1、第第3章章 紅外光譜法紅外光譜法 （Infrared Analysis, IR） 3.1 概述概述 3.2 基本原理基本原理 1. 產(chǎn)生紅外吸收的條件產(chǎn)生紅外吸收的條件 2. 分子振動分子振動 3. 譜帶強度譜帶強度 4. 振動頻率振動頻率 5. 影響基團頻率的因素影響基團頻率的因素 3.3 紅外光譜儀器紅外光譜儀器 3.4 試樣制備試樣制備 3.5 應用簡介應用簡介 3.1 概述概述 1. 定義：紅外光譜又稱分子振動轉動光譜，屬分子吸收光定義：紅外光譜又稱分子振動轉動光譜，屬分子吸收光 譜。樣品受到頻率連續(xù)變化的紅外光照射時，分子吸收譜。樣品受到頻率連續(xù)變化的紅外光照射時，分子吸收 其中一些

2、頻率的輻射，其中一些頻率的輻射，分子振動或轉動引起偶極矩的凈分子振動或轉動引起偶極矩的凈 變化變化，使振，使振-轉能級從基態(tài)躍遷到激發(fā)態(tài)，相應于這些區(qū)轉能級從基態(tài)躍遷到激發(fā)態(tài)，相應于這些區(qū) 域的透射光強減弱，記錄百分透過率域的透射光強減弱，記錄百分透過率T%對波數(shù)或波長對波數(shù)或波長 的曲線，即為紅外光譜。的曲線，即為紅外光譜。 主要用于化合物鑒定及分子結構表征，亦可用于定主要用于化合物鑒定及分子結構表征，亦可用于定 量分析。量分析。 t0 I*MM)I(h 躍遷躍遷分子振動轉動分子振動轉動 連續(xù)連續(xù) 紅外光譜的表示方法：紅外光譜的表示方法： 紅外光譜以紅外光譜以T 或或T 來表示，下圖為苯酚的

3、紅外光譜。來表示，下圖為苯酚的紅外光譜。 T(%) )/(10/ 41 mcm 注意換算公式：注意換算公式： 2. 紅外光區(qū)劃分紅外光區(qū)劃分 紅外光譜紅外光譜 (0.751000 m) 遠紅外遠紅外(轉動區(qū)轉動區(qū)) (25-1000 m) 中紅外中紅外(振動區(qū)振動區(qū)) (2.525 m) 近紅外近紅外(泛頻）泛頻） (0.752.5 m) 倍頻倍頻 分子振動轉動分子振動轉動 分子轉動分子轉動 分區(qū)及波長范圍分區(qū)及波長范圍 躍遷類型躍遷類型 （常用區(qū)）（常用區(qū)） 131584000/cm-1 40010/cm-1 4000400/cm-1 That is 0.75-1000 m ( 1m = 1

4、0-4cm) FIR 0.75-2.5 m MIR 2.5-25 m (4000-400cm-1 ) NIR 25-1000 m Wave number () = 104 / (m ) Type of Radiation Frequency Range (Hz) Wavelength RangeType of Transition gamma-rays1020-10241 pmnuclear X-rays1017-10201 nm-1 pminner electron ultraviolet1015-1017400 nm-1 nmouter electron visible4-7.5x1014

5、750 nm-400 nmouter electron near-infrared1x1014-4x10142.5 m-750 nmouter electron molecular vibrations infrared1013-101425 m-2.5 mmolecular vibrations microwaves3x1011-10131 mm-25 m molecular rotations, electron spin flips* radio waves1 mmnuclear spin flips* 3. 紅外光譜特點紅外光譜特點 1）紅外吸收只有振）紅外吸收只有振-轉躍遷，能量低；

