（中職）儀器分析項(xiàng)目模塊3：紅外吸收光譜法簡(jiǎn)介電子課件項(xiàng)目模塊3：紅外吸收光譜法簡(jiǎn)介專題項(xiàng)目1：紅外吸收光譜法基本原理

一、紅外光譜分析法概述

紅外吸收光譜是物質(zhì)的分子吸收了紅外輻射后，引起分子的振動(dòng)-轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)的躍遷而形成的光譜，因?yàn)槌霈F(xiàn)在紅外區(qū)，所以稱之為紅外光譜。

1、紅外光譜法概述

紅外是分子振動(dòng)光譜。通過譜圖解析可以獲取分子結(jié)構(gòu)的信息。尤其是有機(jī)化合物的紅外光譜能提供豐富的結(jié)構(gòu)信息，因此紅外光譜是有機(jī)化合物結(jié)構(gòu)解析的重要手段之一。

2、紅外光譜法的特點(diǎn)：

（1）優(yōu)點(diǎn)：

①氣態(tài)、液態(tài)和固態(tài)樣品均可進(jìn)行紅外

光譜測(cè)定；

②每種化合物均有紅外吸收，并顯示了豐富的結(jié)構(gòu)信息；

③常規(guī)紅外光譜儀價(jià)格低廉，易于購(gòu)置；

④樣品用量少；

⑤針對(duì)特殊樣品的測(cè)試要求，發(fā)展了多種測(cè)量新技術(shù)，如：光聲光譜（PAS）、衰減反射光譜（ATR），漫反射，紅外顯微鏡等。

（2）局限性：

①不能產(chǎn)生紅外吸收的物質(zhì)無法測(cè)定；

②旋光異構(gòu)體以及不同分子量的同一高聚物無法鑒別；

③譜圖上不是所有的峰都能作出理論解釋。

3、紅外光譜區(qū)域及其應(yīng)用

紅外光譜屬于振動(dòng)光譜，其光譜區(qū)域可進(jìn)一步細(xì)分如下表所示。

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(duì)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(cè)結(jié)構(gòu)。

樣品的紅外吸收曲線稱為紅外吸收光譜，多用百分透射比與波數(shù)或百分透射比與波長(zhǎng)曲線來描述。橫坐標(biāo)為波數(shù)或波長(zhǎng)，縱坐標(biāo)為透光率或吸光度。所有的標(biāo)準(zhǔn)紅外光譜圖中都標(biāo)有波數(shù)和波長(zhǎng)兩種刻度。

二、紅外光譜的產(chǎn)生條件及紅外光吸收峰的類型

1、紅外光譜的產(chǎn)生條件

（1）分子吸收的紅外輻射能量與分子振動(dòng)躍遷的能級(jí)一致時(shí)；

（2）只有引起分子偶極矩發(fā)生瞬間變化的振動(dòng)即紅外活性振動(dòng)，產(chǎn)生紅外吸收光譜。

2、常用的紅外光譜術(shù)語

（1）頻峰：由基態(tài)躍遷到第一激發(fā)態(tài)，產(chǎn)生的強(qiáng)吸收峰，稱為基頻峰(強(qiáng)度大)；

（2）倍頻峰：由基態(tài)直接躍遷到第二、第三等激發(fā)態(tài)，產(chǎn)生弱的吸收峰，稱為倍頻峰；

（3）合頻峰：兩個(gè)基頻峰頻率相加的峰；

（4）費(fèi)米共振:某一個(gè)振動(dòng)的基頻與另外一個(gè)振動(dòng)的倍頻或合頻接近時(shí),由于相互作用而在該基頻峰附近出現(xiàn)兩個(gè)吸收帶,這叫做費(fèi)米共振。（5）振動(dòng)偶合:兩個(gè)化學(xué)鍵的振動(dòng)頻率相等或接近時(shí),常使這兩個(gè)化學(xué)鍵的基頻吸收峰裂分為兩個(gè)頻率相差較大的吸收峰,這種現(xiàn)象叫做振動(dòng)偶合。專題項(xiàng)目2：紅外吸收光譜儀

