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1、第第10章章 红外光谱法红外光谱法u 概论概论u 基本原理基本原理u 红外光谱仪红外光谱仪u 试样的制备试样的制备u 应用应用光谱区与能量相关图10.1 概论概论1. 定定义义：红红外外光光谱谱又又称称分分子子振振动动转转动动光光谱谱，属属分分子子吸吸收收光光谱谱。样样品品受受到到频频率率连连续续变变化化的的红红外外光光照照射射时时，分分子子吸吸收收其其中中一一些些频频率率的的辐辐射射，分分子子振振动动或或转转动动引引起起偶偶极极矩矩的的净净变变化化，使使振振-转转能能级级从从基基态态跃跃迁迁到到激激发发态态，相相应应于于这这些些区区域域的的透透射射光光强强减减弱弱，记记录录百百分分透透过过率
2、率T%对对波波数数或或波波长长的的曲曲线，即红外光谱。线，即红外光谱。 主主要要用用于于化化合合物物鉴鉴定定及及分分子子结结构构表表征征，亦亦可可用用于于定定量量分析。分析。2. 红外光区划分红外光区划分红外光谱红外光谱(0.751000 m)远红外远红外(转动区转动区)(25-1000 m)中红外中红外(振动区振动区)(2.525 m)近红外近红外(泛频）泛频）(0.752.5 m)倍频、合频、倍频、合频、差频差频分子振动转动分子振动转动分子转动分子转动分区及波长范围分区及波长范围 跃迁类型跃迁类型（常用区）（常用区）3. 红外光谱特点红外光谱特点1）红外吸收只有振）红外吸收只有振-转跃迁，
3、能量低；转跃迁，能量低；2）应应用用范范围围广广：除除单单原原子子分分子子及及同同核核双双原原子子分分子子外外，几几乎乎所有有机物均有红外吸收；所有有机物均有红外吸收；3）分分子子结结构构更更为为精精细细的的表表征征：通通过过IR谱谱的的波波数数位位置置、波波峰峰数目及强度确定分子基团、分子结构；数目及强度确定分子基团、分子结构；4）定量分析；）定量分析；5）固、液、气态样均可用，且用量少、不破坏样品；）固、液、气态样均可用，且用量少、不破坏样品；6）分析速度快。）分析速度快。7）与色谱等联用）与色谱等联用（GC-FTIR）具有强大的定性功能。具有强大的定性功能。4.红外光谱的表示方法：红外光
4、谱的表示方法： 红红外外光光谱谱以以T 或或T 来来表表示示，下下图图为为苯苯酚酚的的红红外外光谱光谱T(%)与紫外吸收曲线的比较与紫外吸收曲线的比较1）、峰出现的频率范围低（振动能级差决定）、峰出现的频率范围低（振动能级差决定）2）、吸收峰数目多，图形复杂（振动自由度决定）、吸收峰数目多，图形复杂（振动自由度决定）3）、吸收强度低（振动过程中偶极矩的变化以及能级的跃迁概率）、吸收强度低（振动过程中偶极矩的变化以及能级的跃迁概率10.2 基本原理基本原理1. 产生红外吸收的条件产生红外吸收的条件 分子吸收辐射产生振转跃迁必须满足两个条件：分子吸收辐射产生振转跃迁必须满足两个条件：条件一：条件一
5、：辐射光子的能量应与振动跃迁所需能量相等。辐射光子的能量应与振动跃迁所需能量相等。条件二：条件二：辐射与物质之间必须有耦合作用辐射与物质之间必须有耦合作用 2. 分子振动分子振动1）双原子分子振动）双原子分子振动 分分子子的的两两个个原原子子以以其其平平衡衡点点为为中中心心，以以很很小小的的振振幅幅（与与核核间间距距相比）作周期性相比）作周期性“简谐简谐”振动，其振动可用经典刚性振动描述：振动，其振动可用经典刚性振动描述：k为化学键的力常数（为化学键的力常数（N/cm = mdyn/），）， 为双原子折合质量为双原子折合质量如将原子的实际折合质量（通过如将原子的实际折合质量（通过Avogaro
6、常数计算）代入，则有常数计算）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。和原子质量。k大，化学键的振动波数高，如大，化学键的振动波数高，如kC C(2222cm-1)kC=C(1667cm-1)kC-C(1429cm-1)（质量相近）质量相近）质量质量m大，化学键的振动波数低，如大，化学键的振动波数低，如mC-C(1430cm-1)mC-N(1330cm-1)五五元元环环六六元元环。随环张力增加，红外峰向高波数移动。环。随环张力增加，红外峰向高波数移动。4）氢键效应）氢键效应（X-H） 形形成成氢氢键键使