6、轉躍遷，能量低； 2）應用范圍廣：除單原子分子及單核分子外，幾乎所有有）應用范圍廣：除單原子分子及單核分子外，幾乎所有有 機物均有紅外吸收；機物均有紅外吸收； 3）分子結構更為精細的表征：通過）分子結構更為精細的表征：通過IR譜的波數(shù)位置、波峰譜的波數(shù)位置、波峰 數(shù)目及強度確定分子基團、分子結構；數(shù)目及強度確定分子基團、分子結構； 4）定量分析；）定量分析； 5）固、液、氣態(tài)樣均可用，且用量少、不破壞樣品；）固、液、氣態(tài)樣均可用，且用量少、不破壞樣品； 6）分析速度快。）分析速度快。 7）與色譜等聯(lián)用）與色譜等聯(lián)用（GC-FTIR）具有強大的定性功能。具有強大的定性功能。 3.2 基本原理基本

7、原理 1. 產(chǎn)生紅外吸收的條件產(chǎn)生紅外吸收的條件 分子吸收輻射產(chǎn)生振轉躍遷必須滿足兩個條件：分子吸收輻射產(chǎn)生振轉躍遷必須滿足兩個條件： 條件一：條件一：輻射光子的能量應與振動躍遷所需能量相等。輻射光子的能量應與振動躍遷所需能量相等。 根據(jù)量子力學原理，分子振動能量根據(jù)量子力學原理，分子振動能量Ev 是量子化的，即是量子化的，即 EV=（V+1/2）h 為分子振動頻率，為分子振動頻率，V為振動量子數(shù)，其值取為振動量子數(shù)，其值取 0，1，2， 分子中不同振動能級差為分子中不同振動能級差為 EV= Vh 也就是說，只有當也就是說，只有當 EV=Ea或者或者 a= V 時，才可能發(fā)生振轉躍時，才可能發(fā)

8、生振轉躍 遷。遷。例如當分子從基態(tài)（例如當分子從基態(tài)（V=0）躍遷到第一激發(fā)態(tài)（）躍遷到第一激發(fā)態(tài)（V=1），此時），此時 V=1，即，即 a= 條件二：條件二：輻射與物質(zhì)之間必須有耦合作用輻射與物質(zhì)之間必須有耦合作用 磁場磁場 電場電場 交變磁場交變磁場 分子固有振動分子固有振動 a a 偶極矩變化偶極矩變化 （能級躍遷）（能級躍遷） 耦合耦合 不耦合不耦合 紅外吸收紅外吸收 無偶極矩變化無偶極矩變化無紅外吸收無紅外吸收 2. 分子振動分子振動 1）雙原子分子振動）雙原子分子振動 分子的兩個原子以其平衡點為中心，以很小的振幅（與核間距相比）分子的兩個原子以其平衡點為中心，以很小的振幅（與核間

9、距相比） 作周期性作周期性“簡諧簡諧”振動，其振動可用經(jīng)典剛性振動描述：振動，其振動可用經(jīng)典剛性振動描述： k為化學鍵的力常數(shù)為化學鍵的力常數(shù)（dyn/cm) ; c=3 1010cm/s; 為雙原子折合質(zhì)量為雙原子折合質(zhì)量 如折合質(zhì)量如折合質(zhì)量 以原子質(zhì)量為單位；以原子質(zhì)量為單位；k以以mdyn/為單位。則有：為單位。則有： k c2 1 )(. k 2 1 )( 波波數(shù)數(shù)或或頻頻率率 )( 21 21 g mm mm ). A N) A N c (其中: )(cm r A k A /N r A k c 23 10236; 5 10 2 1 1307 1 1307 2 1 例如：例如：HCl

10、分子分子k=5.1 mdyn/，則，則HCl的振動頻率為：的振動頻率為： 對于對于C-H：k=5 mdyn/; =2920 cm-1 對于對于C=C，k=10 mdyn/, =1683 cm-1 對于對于C-C，k=5 mdyn/； =1190 cm-1 1 1 9 .2885 2993 )0 . 15 .35/()0 . 15 .35/(1 . 51307 cm cm 實測值為實測值為 =1 =6 影響基本振動躍遷的波數(shù)或頻率的直接因素為化學鍵力常數(shù)影響基本振動躍遷的波數(shù)或頻率的直接因素為化學鍵力常數(shù) k 和原子質(zhì)量。和原子質(zhì)量。 k 大，化學鍵的振動波數(shù)高，如大，化學鍵的振動波數(shù)高，如:

