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单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第,10,章 红外吸收光谱法,Infrared spectrometry,10.1,概述,1.,定义,红外光谱又称分子振动转动光谱，属分子吸收光谱。,样品受到频率连续变化的红外光照射时，分子吸收其中一些频率的辐射，分子振动或转动引起偶极矩的净变化，使振,-,转能级从基态跃迁到激发态，相应于这些区域的透射光强减弱，记录百分透过率,T%,对波数或波长的曲线，即红外光谱。,主要用于化合物鉴定及分子结构表征，亦可用于定量分析。,光谱区与能量相关图,双原子分子能级跃迁示意图,红外光谱的表示方法：,红外光谱以,T,或,T,来表示，下图为,苯酚,的红外光谱。,T(%),2.,红外光区划分,红外光谱,(0.751000,m),远红外,(,转动区,),(25-1000,m),中红外,(,振动区,),(2.525,m),近红外,(,泛频）,(0.752.5,m),倍频,分子振动转动,分子转动,分区及波长范围 跃迁类型,（常用区）,3.,红外光谱特点,1,）红外吸收只有振,-,转跃迁，能量低；,2,）应用范围广：除单原子分子及单核分子外，几乎所有有机物均有红外吸收；,3,）分子结构更为精细的表征：通过,IR,谱的波数位置、波峰数目及强度确定分子基团、分子结构；,4,）定量分析；,5,）固、液、气态样均可用，且用量少、不破坏样品；,6,）分析速度快。,7,）与色谱等联用,（,GC-FTIR,）,具有强大的定性功能。,10.2,基本原理,产生红外吸收的条件,条件一：,辐射光子的能量应与振动跃迁所需能量相等。,根据量子力学原理，分子振动能量,E,振,是量子化的，即,E,振,=,（,V+1/2,）,h,为分子振动频率，,V,为振动量子数，其值取,0,，,1,，,2,，,分子中不同振动能级差为,E,振,=Vh,吸收光子的能量（,h,a,）要与该能量差相等，即,a,=V,时，才可,能发生振转跃迁。,例如当分子从基态（,V=0,）跃迁到第一激发态（,V=1,），此时,V=1,，即,a,=,条件二：,辐射与物质之间必须有耦合作用,磁场,电场,交变磁场,分子固有振动,a,偶极矩变化,（能级跃迁）,耦合,不耦合,红外吸收,无偶极矩变化,无红外吸收,2.,分子振动,1,）双原子分子振动,分子的两个原子以其平衡点为中心，以很小的振幅（与核间距相比）作周期性“简谐”振动，其振动可用经典刚性振动描述：,k,为化学键的力常数（,N/cm=mdyn/,），为双原子折合质量,如将原子的实际折合质量（通过,Avogaro,常数计算）代入，则有,影响基本振动跃迁的波数或频率的直接因素为化学键力常数,k,和原子质量。,k,大，化学键的振动波数高,.,如,:,kCC(2222cm-1)kC=C(1667cm-1)kC-C(1429cm-1),（,质量相近）,质量,m,大，化学键的振动波数低,.,如,:,mC-C(1430cm-1)mC-N(1330cm-1),五元环,六元环。随环张力增加，红外峰向高波数移动。,6,）物质状态及制样方法,通常，物质由固态向气态变化，其波数将增加。如丙酮在液态时，,C=O,=1718cm,-1,;,气态时,C=O,=1742cm,-1,，,因此在查阅标准红外图谱时，应注意试样状态和制样方法,。,7,）溶剂效应,极性基团的伸缩振动频率通常随溶剂极性增加而降低。如羧酸中的羰基,C=O,：,气态时：,C=O,=1780cm,-1,非极性溶剂：,C=O,=1760cm,-1,乙醚溶剂：,C=O,=1735cm,-1,乙醇溶剂：,C=O,=1720cm,-1,因此红外光谱通常需在非极性溶剂中测量。