紅外光譜分析

1、第二章第二章紅外光譜分析紅外光譜分析2.1概述概述紅外光譜法（InfraredSpectroscopy）研究紅外光與物質(zhì)間相互作用的科學(xué)，即以連續(xù)變化的各種波長(zhǎng)的紅外光為光源照射樣品時(shí)，引起分子振動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)之間的躍遷，所測(cè)得的吸收光譜為分子的振轉(zhuǎn)光譜，又稱紅外光譜。傅里葉光譜法就是利用干涉圖和光譜圖之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，通過(guò)測(cè)量干涉圖和對(duì)干涉圖進(jìn)行傅里葉積分變換的方法來(lái)測(cè)定和研究光譜圖。和傳統(tǒng)的色散型光譜儀相比較，傅里葉光譜儀可以理解為以某

2、種數(shù)學(xué)方式對(duì)光譜信息進(jìn)行編碼的攝譜儀，它能同時(shí)測(cè)量、記錄所有譜元信號(hào)，并以更高的效率采集來(lái)自光源的輻射能量，從而使它具有比傳統(tǒng)光譜儀高得多的信噪比和分辨率；同時(shí)它的數(shù)字化的光譜數(shù)據(jù)，也便于數(shù)據(jù)的計(jì)算機(jī)處理和演繹。正是這些基本優(yōu)點(diǎn)，使傅里葉變換光譜方法發(fā)展為目前紅外和遠(yuǎn)紅外波段中最有力的光譜工具，并向近紅外、可見和紫外波段擴(kuò)展。紅外區(qū)可分為以下幾個(gè)區(qū)域如表2.1所示。表2.1紅外光譜區(qū)域的劃分區(qū)域波長(zhǎng)（λ，μm）波數(shù)（ν，cm1）能級(jí)躍遷

3、類近紅外區(qū)中紅外區(qū)遠(yuǎn)紅外區(qū)常用區(qū)域0.78～2.52.5～5050～10002.5～2512800～40004000～200200～104000～400NHOHCH倍頻區(qū)振動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)紅外光譜在化學(xué)領(lǐng)域中的主要用于兩方面，一是分子結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)研究，應(yīng)用紅外光譜可以測(cè)定分子的鍵長(zhǎng)、鍵角，以此推斷出分子的立體構(gòu)型；根據(jù)所得的力常數(shù)可以知道化學(xué)鍵的強(qiáng)弱；由簡(jiǎn)正頻率來(lái)計(jì)算熱力學(xué)函數(shù)。二是對(duì)物質(zhì)的化學(xué)組成的分析，用紅外光譜法可以根據(jù)光譜中吸收峰的位置

4、和形狀來(lái)推斷未知物結(jié)構(gòu)，依照特征吸收峰的強(qiáng)度來(lái)測(cè)定混合物中各組分的含量。物質(zhì)的紅外光譜是其分子結(jié)構(gòu)的反映，譜圖中的吸收峰與分子中各基團(tuán)的振動(dòng)形式相對(duì)應(yīng)。其中應(yīng)用最廣泛的還是化合物的結(jié)構(gòu)鑒定，根據(jù)紅外光譜的峰位、峰強(qiáng)及峰形判斷化合物中可能存在的官能團(tuán)，從而推斷出未知物的結(jié)構(gòu)。通過(guò)比較大量已知化合物的紅外光譜，發(fā)現(xiàn)組成分子的各種基團(tuán)，如OH、NH、CH、C=C、C=O和CC等，都有自己的特定的紅外吸收區(qū)域，分子的其它部分對(duì)其吸收位置影響較小

5、。通常把這種能代表基團(tuán)存在、并有較高強(qiáng)度的吸收譜帶稱為基團(tuán)頻率，其所在的位置一般又稱為特征吸收峰。另外除光學(xué)異構(gòu)體及長(zhǎng)鏈烷烴同系物外，幾乎沒(méi)有兩種化合物具有相同的紅外吸收光譜，即所謂紅外光譜具有“指紋性”，特征區(qū)：40001300cm1高頻區(qū)光譜與基團(tuán)的對(duì)應(yīng)關(guān)系強(qiáng)，指紋區(qū)：1300400cm1低頻區(qū)光譜與基團(tuán)不能一一對(duì)應(yīng)，其價(jià)值在于表示整個(gè)分子的特征。因此紅外光譜法是有機(jī)藥物結(jié)構(gòu)測(cè)定和鑒定的重要方法之一。紅外光譜是由于分子振動(dòng)能級(jí)（同時(shí)

6、伴隨轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)）躍遷而產(chǎn)生的，物質(zhì)吸收紅外輻射應(yīng)滿足兩個(gè)條件：第一輻射具有的能量應(yīng)能滿足物質(zhì)產(chǎn)生振動(dòng)躍遷所需的能量；第二輻射與物質(zhì)間有相互偶合作用。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，具備紅外活性。因紅外吸收只有振轉(zhuǎn)躍遷，所以能量低，且應(yīng)用范圍廣，幾乎所有有機(jī)物均有紅外吸收；更精細(xì)的表征分子結(jié)構(gòu)，通過(guò)紅外光譜的波數(shù)位置、波峰數(shù)目及強(qiáng)度確定分子基團(tuán)、分子結(jié)構(gòu)；分析速度快，2.3

7、.1儀器的基本構(gòu)成儀器的基本構(gòu)成1）光源：光源能發(fā)射出穩(wěn)定、高強(qiáng)度連續(xù)波長(zhǎng)的紅外光，通常使用能斯特（Nernst）燈、碳化硅或涂有稀土化合物的鎳鉻旋狀燈絲。2）干涉儀：邁克爾遜（Michelson）干涉儀的作用是將復(fù)色光變?yōu)楦缮婀狻Ｖ屑t外干涉儀中的分束器主要是由溴化鉀材料制成的；近紅外分束器一般以石英和CaF2為材料；遠(yuǎn)紅外分束器一般由Mylar膜和網(wǎng)格固體材料制成。3）檢測(cè)器：檢測(cè)器一般分為熱檢測(cè)器和光檢測(cè)器兩大類。熱檢測(cè)器是把某些熱

8、電材料的晶體放在兩塊金屬板中，當(dāng)光照射到晶體上時(shí)，晶體表面電荷分布變化，由此可以測(cè)量紅外輻射的功率。熱檢測(cè)器有氘代硫酸三甘肽（DTGS）、鉭酸鋰（LiTaO3）等類型。光檢測(cè)器是利用材料受光照射后，由于導(dǎo)電性能的變化而產(chǎn)生信號(hào)，最常用的光檢測(cè)器有銻化煙、汞鎘碲等類型。2.3.2工作原理工作原理用一定頻率的紅外線聚焦照射被分析的試樣，如果分子中某個(gè)基團(tuán)的振動(dòng)頻率與照射紅外線相同就會(huì)產(chǎn)生共振，這個(gè)基團(tuán)就吸收一定頻率的紅外線，把分子吸收的紅外