7、使电电子子云云密密度度平平均均化化（缔缔合合态态），使使体体系系能能量量下下降，基团伸缩振动频率降低，其强度增加但峰形变宽。降，基团伸缩振动频率降低，其强度增加但峰形变宽。如羧酸如羧酸 RCOOH( C=O=1760cm-1 ， O-H=3550cm-1); (RCOOH)2( C=O=1700cm-1 ， O-H=3250-2500cm-1)如乙醇：如乙醇：CH3CH2OH（ O=H=3640cm-1 ） (CH3CH2OH)2（ O=H=3515cm-1 ） (CH3CH2OH)n（ O=H=3350cm-1 ）5）振动耦合振动耦合（Coupling） 当当两两个个振振动动频频率率相相同同
8、或或相相近近的的基基团团相相邻邻并并由由同同一一原原子子相相连连时时，两两个个振振动动相相互互作作用用（微微扰扰）产产生生共共振振，谱谱带带一一分分为为二二（高高频频和和低频）。如羧酸酐分裂为低频）。如羧酸酐分裂为 C=O（ as1820、 s1760cm-1）5外界因素的影响外界因素的影响61）物质状态及制样方法）物质状态及制样方法 通通常常，物物质质由由固固态态向向气气态态变变化化，其其波波数数将将增增加加。如如丙丙酮酮在在液液态态时时， C=O=1718cm-1; 气气态态时时 C=O=1742cm-1，因因此此在在查查阅阅标标准红外图谱时，应注意试样状态和制样方法准红外图谱时，应注意试
9、样状态和制样方法。2）溶剂效应）溶剂效应 极极性性基基团团的的伸伸缩缩振振动动频频率率通通常常随随溶溶剂剂极极性性增增加加而而降降低低。如如羧羧酸中的羰基酸中的羰基C=O： 气态时：气态时： C=O=1780cm-1 非极性溶剂：非极性溶剂： C=O=1760cm-1 乙醚溶剂：乙醚溶剂： C=O=1735cm-1 乙醇溶剂：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。因此红外光谱通常需在非极性溶剂中测量。10.3 红外光谱仪红外光谱仪 目目前前有有两两类类红红外外光光谱谱仪仪：色色散散型型和和傅傅立立叶叶变变换换型型（Fourier Transfer, FT）（
10、）（非色散型可用于定量）非色散型可用于定量）一、色散型：与双光束一、色散型：与双光束UV-Vis仪器类似，但部件材料和仪器类似，但部件材料和顺序不同顺序不同。调节调节 T%或称基线调平器或称基线调平器置于吸收池之后可置于吸收池之后可避免杂散光的干扰避免杂散光的干扰1. 光源光源 常用的红外光源有常用的红外光源有Nernst灯和硅碳棒。灯和硅碳棒。2. 吸收池吸收池 红红外外吸吸收收池池使使用用可可透透过过红红外外的的材材料料制制成成窗窗片片；不不同同的的样样品品状状态态（固固、液液、气气态态）使使用用不不同同的的样样品品池池，固固态态样样品品可可与与晶晶体体混混合压片制成。合压片制成。3. 单
11、色器单色器 由由色色散散元元件件、准准直直镜镜和和狭狭缝缝构构成成。其其中中可可用用几几个个光光栅栅来来增增加加波数范围，狭缝宽度应可调。波数范围，狭缝宽度应可调。 狭狭缝缝越越窄窄，分分辨辨率率越越高高，但但光光源源到到达达检检测测器器的的能能量量输输出出减减少少，这这在在红红外外光光谱谱分分析析中中尤尤为为突突出出。为为减减少少长长波波部部分分能能量量损损失失，改改善善检检测测器器响响应应，通通常常采采取取程程序序增增减减狭狭缝缝宽宽度度的的办办法法，即即随随辐辐射射能能量量降降低低，狭狭缝缝宽宽度度自自动动增增加加，保保持持到到达达检检测测器器的的辐辐射射能能量量的的恒定。恒定。4. 检
12、测器及记录仪检测器及记录仪 红红外外光光能能量量低低，因因此此常常用用热热电电偶偶、测测热热辐辐射射计计、热热释释电电检检测测器和碲镉汞检测器等。器和碲镉汞检测器等。几种红外检测器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：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；）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；）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。）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。它是利
