FTIR红外光谱原理及图谱解析

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1、红外光谱简单介绍 布鲁克光谱仪器公司陆兴军 当一束红外光射到物质上 可能发生 吸收 透过 反射 散射或者激发荧光 即拉曼效应 FT IR 基本原理 红外光 不同波段的光连接起来构成成了整个光谱范围 FT IR 基本原理 红外光 红外光 光的辐射可以看作是波的运动 波长 是两个连续峰之间的距离 频率 是每秒光波通过的数目 c 光在真空中的速度 在红外中 经常使用的是波数 cm 1 FT IR 基本原理 红外光谱仪 每一台傅立叶变换红外光谱仪 由以下几部分构成 一个光源 一个干涉仪 分束器是它的一部分 以及一个检测器 FT IR 基本原理 到样品 红外光源发出的光束 红外光谱仪 干涉仪是红外光谱仪

2、的心脏部件 在干涉仪的出口 两束有光程差的光发生干涉 然后到样品 FT IR 基本原理 干涉仪 动镜移动距离为n 2 即光程差为n 时 干涉仪 单色光说明 FT IR 基本原理 动镜移动距离为n 4 即光程差为n 2 时 干涉仪 单色光说明 干涉仪 FT IR 基本原理 干涉图 以单色光说明 因为动镜以一定的速度 移动 检测器上得到的信号是正弦波信号 光束强度 在波数 光源经过仪器调制后 分束器效率 检测器和放大器的响应 的强度 波数 光程差 动镜移动速率 cm sec 时间 sec 得到的AC组分I 就是所谓的干涉图 FT IR 基本原理 HeNe激光用来控制动镜的位置 单色光束 波长为63

3、2 8nm 动镜 FT IR 基本原理 干涉图 非单色光 多色光源 例如中红外的Globar光源或近红外的钨灯 许多连续波数 即频率 的光同时发射 检测器检测得到的干涉图是每一个波数的干涉图的矢量和 理论上 我们可以从 到 范围 得到一张完整谱图 而且可以任何分辨率 为了满足上述要求 我们必须做到 动镜的移动距离可以无限远 数据采样间隔无限小 相应的谱图 FT IR 基本原理 只是测试整个谱图范围的一部分 采用不同的光源 分束器以及检测器 分辨率受到限制 切趾函数 技术限制 解决方案 相应问题 旁瓣峰 牺牲谱图的分辨率 采用光圈 采样间隔不能无限小 基于HeNe激光 带宽限制有折叠可能 满足N

4、yquist采样条件 尖桩篱栅效应 谱图充零 得到的干涉图不是对称的 相位问题 相位校正 技术局限 事实上 分辨率 带宽以及采样间隔受到谱仪的限制 FT IR 基本原理 谱图范围 谱图范围的选择 决定了仪器采用的光学组件 FT IR 基本原理 分辨率 两个不同频率的单色光 得到的干涉图以及相应的谱图 FT IR 基本原理 分辨率 FT IR 基本原理 切趾 旁瓣 FT IR 基本原理 切趾来减小旁瓣峰的强度 牺牲分辨率 切趾 旁瓣峰引起峰强度的变化 旁瓣峰削弱了主峰的强度 这意味 切趾函数的选择取决于所需的分辨率 FT IR 基本原理 带宽 波长 632nm 带宽 31 600cm 1 干涉图

5、数据的采集 HeNe激光信号也用来控制干涉图数据的采集 在激光正弦波过零点时采集数据 FT IR 基本原理 为了避免假峰 必须满足Nyquist采样条件 折叠 干涉图数据的采集 FT IR 基本原理 干涉图数据的采集 Nyquist采样条件 任何谱图数据的采集的采样频率必须等于或大于谱图带宽的两倍 我们是采用激光来控制采样间隔 因为激光的波长为632 8nm 最大测试波长为31 600cm 1 632 8nm 2 316 4nm31 600cm 1 FT IR 基本原理 如果不满足上述条件 就会出现假峰 干涉图数据的采集 Nyquist采样条件 任何谱图数据的采集的采样频率必须等于或大于谱图带

6、宽的两倍 FT IR 基本原理 尖桩篱栅效应 谱图是根据ADC得到的干涉图经过傅立叶变换得到的 在干涉图测试数据点之间 我们必须进行数学插值 这个过程 透光率的准确度受到影响 干涉图数据的采集 FT IR 基本原理 为了避免尖桩篱栅效应 在FT变换之前必须在干涉图的尾部增加强度值为0的数据点 这个过程就是所谓 充零 尖桩篱栅效应 干涉图数据的采集 FT IR 基本原理 采集样品信号 打开测试窗口 Checksignal 采集背景 调整附件 使得光通量最大 测试 FT IR 基本原理 没有干涉图 只是一根直线 Checksignal 检查样品仓 光路是否有东西挡住了光路 清理光路 有 问题 没有

