红外线吸收光谱在材料分析中的应用

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1、红外线吸收光谱在材料分析中的应用摘 要: 红外线光谱是研究材料的化学和物理结构机器表征的基本手段，红外线 光谱技术可以对材料的研究提供各种信息，从而研究材料的结构和性能。本文介绍红 外线吸收光谱的原理及其在材料分析中的应用，并通过红外线吸收光谱研究材料，改 进材料性能开发新材料，并且做出展望。关键词: 红外线; 吸收; 光谱; 材料分析Infrared absorption spectrum in material analysis applicationAbstract : The infrared line spectrum is studies the material chemistr

2、y and the physical structure machine attribute essential method ， The infrared line spectrum technology may supply each kind of information to the material research, thus research material structure and performance。This article introduced that the infrared absorption spectrum the principle and in ma

3、terial analysiss application, and through the infrared absorption spectrum research material, the improvement material performance develops the new material, and makes the forecast.Key Words :Infrared; Absorption; Spectrum; Material analysis引言20 世纪 60 年代,采用光栅代替棱镜作为色散元件的第二代红外分光光度计投入 使用,该仪器提高了仪器的分辨率 ,

4、扩展了测定的波长范围,降低了测试时对波长范围 的要求,使红外光谱法的分析对象由单纯的有机化合物扩展到配合物、高分子化合物 和无机化合物。现在最为通用的第三代红外分光光度计 ,采用了傅里叶变换技术和计 算机技术应用,他的分辨率高、样品需要量少、测定速度快,而且仪器中带有数据库, 便于对测试样品的图谱与数据库中的图谱进行对比。近年来,由于激光技术的飞速发 展,可调激光器作为红外光源代替了色散器 ,第四代激光红外分光光度计研制成功并 开始投入使用。材料的结构和性能是材料科学研究的重心,改进材料的微结构是改进 材料的性能、开发新材料的有效途径。随着科技的进步,利用红外线光谱法研究材料 的结构和性能已逐

5、渐扩展到多种学科和领域。材料学科的发展和材料分析技术的发展 是密切相关的,正因为有了先进的分析技术和仪器,使研究工作者对材料的特殊性能 成因有了更细微的探究,对材料的物理化学变化和显微结构有了深入的了解,从而改 进材料性能开发新材料。本文介绍红外线吸收光谱的原理及其在材料分析中的应用， 并通过红外线吸收光谱研究材料，改进材料性能开发新材料，并且做出展望。 1.1红外吸收光谱的基本原理用红外光照射化合物时,分子吸收红外光的能量,使分子中键的振动从低能态向 高能态跃迁,将这个过程记录下来就得到红外光谱图,需要注意的是这里所说的“跃 迁”指的是键的振动能级,并不是电子从低能级轨道跃迁到高能级轨道。化

6、合物中的 官能团可以吸收特定波长的红外光，即使这些官能团所处的化学环境略有不同。因此 红外线吸收光谱可以用来鉴别化合物中存在的官能团1。1.2.1红外光区域的划分 红外光区的划分红外光谱在可见光区和微波光区之间，波长范围约为 0.75 1000 口m,根据仪器技术和应用不同，习惯上又将红外光区分为三个区：近红外光区 （0.75 2.5口m ），中红外光区（2.5 25口m ），远红外光区（25 1000口m ）2。近红外光区（0.75 2.5 口m ）近红外光区的吸收带主要是由低能电子跃迁、含氢原子团（如。一h、nh、c h）伸缩振动的倍频吸收等产生的。该区的光谱可用来研究稀土和其它过渡金属离

