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1、红外光谱分析仪基础知识前言1第一章 红外光谱法及相关仪器3一. 红外光谱概述31. 红外光区的划分32. 红外光谱法的特点43. 产生红外吸收的条件4二. 红外光谱仪41. 红外光谱仪的主要部件52. 红外光谱仪的分类73. 红外光谱仪各项指标的含义10三红外光谱仪的应用13四红外试样制备14四红外光谱仪的新进展15前言分析仪器常使用的分析方法是光谱分析法，光谱分析法可分为吸收光谱分析法和发射光谱分析法，而吸收光谱分析法又是目前应用最广泛的一种光谱分析方法：它包括有核磁共振，X射线吸收光谱，紫外-可见吸收光谱，红外光谱，微波谱，原子吸收光谱等。但最常用的则是原子吸收光谱、紫外-可见吸收光谱和红
2、外光谱，这些方法的最基本原理是物质（这里说物质都是指物质中的分子或原子，下同）对电磁辐射的吸收。还有拉曼光谱和荧光光谱，也是比较常用的手段，它们的原理是基于物质发射或散射电磁辐射。其实物质与电磁辐射的作用还有偏振、干涉、衍射等，由此发展而成的是另外一系列的仪器，如椭偏仪、测糖仪、偏光显微镜、X射线衍射仪等等，这些仪器都不是基于光谱分析法，不是我们介绍的重点。吸收光谱可分为原子吸收光谱和分子吸收光谱。当电磁辐射与物质相互作用时，就会发生反射、散射、透射和吸收电磁辐射的现象，物质所以能够吸收光是由物质本身的能级状态所决定的。例如原子吸收可见光和紫外光，可以使核外电子由基态跃迁到激发态，相应于不同能
3、级之间的跃迁都需吸收一定波长的光。因此，如有一波长连续的光照射单原子元素的蒸气（如汞蒸气、钠蒸气等），将会产生一系列的吸收谱线。由于在一般情况下原子都处于基态，通常只有能量相当于从基态跃迁到激发态的所谓主系谱线出现在原子的吸收光谱中。而分于吸收光谱则比较复杂。它们不是分立的谱线而是许多吸收带。因为每一个分子的能量包括三部分，即分子的电子能量、振动能量和转动能量。每一种能量都是量子化的。当电子有一种能级跃迁到另一能级时，可能同时还伴有振动能级和转动能级的跃迁。应此分子吸收光谱是一系列的吸收带。通常引起原子或分子中外层价电子的跃迁需要1.5-8.0ev的能量，其相应的辐射波长在150nm-800n
4、m之间，这是紫外可见吸收光谱的波长范围。引起振动跃迁或振动转动跃迁的能量是0.05-1.2ev，相应的辐射波长在1.0-25m之间，这是红外光谱的范围。各类电磁辐射的波长列于下表：电 磁 辐 射波长，nm无线电波1012109微 波109106红外光106750可见光750390紫外线39010X射线10102射线102105由于不通物质的原子、分子具有不同的结构，因此也就具有不同的能级状态，只有入射光的能量满足Bohr条件，才能被物质吸收，即：其中，是普朗克常数（Planck Constant），是入射光的频率，和分别是跃迁前后的电子能级。因此，每一种物质的原子或分子都具有它本身的特征吸收谱
5、线和吸收带，这就是吸收光谱用于定性分析的理论依据。而对于同一种物质，对入射光吸收的多少则服从朗伯比尔（Lambert-Beer）定律：式中，A为吸光度，又称为消光度或光密度；I0为入射光强度，I为透射光强度；为摩尔吸光系数，b为吸光厚度（cm），c为吸光物质的溶度（mol/L）。即物质对光的吸收度与物质的溶度和吸光厚度成正比，这就是吸收光谱法的定量分析的理论基础。根据我们公司的产品，下面重点介绍紫外-可见吸收光谱、红外光谱、拉曼光谱和荧光光谱。按常规的顺序，一般顺序是先介绍紫外可见，后介绍红外，但鉴于我们的目前的特殊情况（傅立叶红外光谱仪和结石分析系统正在推广），先把红外光谱的相关知识介绍给大