7、干涉图 FT IR 基本原理 检查最大值 峰 的位置 OpticSetupandServiceInterferometer AQPAbsolutePeakPosition 用箭头改变扫描范围 使得干涉图的最大值 峰 在显示范围内 没有干涉图 只是一根直线 检查扫描范围 Checksignal对话框 显示在合适的范围内 Checksignal 不 问题 没有干涉图 FT IR 基本原理 检查IR光源参数 OpticSourceSetting MIRSource 关闭仪器 更换光源 没有干涉图 只是一根直线 检查IR光源 取出光源 警告 光源是热的 发光吗 Checksignal 不 OK 问题

8、没有干涉图 FT IR 基本原理 没有信号 Checksignal 检查动镜扫描灯 闪绿灯 关闭OPUS NT 仪器关闭 几秒钟后 重新开启仪器 启动OPUS NT 不 是红灯 问题 没有干涉图 FT IR 基本原理 没有信号 Checksignal 检查干涉仪的动镜扫描灯 闪绿灯 更换HeNe激光管 不 是红灯 问题 没有干涉图 FT IR 基本原理 Bruker光谱仪 FT IR 基本原理 谱图解析 正己烷 正己烷最常见的有机化合物 谱图解析 正己烷 这个样品是液体样品 夹在两个KBr窗片之间得到的谱图 从谱图上来看 这个化合物的红外吸收峰比较宽 表明该化合物是一个饱和化合物 由于饱和化合

9、物有很多低能量的构象 每一种构象吸收峰的位置有一定的差异 谱峰的加宽是由于不同构象的峰叠加而成的 谱图解析 正己烷 谱图的解析一般从高波数开始 因为高波数谱峰频率与基团一一对应 而且最容易解释 在3000cm 1以上没有吸收峰 表明没有不饱和的C H伸缩振动 在3000cm 1以下的四个峰是饱和C H伸缩振动峰 谱图解析 正己烷 在2962cm 1处的峰是CH3基团的反对称伸缩振动 这种反对称伸缩振动范围2962 10cm 1 事实上 存在两个简并的反对称伸缩振动 显示其中一个 谱图解析 正己烷 在2926cm 1处 是CH2的不对称伸缩振动峰 一般在2926 10cm 1范围内 谱图解析 正

10、己烷 2872cm 1处是CH3的对称伸缩振动峰 一般波数范围为 2872 10cm 1 谱图解析 正己烷 在2853cm 1处的吸收峰 是CH2的对称伸缩振动峰 一般这种振动峰的吸收位置在 2853 10cm 1 谱图解析 正己烷 这是C H弯曲振动区域 把该区域放大CH2和CH3的弯曲振动峰叠加在一起 关于这一点 我们可以比较环己烷和2 3 二甲基丁烷在该区间的吸收峰 谱图解析 正己烷 在1460cm 1出现的宽峰实际上是两个峰叠加而成的 一般地 CH3基团的反对称弯曲振动峰的位置在1460 10cm 1 这是一个简并弯曲振动 仅显示一种 谱图解析 正己烷 在1455 10cm 1处 是C

11、H2的弯曲振动峰吸收值 也叫剪刀振动 谱图解析 正己烷 在1375 10cm 1 是CH3对称弯曲振动 也叫 伞 弯曲振动 吸收峰位置 这个峰通常时很有用的 因为这个峰比较孤立 比较环己烷的谱图 最大的差异就是在环己烷谱图中没有CH3基团的对称弯曲振动峰 谱图解析 正己烷 这是指纹区 这一段区间的吸收有很多的因素 很难解释 不管多么复杂 利用参考谱图进行比对 即可对样品进行定性判断 谱图解析 正己烷 当四个或更多的CH2基团在一根链上 720 10cm 1是CH2基团的摇摆振动 谱图解析 2 3 二甲基丁烷 2 3 二甲基丁烷与正己烷相比 这两个化合物均有CH3和CH2基团 而环己烷却仅有CH