7、子 的化合物，并适用于水、醇、某些高分子化合物以及含氢原子团化合物的定量分析。 中红外光区（2.5 25 口m ）绝大多数有机化合物和无机离子的基频吸收带出现在该光区。由于基频振动是红 外光谱中吸收最强的振动，所以该区最适于进行红外光谱的定性和定量分析。同时， 由于中红外光谱仪最为成熟、简单，而且目前已积累了该区大量的数据资料，因此它 是应用极为广泛的光谱区。通常，中红外光谱法又简称为红外光谱法。远红外光区（25 1000 口m ）该区的吸收带主要是由气体分子中的纯转动跃迁振动-转动跃迁、液体和固体中 重原子的伸缩振动、某些变角振动、骨架振动以及晶体中的晶格振动所引起的。 由 于低频骨架振动能

8、很灵敏地反映出结构变化，所以对异构体的研究特别方便。此外， 还能用于金属有机化合物（包括络合物）、氢键、吸附现象的研究。但由于该光区能 量弱，除非其它波长区间内没有合适的分析谱带，一般不在此范围内进行分析。 122产生红外吸收的条件辐射光子具有的能量与发生振动跃迁所需的跃迁能量相等，红外吸收光谱是分子 振动能级跃迁产生的。因为分子振动能级差为0.051.0ev,比转动能级差（0.0001 ? 0.05ev ）大，因此分子发生振动能级跃迁时，不可避免地伴随转动能级的跃迁，因而 无法测得纯振动光谱，但为了讨论方便，以双原子分子振动光谱为例说明红外光谱产 生的条件。若把双原子分子（a-b）的两个原子

9、看作两个小球，把连结它们的化学键 看成质量可以忽略不计的弹簧，则两个原子间的伸缩振动，可近似地看成沿键轴方向 的间谐振动3在室温时，分子处于基态，此时，伸缩振动的频率很小。当有红外辐射照射到分 子时，若红外辐射的光子所具有的能量恰好等于分子振动能级的能量差时，则分子将 吸收红外辐射而跃迁至激发态，导致振幅增大。只有当红外辐射频率等于振动量子数的差值与分子振动频率的乘积时，分子才能吸收 红外辐射，产生红外吸收光谱。为满足这个条件，分子振动必须伴随偶极矩的变化。红外跃迁是偶极矩诱导的， 即能量转移的机制是通过振动过程所导致的偶极矩的变化和交变的电磁场（红外线） 相互作用发生的。分子由于构成它的各原

10、子的电负性的不同，也显示不同的极性，称图（一） 偶极子在交变电场中的作用示意图为偶极子。通常用分子的偶极矩来描述分子极性的大小。当偶极子处在电磁辐射的电 场中时，该电场作周期性反转，偶极子将经受交替的作用力而使偶极矩增加或减少（如 图（一）所示）。由于偶极子具有一定的原有振动频率，显然，只有当辐射频率与偶极 子频率相匹时，分子才与辐射相互作用（振动耦合）而增加它的振动能，使振幅增大， 即分子由原来的基态振动跃迁到较高振动能级。因此，并非所有的振动都会产生红外 吸收，只有发生偶极矩变化的振动才能引起可观测的红外吸收光谱，该分子称之为红 外活性的。当一定频率的红光照射分子时，如果分子中某个基团的振

11、动频率和它一致，二者 就会产生共振，此时光的能量通过分子偶极矩的变化而传递给分子，这个基团就吸收 一定频率的红外光，产生振动跃迁。如果用连续改变频率的红外光照射某样品，由于 试样对不同频率的红外光吸收程度不同，使通过试样后的红外光在一些波数范围减 弱，在另一些波数范围内仍然较强，用仪器记录该试样的红外吸收光谱，进行样品的 定性和定量分析。1.3 红外光谱法1.3.1 红外光谱法的特点紫外、可见吸收光谱常用于研究不饱和有机物，特别是具有共轭体系的有机化合 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（没有偶极矩变化的 振动在拉曼光谱中出现）。因此，除了单原子和同核分子如ne、he、o