11、kC C(2222cm-1)kC=C(1667cm-1)kC-C(1429cm-1)（質(zhì)量相近）質(zhì)量相近） 質(zhì)量質(zhì)量m大，化學鍵的振動波數(shù)低，如大，化學鍵的振動波數(shù)低，如: mC-C(1430cm-1)mC-N(1330cm-1)五元環(huán)五元環(huán)六元六元 環(huán)。隨環(huán)張力增加，紅外峰向高波數(shù)移動。環(huán)。隨環(huán)張力增加，紅外峰向高波數(shù)移動。 6）物質(zhì)狀態(tài)及制樣方法）物質(zhì)狀態(tài)及制樣方法 通常，物質(zhì)由固態(tài)向氣態(tài)變化，其波數(shù)將增加。如丙酮在液通常，物質(zhì)由固態(tài)向氣態(tài)變化，其波數(shù)將增加。如丙酮在液 態(tài)時，態(tài)時， C=O=1718cm-1; 氣態(tài)時氣態(tài)時 C=O=1742cm-1，因此在查閱標準紅因此在查閱標準紅 外圖

12、譜時，應注意試樣狀態(tài)和制樣方法外圖譜時，應注意試樣狀態(tài)和制樣方法。 7）溶劑效應）溶劑效應 極性基團的伸縮振動頻率通常隨溶劑極性增加而降低。如羧極性基團的伸縮振動頻率通常隨溶劑極性增加而降低。如羧 酸中的羰基酸中的羰基C=O： 氣態(tài)時：氣態(tài)時： C=O=1780cm-1 非極性溶劑：非極性溶劑： C=O=1760cm-1 乙醚溶劑：乙醚溶劑： C=O=1735cm-1 乙醇溶劑：乙醇溶劑： C=O=1720cm-1 因此紅外光譜通常需在非極性溶劑中測量。因此紅外光譜通常需在非極性溶劑中測量。 3.3 紅外光譜儀紅外光譜儀 目前有兩類紅外光譜儀：色散型和傅立葉變換型（目前有兩類紅外光譜儀：色散型

13、和傅立葉變換型（Fourier Transfer, FT） 一、色散型：與雙光束一、色散型：與雙光束UV-Vis儀器類似，但部件材料和儀器類似，但部件材料和順序不同順序不同。 調(diào)節(jié)調(diào)節(jié) T% 或稱基線調(diào)平器或稱基線調(diào)平器 置于吸收池之后可置于吸收池之后可 避免雜散光的干擾避免雜散光的干擾 1. 光源光源 常用的紅外光源有常用的紅外光源有Nernst燈和硅碳棒。燈和硅碳棒。 類型類型 制作材料制作材料 工作溫度工作溫度 特特 點點 Nernst 燈燈 Zr, Th, Y 氧化氧化物物 1700oC 高波數(shù)區(qū)高波數(shù)區(qū)（ 1000cm-1）有有 更更強強的的發(fā)發(fā)射射；穩(wěn)定性好；穩(wěn)定性好； 機械強度差

14、；機械強度差； 但但價格較高價格較高。 硅碳棒硅碳棒 SiC 1200-1500oC 低波數(shù)區(qū)低波數(shù)區(qū)光光強強較較大大；波波數(shù)數(shù) 范圍范圍更更廣廣； 堅固、發(fā)光面積大堅固、發(fā)光面積大。 2. 吸收池吸收池 紅外吸收池使用可透過紅外的材料制成窗片；不同的樣品狀紅外吸收池使用可透過紅外的材料制成窗片；不同的樣品狀 態(tài)（固、液、氣態(tài)）使用不同的樣品池，固態(tài)樣品可與晶體混態(tài)（固、液、氣態(tài)）使用不同的樣品池，固態(tài)樣品可與晶體混 合壓片制成。合壓片制成。 材材 料料 透透光光范圍范圍/ m 注注 意意 事事 項項 NaCl 0.2-25 易易潮潮解解、濕度濕度低低于于 40% KBr 0.25-40 易易