紅外吸收光譜儀主要有兩大類，即色散型紅外吸收光譜儀和干涉型傅里葉變換紅外吸收光譜儀。一、紅外光譜儀的組成1、光源

（1）能斯特?zé)?/p>

能斯特?zé)舻牟牧鲜窍⊥裂趸?，作成圓筒狀(20x2mm)，兩端為鉑引線。其工作溫度為1200～2200K。此種光源具有很大的電阻負(fù)溫度系數(shù)，需要預(yù)先加熱并設(shè)計(jì)電源電路能控制電流強(qiáng)度，以免燈過熱損壞。

（2）碳化硅棒

尺寸為50×5mm,工作溫度1300～1500K。與能斯特?zé)粝喾?碳化硅棒具有正的電阻溫度系數(shù),電觸點(diǎn)需水冷以防放電。其輻射能量與能斯特?zé)艚咏?但在>2000cm-1區(qū)域能量輸出遠(yuǎn)大于能斯特?zé)簟?/p>

（3）白熾線圈

用鎳鉻絲螺旋線圈或銠線做成。工作溫度約1100K。其輻射能量略低于前兩種，但壽命長(zhǎng)。

一般近紅外區(qū)的光源用鎢燈即可，遠(yuǎn)紅外區(qū)用水銀放電燈作光源2、檢測(cè)器

紅外檢測(cè)器有熱檢測(cè)器、熱電檢測(cè)器和光電導(dǎo)檢測(cè)器三種。前兩種用于色散型儀器中，后兩種在傅立葉變換紅外光譜儀中多見。（1）熱檢測(cè)器

熱檢測(cè)器依據(jù)的是輻射的熱效應(yīng)。輻射被一小的黑體吸收后，黑體溫度升高，測(cè)量升高的溫度可檢測(cè)紅外吸收。（2）熱電檢測(cè)器熱電檢測(cè)器的響應(yīng)速率很快，可以跟蹤干涉儀隨時(shí)間的變化，故多用于傅立葉變換紅外光譜儀中。（3）光電導(dǎo)檢測(cè)器該檢測(cè)器用于中紅外區(qū)及遠(yuǎn)紅外區(qū)，這種檢測(cè)器比熱電檢測(cè)器靈敏，在FT-IR及GC/FT-IR儀器中獲得廣泛應(yīng)用。二、色散型紅外光譜儀色散型紅外光譜儀，又稱經(jīng)典紅外光譜儀。色散型儀器在紅外光譜儀出現(xiàn)后的很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)一直使用。該類儀器價(jià)格較低，掃描速度慢，分辨率低。色散型紅外光譜儀的原理示意圖色散型紅外光譜儀的光路圖色散型紅外光譜儀的特點(diǎn)：（1）為雙光束儀器，可以消除它們的影響；（2）單色器在樣品室之后，可以消除大部分散射光而不至于到達(dá)檢測(cè)器。（3）切光器轉(zhuǎn)動(dòng)頻率低，響應(yīng)速率慢，以消除檢測(cè)器周圍物體的紅外輻射。三、傅立葉變換紅外光譜儀目前幾乎所有的紅外光譜儀都是傅立葉變換型的。色散型儀器的主要不足是掃描速度慢，靈敏度低，分辨率低。因此色散型儀器自身局限性很大。1、傅立葉變換紅外光譜儀的構(gòu)成