,10.3,红外光谱仪,目前有两类红外光谱仪,:,色散型和干涉型,（傅立叶变换红外光谱仪,),（,Fourier Transfer,FT,）,一、色散型与双光束,UV-Vis,仪器类似，但部件材料和,顺序不同,。,红外光谱仪的测量光路,1.,光源,常用的红外光源有,Nernst,灯和硅碳棒。,2.,吸收池,红外吸收池使用可透过红外的材料制成窗片；不同的样品状态（固、液、气态）使用不同的样品池，固态样品可与晶体混合压片制成。,3.,单色器,由色散元件、准直镜和狭缝构成。其中可用几个光栅来增加波数范围，狭缝宽度应可调。,狭缝越窄，分辨率越高，但光源到达检测器的能量输出减少，这在红外光谱分析中尤为突出。为减少长波部分能量损失，改善检测器响应，通常采取,程序增减狭缝宽度,的办法，即随辐射能量降低，狭缝宽度自动增加，保持到达检测器的辐射能量的恒定。,4.,检测器及记录仪,红外光能量低，因此常用热电偶、测热辐射计、热释电检测器和碲镉汞检测器等。,几种红外检测器,以光栅为分光元件的红外光谱仪不足之处：,1,）需采用狭缝，光能量受到限制；,2,）扫描速度慢，不适于动态分析及和其它仪器联用；,3,）不适于过强或过弱的吸收信号的分析。,二、傅立叶红外光谱仪,它是利用光的相干性原理而设计的干涉型红外分光光度仪。,单色光,单色光,二色光,多色光,多色干涉光经样品吸收后的干涉图,(a),及其,Fourier,变换后的红外光谱图,(b),Nicolet,公司的,AVATAR 360 FT-IR,仪器外观图片,仪器内部结构,10.4,试样制备,一、对试样的要求,1,）试样应为“纯物质”（,98%,），通常在分析前，样品需要纯化；,对于,GC-FTIR,则无此要求。,2,）试样不含有水（水可产生红外吸收且可侵蚀盐窗）；,3,）试样浓度或厚度应适当，以使,T,在合适范围。,二、制样方法,液体或溶液试样,1,）沸点低易挥发的样品：液体池法。,2,）高沸点的样品：液膜法（夹于两盐片之间）。,3,）固体样品可溶于,CS,2,或,CCl,4,等无强吸收的溶液中。,固体试样,1,）压片法：,12mg,样,+,200mg KBr,干燥处理,研细：粒度小,于,2 m,（散射小）,混合压成透明薄片,直接测定；,2,）石蜡糊法：试样,磨细,与液体石蜡混合,夹于盐片间；,石蜡为高碳数饱和烷烃，因此该法不适于研究饱和烷烃。,3,）薄膜法：,高分子试样,加热熔融,涂制或压制成膜；,高分子试样,溶于低沸点溶剂,涂渍于盐片,挥发除溶剂,样品量少时，采用光束聚光器并配微量池。,10.5,应用简介,一、定性分析,1.,已知物的签定,将试样谱图与标准谱图对照或与相关文献上的谱图对照。,2.,未知物结构分析,如果化合物不是新物质，可将其红外谱图与标准谱图对照（查对）,如果化合物为新物质，则须进行光谱解析，其步骤为：,1,）该化合物的信息收集：试样来源、熔点、沸点、折光率、旋光率等；,2,）不饱和度的计算：,通过元素分析得到该化合物的分子式，并求出其不饱和度过,.,=,（,2+2,n,4,+,n,3,n,1,）,/2,=0,时，分子是饱和的，分子为链状烷烃或其不含双键的衍生物；,=1,时，分子可能有一个双键或脂环；,=3,时，分子可能有两个双键或脂环；,=4,时，分子可能有一个苯环。,一些杂原子如,S,、,O,不参加计算。,3,）查找基团频率，推测分子可能的基团；,4,）查找红外指纹区，进一步验证基团的相关峰；,5,）能过其它定性方法进一步确证：,UV-V is,、,MS,、,NMR,、,Raman,等。,
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