6、家是有必要的。第一章 红外光谱法及相关仪器Infrared Spectrometry & Instrument一. 红外光谱概述红外光谱又称为分子振动转动光谱，它和紫外可见光谱一样，也是一种分子吸收光谱。当样品受到频率连续变化的红外光照射时，分子吸收了某些频率的辐射，并由其振动或转动运动引起偶极矩的净变化产生分子振动和转动能级从基态到激发态的跃迁，使相应于这些吸收区城的透射光强度减弱。记录红外光的百分透射比与波数或波长关系的曲线，就得到红外光谱。红外光谱法不仅能进行定性和定量分析，而且从分子的特征吸收可以鉴定化合物和分子结构。1. 红外光区的划分红外光谱在可见光区和微波光区之间，其波长范围约为
7、0.751000m。根据实验技术和应用的不同，通常将红外区划分成三个区：近红外光区（0.752.5m)，中红外光区(2.525m）和远红外光区（251000m)，如下表：其中中红外区是研究和应用最多的区域，一般说的红外光谱就是指中红外区的红外光谱。区域波长m波数 cm-1能级跃迁类型近红外区（泛频区）0.752.5131584000OH、NH及CH键的倍频吸收中红外区（基本振动区）2.5254000400分子振动，伴随转动远红外区（转动区）25100040010分子转动红外吸收光谱常用或曲线来表示。纵坐标是透射百分比T%，横坐标是波长或波数（单位是cm-1）。如下图所示的是聚苯乙烯薄膜的红外光
8、谱。现横坐标常用波数表示，这样便于与Raman光谱相比较。上图中向下的是吸收峰，向上的是谷。2. 红外光谱法的特点与紫外可见吸收光谱不同，产生红外光谱的红外光的波长要长得多，因此光子能量低。物质分子吸收红外光后，只能引起振动和转动能级跃迁，不会引起电子能级跃迁。所以红外光谱一般称为振动转动光谱。紫外可见吸收光谱常用于研究不饱和有机化合物，特别是具有共扼体系的有机化合物。而红外光谱法主要研究在振动中伴随有偶极矩变化的化合物。因此除了单原子分子和同核分子。如Ne、He、O2、和H2等之外，几乎所有的有机化合物在红外光区均有吸收。红外吸收谱带的波数位置、波峰的数目及其强度反映了分于结构上的特点，可以
9、用来鉴定未知物的分子结构组成或确定其化学基团；而吸收谱带的吸收强度与分子组成或其化学基团的含量有关，可用作进行定量分析和纯度鉴定。红外及拉曼光谱都是分子振动光谱，通过谱图解析可以获取分子结构的信息。任何气态、液态、固态样品均可进行红外光谱测定，这是其它仪器分析方法难以做到的。具有用量少、分析速度快、不破坏试样等特点，使红外光谱法成为现代分析化学和结构化学的不可缺少的工具。但对于复杂化合物的结构测定，还需配合紫外光谱、质谱和核磁共振波谱等其他方法，才能得到满意的结果。3. 产生红外吸收的条件这个我们不需要深入了解，知道就行了。红外光谱是由于分子振动能级跃迁产生的，物质分子吸收红外辐射应满足两个条
10、件：a分子振动时，必须伴随有瞬时偶极矩的变化b照射分子的红外辐射频率与分子某种振动频率相同二. 红外光谱仪19世纪初人们通过实验证实了红外光的存在。二十世纪初人们进一步系统地了解了不同官能团具有不同红外吸收频率这一事实。1950年以后出现了自动记录式红外分光光度计。随着计算机科学的进步，1970年以后出现了傅立叶变换型红外光谱仪。红外测定技术如全反射红外、显微红外、光声光谱以及色谱-红外联用等也不断发展和完善，使红外光谱法得到广泛应用。第一代红外光谱仪（上世纪50年代）使用的是滤光片分光系统，此类仪器只能在单一或少数几个波长下测定（非连续波长），灵活性差，而且波长稳定性、重现性差，现已淘汰。目