12、2、h2等之外, 几乎所有的有机化合物在红外光谱区均有吸收。除光学异构体，某些高分子量的高聚 物以及在分子量上只有微小差异的化合物外，凡是具有结构不同的两个化合物，一定 不会有相同的红外光谱。通常红外吸收带的波长位置与吸收谱带的强度，反映了分子 结构上的特点，可以用来鉴定未知物的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化学基团的含量有关，可用以进行定量分析和纯度鉴定。由于红 外光谱分析特征性强，气体、液体、固体样品都可测定，并具有用量少，分析速度快， 不破坏样品的特点。因此，红外光谱法不仅与其它许多分析方法一样，能进行定性和 定量分析，而且该法是鉴定化合物和测定分子结构的最

13、有用方法之一4。1.3.2 红外线吸收光谱仪红外线光谱学是研究某一化学物种如分子 ,离子,或自由基等,因吸收红外线电磁 波的能量（指红外线吸收光谱或在受激态时发射红外线辐射（指红外线发射光谱）,所产 生此化学物种在电子基态时纯转动,纯振动或转动-振动的能量变化。由於红外线光谱 能提供分子特性的资料,而且除了光学异构物外,几乎没有二个有机化合物的光谱完全 一样。因此藉助红外线光谱的研究,我们可以决定分子的结构,分子振动键的性质以及了解某些分子性质 ,同时也可以鉴定或分析某一化合物的存在与含量 ,应用范围甚广5。1.3.3 红外线分光光度计infrared spectrophotometer 用以

14、获得红外线光谱图的仪器。由光源、光度计 单色器、检测器和电子、机械系统组成。红外线分光光度计是用棱镜或光栅进行分光 的一种红外线光谱仪。其工作原理是，由光源发出的红外线分成完全对称的两束 参考光束与样品光束。它们经半圆型调制镜调制，交替地进入单色仪的狭缝，通过棱 镜或光栅分光后由热电偶检测两束光的强度差。一旦放入测试样品，样品吸收红外线，两束光产生强度差，热电偶便有一10Hz信号输出，经放大后输至电机, 调节参考光束光路上的光楔，使两束光的强度重新达到平衡。记录笔有机地与光楔连 在一起，由笔的记录位置直接指出了某一波长的样品透射率，波数的连续变化就自动 记录了样品的红外线吸收光谱或透射光谱。红

15、外线分光光度计用途极广，主要用于对有机化合物、高分子化合物等的分子结 构及化学反应过程的研究；进行各种有机化合物的定性和定量分析；测试各种气体、 液体、固体材料物质的吸收光谱与透射光谱，以鉴定识别物质的成分、物理与化学性 能等6。1.4 红外线吸收法的应用1.4.1 红外线吸收光谱在材料分析中的应用分析技术是一门发展迅猛的高新技术 ,在石油化工,农业以及食品丁业,纺织业,制 药工业和临床医学等领域都有着广泛的应用.使用传统的分析方法测定一个样品的多 种性质或浓度数据需要多种分析仪器,耗费大量人力,物力和时间,成本高,工作效率低, 远不能适应现代工业的需求.与传统分析技术相比,近红外光谱分析技术

16、能在几十秒甚 至几秒内,仅通过对样品的一次近红外光谱的简单测量,就能同时测定一个样品的几种 甚至几十种数据,而且被测样品用量很少,无破坏,无污染,具有高效,快速,成本低和绿色 环保的特点.光纤技术大大拓宽了近红外光谱分析技术的应用范围,为非接触式在线无 损检测提供了较为有利的条件和前景 .1 近红外光谱技术概述近红外光是介于可见光 和中红外光的电磁波.近红外光是电磁波,它具有光的属性,同时具有波及粒的二重 性.技术是一种现代光谱技术,是现代电子技术,光谱分析技术,计算机技术和化学计量 学技术的集合体.用近红外技术进行检测的主要流程是 :收集具有代表性的样品 ,进行 样品的光学数据采集;用标准方法对样品进行测定;通过数学方法将光谱数据和用标准 方法检测的数据进行关联,将光谱数据进行转换,与标准方法测定值进行回归计算 ,然 后得出定标方程,建立数据模型;分析未