12、2基团 谱图解析 2 3 二甲基丁烷 2962cm 1 CH3反对称伸缩振动 仅显示两个简并反对称伸缩振动模式之一 谱图解析 2 3 二甲基丁烷 2880cm 1 CH3基团的伸缩振动 注意 这里没有CH2基团的吸收峰 因为该分子中没有CH2基团 谱图解析 2 3 二甲基丁烷 1460cm 1 是CH3的反对称弯曲振动峰 仅显示两个简并模式中的一个 谱图解析 2 3 二甲基丁烷 1380和1365cm 1 是CH3 伞 形弯曲振动峰 在正己烷中 这是一个单峰 在2 3 二甲基丁烷中 两个CH3基团联在同一个季碳上 这个峰就裂分成双峰 表明有叔 丁基基团存在 谱图解析 2 3 二甲基丁烷 指纹区

13、 在这个区域与标准谱比较即可对该样品定性 注意这个样品没有720cm 1的CH2的摇摆振动峰 谱图解析 1 己烯 1 己烯你能分辨出哪一个峰是双键峰 提示 与己烷峰比较即可得出结论 谱图解析 1 己烯 3080cm 1 是 CH2反对称伸缩振动峰 在3000cm 1以上有吸收峰 表面有不饱和基团存在 双键或炔烃或芳烃 谱图解析 1 己烯 2997cm 1 CH2的对称伸缩振动 一般来说 反对称伸缩振动吸收峰的频率要高于对称伸缩振动的频率 谱图解析 1 己烯 2960cm 1 是CH3的反对称伸缩振动峰 谱图解析 1 己烯 2924cm 1 CH2的反对称伸缩振动峰 谱图解析 1 己烯 2870

14、cm 1 是CH3的对称伸缩振动 谱图解析 1 己烯 2861cm 1 是CH2对称伸缩振动峰 谱图解析 1 己烯 1821cm 1 红色 是 CH2面弯曲振动 这是909cm 1处的基频峰的倍频峰 灰色 倍频峰的吸收强度要比基频峰弱得多 谱图解析 1 己烯 1642cm 1是C C伸缩振动 一般来说 1640 20cm 1是顺式和乙烯基的伸缩振动峰的位置 1670 10cm 1是反式 叔碳 季碳取代的双键伸缩振动峰的位置 反式 2 己烯只有一个很弱的吸收峰 这是因为内双键伸缩仅会导致偶极矩的微小变化 近似于对称的情况 谱图解析 1 己烯 1466cm 1 CH3的反对称弯曲振动 谱图解析 1

15、 己烯 1455cm 1 CH2剪刀弯曲振动 谱图解析 1 己烯 1379cm 1 CH3的伞形弯曲振动峰 谱图解析 1 己烯 指纹区 与参考谱图对比 即可以定性归属样品 注意 该谱图中没有720cm 1的CH2的摇摆振动吸收峰 一般只有4个或4个以上的CH2存在时才出现720cm 1的峰 谱图解析 1 己烯 993cm 1 是 CH2的面扭曲振动 只有单取代或反式双键有此振动 该振动峰必须有两个反式的H存在 顺式双键有一个不同的面弯曲振动峰 谱图解析 1 己烯 909cm 1 是CH2面弯曲振动峰 只有端基带两个氢的双键才有这个吸收峰 谱图解析 1 己烯 指纹区 与参考谱图对比即可对该化合物

16、进行定性 注意 没有720cm 1的摇摆峰 因为该峰的出现必须4个和4个以上的CH2连在一起 谱图解析 1 庚炔 1 庚炔你能判断出哪些峰来自三键 提示 与己烷谱图比对 谱图解析 1 庚炔 3312cm 1 是 CH伸缩振动峰 一般来说 范围在3300 20cm 1 而且非常尖锐 谱图解析 1 庚炔 2960cm 1 是CH3反对称伸缩振动峰 谱图解析 1 庚炔 2935cm 1 是CH2的反对称伸缩振动峰 谱图解析 1 庚炔 2870cm 1 是CH3对称伸缩振动峰 谱图解析 1 庚炔 2861cm 1 是CH2对称伸缩振动峰 谱图解析 1 庚炔 2119cm 1 C C伸缩振动峰 一般范围 端炔基 2220 10cm 1 分子链内炔基 2225 10cm 1 如果是对称取代 则该峰不出现 比较4 辛炔 比较庚腈的C N伸缩振动 2247cm 1 谱图解析 1 庚炔 1467cm 1 CH3反对称弯曲振动峰 谱图解析 1 庚炔 1455cm 1 CH2剪刀弯曲振动 谱图解析 1 庚炔 1426cm 1 是 CH2基团的剪刀弯曲振动 由于炔烃的共扼效应 该峰有点漂移了 在庚腈中 也会发