15、潮潮解解、濕度濕度低低于于 35% CaF2 0.13-12 不不溶溶于于水水，用用于于水水溶溶液液 CsBr 0.2-55 易易潮潮解解 TlBr + TlI 0.55-40 微微溶溶于于水水（有有毒毒） 3. 單色器單色器 由色散元件、準直鏡和狹縫構成。其中可用幾個光柵來增加由色散元件、準直鏡和狹縫構成。其中可用幾個光柵來增加 波數(shù)范圍，狹縫寬度應可調(diào)。波數(shù)范圍，狹縫寬度應可調(diào)。 狹縫越窄，分辨率越高，但光源到達檢測器的能量輸出減少，狹縫越窄，分辨率越高，但光源到達檢測器的能量輸出減少， 這在紅外光譜分析中尤為突出。為減少長波部分能量損失，改這在紅外光譜分析中尤為突出。為減少長波部分能量損

16、失，改 善檢測器響應，通常采取善檢測器響應，通常采取程序增減狹縫寬度程序增減狹縫寬度的辦法，即隨輻射的辦法，即隨輻射 能量降低，狹縫寬度自動增加，保持到達檢測器的輻射能量的能量降低，狹縫寬度自動增加，保持到達檢測器的輻射能量的 恒定。恒定。 4. 檢測器及記錄儀檢測器及記錄儀 紅外光能量低，因此常用熱電偶、測熱輻射計、熱釋電檢測紅外光能量低，因此常用熱電偶、測熱輻射計、熱釋電檢測 器和碲鎘汞檢測器等。器和碲鎘汞檢測器等。 紅外檢測器紅外檢測器 原理原理 構成構成 特點特點 熱電偶熱電偶 溫 差 熱 電溫 差 熱 電 效應效應 涂黑金箔（接受面）連接金屬（熱接涂黑金箔（接受面）連接金屬（熱接 點

17、）與導線（冷接端）形成溫差。點）與導線（冷接端）形成溫差。 光光譜譜響響應應寬寬且且一一致致性性 好好、靈敏靈敏度度高高、受受熱熱噪噪 音音影響影響大大 測熱輻射計測熱輻射計 電橋平衡電橋平衡 涂黑金箔（接受面）作為惠斯頓電橋涂黑金箔（接受面）作為惠斯頓電橋 的一臂，當接受面溫度改變，電阻改的一臂，當接受面溫度改變，電阻改 變，電橋輸出信號。變，電橋輸出信號。 穩(wěn)定穩(wěn)定、中中等等靈敏度靈敏度、較較 寬寬線線性性范圍范圍、受受熱熱噪噪音音 影響影響大大 熱釋電檢測熱釋電檢測 器器（TGS） 半 導 體半 導 體 熱熱 電效應電效應 硫酸三甘酞（硫酸三甘酞（TGS）單晶片受熱，溫）單晶片受熱，溫

18、度上升，其表面電荷減少，度上升，其表面電荷減少，即即 TGS 釋放了部分電荷，該電荷經(jīng)放大并記釋放了部分電荷，該電荷經(jīng)放大并記 錄。錄。 響應極快，可進行高速響應極快，可進行高速 掃描（中紅外區(qū)只需掃描（中紅外區(qū)只需 1s） 。適于） 。適于 FT-IR。 碲鎘汞檢測碲鎘汞檢測 器器（MCT） 光電導；光電導； 光伏光伏效應效應 混合物混合物 Hg1-xCdxTe 對光的響應對光的響應 靈敏度高、響應快、可靈敏度高、響應快、可 進行高速掃描。進行高速掃描。 幾種紅外檢測器幾種紅外檢測器 以光柵為分光元件的紅外光譜儀不足之處：以光柵為分光元件的紅外光譜儀不足之處： 1）需采用狹縫，光能量受到限制