11、前市场上常见的红外光谱仪主要有两类：色散型（即光栅式）红外光谱仪和傅立叶变换红外光谱仪，它们分别采用第二代和第三代分光技术的红外光谱仪，它们是我们重点介绍对象。红外光谱仪与紫外-可见分光光度计的组成基本相同，由光源、样品室、单色仪以及检测器等部分组成。两种仪器在各元件的具体材料上有较大差别。色散型红外光谱仪的单色仪一般在样品池之后。1. 红外光谱仪的主要部件红外光源一般分光光度计中的氘灯、钨灯等光源能量较大，要观察分子的振动能级跃迁，测定红外吸收光谱，需要能量较小的光源。黑体辐射是最接近理想光源的连续辐射。满足此要求的红外光源是稳定的固体在加热时产生的辐射，常见的有如下几种。能斯特灯能斯特灯的
12、材料是稀土氧化物，做成圆筒状(202 mm)，两端为铂引线。其工作温度为1200-2200K。此种光源具有很大的电阻负温度系数，需要预先加热并设计电源电路能控制电流强度，以免灯过热损坏。碳化硅棒尺寸为505mm,工作温度1300-1500K。与能斯特灯相反,碳化硅棒具有正的电阻温度系数,电触点需水冷以防放电。其辐射能量与能斯特灯接近,但在2000cm-1区域能量输出远大于能斯特灯。白炽线圈用镍铬丝螺旋线圈或铑线做成。工作温度约1100K。其辐射能量略低于前两种，但寿命长。检测器紫外可见分光光度计所用的光电管或光电倍增管不适用于红外区，这是应为红外光谱区的光子能量较弱，不足以引发光电子发射。常用
13、的红外检测器有热检测器、热释电检测器和光电导检测器三种。前两种用于色散型仪器中，后两种在傅立叶变换红外光谱仪中多见。热检测器热检测器依据的是辐射的热效应。辐射被一小的黑体吸收后，黑体温度升高，测量升高的温度可检测红外吸收。以热检测器检测红外辐射时，最主要的是要防止周围环境的热噪声。一般使用斩光器使光源辐射断续照射样品池。热检测器最常见的是热电偶（有时又称为高真空热电偶）。将两片金属铋熔融到另一不同金属如锑的两端，就有了两个连接点。两接触点的电位随温度变化而变。检测端接点做成黑色置于真空舱内，有一个窗口对红外光透明。参比端接点在同一舱内并不受辐射照射，则两接点间产生温差。热电偶可检测出10-6K
14、的温度变化。热释电检测器热释电检测器使用具有特殊热电性质的绝缘体，一般采用热电材料的单晶片作为检测元件，如硫酸三苷肽(NH2CH2COOH)3H2SO4，简称TGS。在电场中放一绝缘体会使绝缘体产生极化，极化度与介电常数成正比。但移去电场，诱导的极化作用也随之消失。而热释电材料即使移去电场，其极化也并不立即消失，极化强度与温度有关。当辐射照射时，温度会发生变化，从而影响晶体的电荷分布，这种变化可以被检测。热电检测器通常做成三明治状。将热电材料晶体夹在两片电极间，一个电极是红外透明的，容许辐射照射。辐射照射引起温度变化，从而晶体电荷分布发生变化，通过外部连接的电路可以测量。电流的大小与晶体的表面
15、积、极化度随温度变化的速率成正比。当热释电材料是铁电体，当温度升至某一特定值时极化会消失，此温度称为居里点。TGS的居里点为47C。热释电检测器的响应速率很快，可以跟踪干涉仪随时间的变化，故多用于傅立叶变换红外光谱仪中。目前使用最广泛的是氘化的TGS即DTGS，它的居里温度是62C，热电系数小于TGS。光电导检测器光电导检测器采用半导体材料薄膜，如Hg-Cd-Te（碲镉汞）或PbS或InSb（锑化铟），将其置于非导电的玻璃表面密闭于真空舱内。则吸收辐射后非导电性的价电子跃迁至高能量的导电带，从而降低半导体的电阻，产生信号。Hg-Cd-Te缩写为MCT，该检测器用于中红外区及远红外区。这种检测器比热释电检测器灵敏（至少比DTGS大10倍），在FTIR及GC-FTIR（气相色谱-傅立叶变换红外光谱联用技术）仪器中获得广泛应用。此外，PbS检测器常用于近红外区室温下的检测。以上两个部件是色散型红外光谱仪和傅立叶红外光谱仪所共有的，对于色散型红外光谱仪还有几个关键部件：如单色仪、光栅、狭缝等；对于傅立叶变换红外光谱仪，它还有迈克耳孙干涉仪、分束器、透明窗片、数据处理系统等关键部件。下表是一些分束器的介绍：常用分束器类型和适用