13、用光的相干性原理而设计的干涉型红外分光光度仪。1、仪器组成为、仪器组成为红外光源摆动的凹面镜摆动的凹面镜迈克尔逊干扰仪检测器样品池参比池同步摆动干涉图谱计算机解析红外谱图还原M1BSIIIM2D2、傅立叶红外光谱仪具有以下优点（、傅立叶红外光谱仪具有以下优点（P280）：）：1） 灵敏度高灵敏度高2） 扫描速度快扫描速度快3） 分辨率高分辨率高4）光谱范围宽）光谱范围宽10.4 试样的制备试样的制备一、对试样的要求一、对试样的要求1）试样应为）试样应为“纯物质纯物质”（98%），通常在分析前，样品需要纯化；），通常在分析前，样品需要纯化； 对于对于GC-FTIR则无此要求。则无此要求。2）试样
14、不含有水（水可产生红外吸收且可侵蚀盐窗）；）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）试样浓度或厚度应适当，以使T在合适范围。在合适范围。二、制样方法二、制样方法 液体或溶液试样液体或溶液试样1）沸点低易挥发的样品：液体池法（溶于）沸点低易挥发的样品：液体池法（溶于CS2或或CCl4等溶剂中）等溶剂中）2）高沸点的样品：液膜法（夹于两盐片之间）高沸点的样品：液膜法（夹于两盐片之间） 固体试样固体试样1）压片法：）压片法：12mg样样+200mg KBr干燥处理干燥处理研细：粒度小研细：粒度小 于于 2 m（散射小）散射小）混合压成透明薄片混合压成透明薄片直接
15、测定；直接测定；2）石蜡糊法：试样）石蜡糊法：试样磨细磨细与液体石蜡混合与液体石蜡混合夹于盐片间；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。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：）薄膜法： 高分子试样高分子试样加热熔融加热熔融涂制或压制成膜；涂制或压制成膜； 高分子试样高分子试样溶于低沸点溶剂溶于低沸点溶剂涂渍于盐片涂渍于盐片挥发除溶剂挥发除溶剂 样品量少时，采用光束聚光器并配微量池。样品量少时，采用光束聚光器并配微量池。8.6 应用应用一、定性分析一、定性分析1. 已知物的签定已知物的签定 将试样谱图与标准谱图对照或与相关文献上的谱图对照。将试样谱
16、图与标准谱图对照或与相关文献上的谱图对照。2. 未知物结构分析未知物结构分析 1）如果化合物不是新物质，与标准谱图对照（见下页）如果化合物不是新物质，与标准谱图对照（见下页） 2）如果化合物为新物质，则须进行光谱解析，其步骤为：）如果化合物为新物质，则须进行光谱解析，其步骤为：该化合物的信息收集：试样来源、熔点、沸点、折光率、旋光率等；该化合物的信息收集：试样来源、熔点、沸点、折光率、旋光率等；不饱和度的计算：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 . =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
17、；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；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；时，分子可能有两个双键或脂环； =4 时，分子可能有一个苯环。时，分子可能有一个苯环。 一些杂原子如一些杂原子如S、O不参加计算。不参加计算。3）查找基团频率，推测分子可能的基团；）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；）查找红外指纹区，进一步验证基团的相关峰；5）能能过过其其它它定定性性方方法法进进一一步步确确证证：UV-V is、MS、NMR、Raman等。等。二、定量分析二、定量分析1、吸收带的选择、吸收带的选择2、吸光度的测定、吸光度的测定3、与色谱等的联用、与色谱等的联用