19、；）需采用狹縫，光能量受到限制； 2）掃描速度慢，不適于動態(tài)分析及和其它儀器聯(lián)用；）掃描速度慢，不適于動態(tài)分析及和其它儀器聯(lián)用； 3）不適于過強或過弱的吸收信號的分析。）不適于過強或過弱的吸收信號的分析。 二、傅立葉紅外光譜儀二、傅立葉紅外光譜儀 它是利用光的相干性原理而設計的干涉型紅外分光光度儀。它是利用光的相干性原理而設計的干涉型紅外分光光度儀。 儀器組成為：儀器組成為： 紅外光源 擺動的 凹面鏡 擺動的 凹面鏡 邁克爾遜 干擾儀 檢測器 樣品池 參比池 同步擺動 干涉圖譜 計算機 解析 紅外譜圖 還原 M1 BS I II M2 D 單色光單色光 單色光單色光 二色光二色光 多色光多色光

20、 單、雙及多色光的干涉示意圖單、雙及多色光的干涉示意圖 多色干涉光經(jīng)樣品吸收后的干涉圖多色干涉光經(jīng)樣品吸收后的干涉圖(a)及其及其Fourier變換后的紅外光譜圖變換后的紅外光譜圖(b) 3.4 試樣制備試樣制備 一、對試樣的要求一、對試樣的要求 1）試樣應為）試樣應為“純物質(zhì)純物質(zhì)”（98%），通常在分析前，樣品需要純化；），通常在分析前，樣品需要純化； 對于對于GC-FTIR則無此要求。則無此要求。 2）試樣不含有水（水可產(chǎn)生紅外吸收且可侵蝕鹽窗）；）試樣不含有水（水可產(chǎn)生紅外吸收且可侵蝕鹽窗）； 3）試樣濃度或厚度應適當，以使）試樣濃度或厚度應適當，以使T在合適范圍。在合適范圍。 二、制

21、樣方法二、制樣方法 液體或溶液試樣液體或溶液試樣 1）沸點低易揮發(fā)的樣品：液體池法。）沸點低易揮發(fā)的樣品：液體池法。 2）高沸點的樣品：液膜法（夾于兩鹽片之間）。）高沸點的樣品：液膜法（夾于兩鹽片之間）。 3）固體樣品可溶于）固體樣品可溶于CS2或或CCl4等無強吸收的溶液中。等無強吸收的溶液中。 固體試樣固體試樣 1）壓片法：）壓片法：12mg樣樣+200mg KBr干燥處理干燥處理研細：粒度小研細：粒度小 于于 2 m（散射?。ㄉ⑸湫。┗旌蠅撼赏该鞅∑旌蠅撼赏该鞅∑苯訙y定；直接測定； 2）石蠟糊法：試樣）石蠟糊法：試樣磨細磨細與液體石蠟混合與液體石蠟混合夾于鹽片間；夾于鹽片間； (石

22、蠟為高碳數(shù)飽和烷烴，因此該法不適于研究飽和烷烴石蠟為高碳數(shù)飽和烷烴，因此該法不適于研究飽和烷烴)。 3）薄膜法：）薄膜法： 高分子試樣高分子試樣加熱熔融加熱熔融涂制或壓制成膜；涂制或壓制成膜； 高分子試樣高分子試樣溶于低沸點溶劑溶于低沸點溶劑涂漬于鹽片涂漬于鹽片揮發(fā)除溶劑揮發(fā)除溶劑 樣品量少時，采用光束聚光器并配微量池。樣品量少時，采用光束聚光器并配微量池。 3.5 應用簡介應用簡介 一、定性分析一、定性分析 1. 已知物的簽定已知物的簽定 將試樣譜圖與標準譜圖對照或與相關文獻上的譜圖對照。將試樣譜圖與標準譜圖對照或與相關文獻上的譜圖對照。 2. 未知物結構分析未知物結構分析 如果化合物不是新物質(zhì)，可將其紅外譜圖與標準譜圖對照（查對）如果化合物不是新物質(zhì)，可將其紅外譜圖與標準譜圖對照（查對） 如果化合物為新物質(zhì)，則須進行光譜解析，其步驟為：如果化合物為新物質(zhì)，則須進行光譜解析，其步驟為： 1）該化合物的信息收集：試樣來源、熔點、沸點、