譜，要同時(shí)注意吸收峰的位置、強(qiáng)度和峰行。譜圖解析的順序?yàn)椋?.根據(jù)質(zhì)譜、元素分析結(jié)果得到分子式，并有分子式計(jì)算不飽和度。

1）化合物的不飽和度例如：Ω=1+6+(0-6)/2=4

一、定性分析（定性鑒定和結(jié)構(gòu)分析）（一）已知物的鑒定：與標(biāo)準(zhǔn)譜圖對(duì)照

2.先觀察官能團(tuán)取，確定可能存在的官能團(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。3.根據(jù)官能團(tuán)及化學(xué)和理性，拼湊可能的結(jié)構(gòu)。4.進(jìn)一步的確認(rèn)需與標(biāo)準(zhǔn)樣品、標(biāo)準(zhǔn)圖譜對(duì)照，或結(jié)合其他儀器手段得出結(jié)論。標(biāo)準(zhǔn)圖譜集最常見(jiàn)的是薩特勒紅外譜圖集一、定性分析（定性鑒定和結(jié)構(gòu)分析）（一）已知物的鑒定：與標(biāo)準(zhǔn)譜圖對(duì)照

二、定量分析

譜帶強(qiáng)度測(cè)量方式主要有峰高（即吸光度值）測(cè)量和峰面積測(cè)量?jī)煞N。定量分析方法視被測(cè)物質(zhì)的情況和定量分析的要求可采用直接計(jì)算法、工作曲線法、吸光度比法