光源發(fā)出的光被分束器分為兩束，一束經(jīng)反射到達(dá)動(dòng)鏡，另一束經(jīng)透射到達(dá)定鏡。兩束光分別經(jīng)定鏡和動(dòng)鏡反射再回到分束器。動(dòng)鏡以一恒定速度作直線運(yùn)動(dòng),因而經(jīng)分束器分束后的兩束光形成光程差，產(chǎn)生干涉。干涉光在分束器會(huì)合后通過樣品池，然后被檢測(cè)。四、紅外光譜測(cè)定中的樣品處理技術(shù)1、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)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。（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%左右為宜)，用注射器注入液池中進(jìn)行測(cè)定。（3）水溶液的簡(jiǎn)易測(cè)定法由于鹽片窗口怕水，因此一般水溶液不能測(cè)定紅外光譜。利用聚乙烯薄膜是水溶液紅外光譜測(cè)定的一種簡(jiǎn)易方法。2、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0.5～1.0mg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）調(diào)糊法固體樣品還可用調(diào)糊法(或重?zé)N油法，Nujol法)。將固體樣品(5～10mg)放入研缽中充分研細(xì)，滴1～2滴重?zé)N油調(diào)成糊狀，涂在鹽片上用組合窗板組裝后測(cè)定。（3）薄膜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。3、氣體樣品氣體樣品的測(cè)定可使用窗板間隔為2.5～10cm的大容量氣體池。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)使用池中的反射鏡，其作用是將光路長(zhǎng)增加到數(shù)十米。五、儀器的使用方法與日常維護(hù)1、使用方法：操作程序（傅立葉變換紅外光譜儀）：（1）接通電源，預(yù)熱，設(shè)置掃描參數(shù)；（2）待儀器穩(wěn)定后，掃描背景譜圖；（3）在樣品室放上待測(cè)樣品，掃描樣品譜圖；（4）對(duì)譜圖進(jìn)行優(yōu)化處理；（5）打印樣品分析譜圖；（6）關(guān)閉電源，清理實(shí)驗(yàn)臺(tái)，填寫儀器使用記錄。2、日常維護(hù)（1）紅外光譜實(shí)驗(yàn)室要求溫度適中，濕度不得超過60％，為此，要求實(shí)驗(yàn)室應(yīng)裝配空調(diào)和除濕機(jī)；（2）儀器應(yīng)放在防震的臺(tái)子上或安裝在震動(dòng)甚少的環(huán)境中；（3）儀器使用的電源要遠(yuǎn)離火花發(fā)射源和大功率磁電設(shè)備，采用穩(wěn)壓電源，并應(yīng)設(shè)置良好的接地線；（4）儀器在使用過程中，對(duì)光學(xué)鏡面必須嚴(yán)格防塵，防腐蝕，并且要特別防止機(jī)械磨擦。（5）光源使用溫度要適宜，不得過高，否則將縮短其壽命；（6）各運(yùn)動(dòng)部件要定期用潤(rùn)滑油潤(rùn)滑，以保持運(yùn)轉(zhuǎn)輕快；（7）儀器長(zhǎng)期不用，再用時(shí)要對(duì)其性能進(jìn)行全面檢查。專題項(xiàng)目3：紅外吸收光譜法的應(yīng)用一、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(dòng)產(chǎn)生的吸收，其吸收頻率對(duì)應(yīng)于分子的振動(dòng)頻率。大量實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，一定的官能團(tuán)總是對(duì)應(yīng)于一定的特征吸收頻率，這對(duì)于利用紅外譜圖進(jìn)行分子結(jié)構(gòu)鑒定具有重要意義。含氫官能團(tuán)(折合質(zhì)量小)、含雙鍵或叁鍵的官能團(tuán)(鍵力常數(shù)大)在官能團(tuán)區(qū)有吸收。如果待測(cè)化合物在某些官能團(tuán)應(yīng)該出峰的位置無吸收，則說明該化合物不含有這些官能團(tuán)。不含氫的單鍵(折合質(zhì)量大)、各鍵的彎曲振動(dòng)(鍵力常數(shù)小)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)是振動(dòng)頻率相差不大，振動(dòng)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(duì)照可以進(jìn)行最終確認(rèn)。指紋區(qū)還包含了分子的骨架振動(dòng)。二、紅外光譜的應(yīng)用紅外光譜主要用于有機(jī)化合物的結(jié)構(gòu)鑒定。如果從樣品的出處可以大致推測(cè)結(jié)構(gòu)，則確認(rèn)特定原子團(tuán)或原子團(tuán)間的結(jié)合就比較容易。通過測(cè)定已知物與待測(cè)樣品的紅外光譜進(jìn)行比較，兩者應(yīng)一致。1、紅外譜圖解析

（1）紅外光譜解析的三要素

在解析紅外光譜時(shí)，要同時(shí)注意吸收峰的位置、強(qiáng)度和峰形。（2）同一基團(tuán)的幾種振動(dòng)相關(guān)峰應(yīng)同時(shí)存在。任一官能團(tuán)由于存在伸縮振動(dòng)和多種彎曲振動(dòng)，因此，會(huì)在紅外譜圖的不同區(qū)域顯示出幾個(gè)相關(guān)吸收峰。（3）譜圖解析順序①根據(jù)質(zhì)譜、元素分析結(jié)果得到分子式。②可以先觀察官能團(tuán)區(qū)，找出存在的官能團(tuán)，再看指紋區(qū)。③根據(jù)官能團(tuán)及化學(xué)合理性，拼湊可能的結(jié)構(gòu)。④進(jìn)一步的