红外光谱的原理及应用是什么?

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Analysis)分析化学是一门历史悠久的学科,其研究对象是物质的化 学组成和结构。现代科学技术的发展,特别是生命科学、 环境科学、材料科学等学科的飞速发展,对分析化学提出 了更高的要求。仪器分析是以物质的物理或物理化学性质为基础,探求这 些性质在分析过程中

3、所产生分析信号与被分析物质组成的 内在关系和规律,进而对其进行定性、定量、形态和结构 tWr类测雅方渣重于尊类方彰常需要使用较特殊 的分析仪器,故习惯上称为“仪器分析s分析化学中所占比重不断增大,并成为现代分析化学的重要支柱。仪器分析具有用样量少、测定快速、灵敏、准确和自动化 程度高的显著特点,常用来测定相对含量较低的微量、痕 量组分,是分析化学的主要发展方向。特别是新的仪器分 析方法不断出现,其应用也日益广泛,从而使仪器分析在仪器分析的分类(Classification)仪器分析现已发展为一门多学科汇集的综合性应用科学,分 类的方法很多,若根据分析的基本原理分类,主要有光学分析 法、电化学分

4、析法、色谱法。(1) 电化学分析(electrochemistry)电化学分析是建立在溶液电化学基础上的一类分析方法,包括 电位分析法、电解和库仑分析法、伏安法以及电导分析等。(2) 色谱分析(chromatogram)色谱分析是利用混合物中各组分在互不相溶的两相(固定相和流动相)中吸附能力、分配系数或其他亲合作用的差异而建立的 分离、测定方法。包括:气相色谱、高效液相色谱、离子色谱、 超临界流体色谱、高效毛细管电泳等。仪器分析的分类(Classification)(3)光谱分析(spectroscopy analysis)光谱分析法是基于物质对不同波长光的吸收、发射等 现象而建立起来的一类光

5、学分析法。光谱是光的不同波长成分及其强度分布按波长或波数 次序排列的记录,它描述了物质吸收或发射光的特征,可 以给出物质的组成、含量以及有关分子、原子的结构信 息。由原子的吸收或发射所形成的光谱称为原子光谱 (atomic spectrum),原子光谱是线光谱。由分子的吸收或发光所形成的光谱称为分子光谱 (molecularspectrum),分子光谱是带状光谱。电磁波的能量变换公式世界上任何物质都是运动着的,除了人们所直接观察到的宏观 运动外,构成物质的分子和原子还存在微观的运动。这些运动一般是 以间接的方式被认识和研究的。这些间接的方法也就是光谱法。与宏观现象一样,微观世界的物质运动必然也

6、伴随着能量的变 化和转移,这些变化直接与电磁波发生联系,并可用简单的关系式表 示:A = /i vNE为能量的变换值力为普朗克常数(6.626068 X 10-34m2kg/s)为电磁波的频率波长、波数、频率(Wavelength、Wavenumber、Frequency)1、波长(入)相邻两个波峰或波谷之间的直线距离,单位为米(m)、厘米(cm)、微米(um)、纳米(nm)。 这些单位之间的换算关系为lm=102cm=106u m= 109nmo2、频率(v)单位时间内通过传播方向某一点的波峰或波谷的数 目,即单位时间内电磁场振动的次数称为频率,单位 为赫兹(Hz,即s-i),频率和波长的关

u100m u以卜光谱 名称核磁共 振波谱远红外光谱红外及 拉曼光 谱近红外光谱可见光谱紫外光谱X光光 谱原子核 的转动的及振 子动波 分转长动2赛 分原相动转中氢的分子中 外层电 子的转 移晞 分外子移I 原内子移注:

8、 通常的红外光谱指中红外,波段2.525卩m, 4000400cnrl 化学研究中的分类方法,物理学中近、中、更红外分类范围不一样; 可见和紫外常用nm表示,mu二nm, nm=10A太赫兹(T-Ray)频率0110THZ之间的电磁波(波长3000um-30um),也叫亚毫 米波仃Hz等于1012Hz咸像、.检查、信息通信、空间天文学乃至军事THz波技术在炸药及其相关材料检测研究中有以下优势: (1)不同炸药材料在THz波段具有不同的特征吸收,可以用THz技术来进行 炸药的鉴别; (2)THz波可以穿透非金属和非极性材料,可以利用THz波来探测隐藏在这 些包装材料中的炸药; (3)THz波的能

9、量比较低,不会导致生物组织电离,可以对人体和生物材 林等进行无损检测。相关研究机构:Rensselaer Polytechnic Institute,日本理化学研究 所,中科院上海微系统与信息技术研究所,首都师范大学物理系等。.Chapter 1 Fundamentals of Infrared SpectroscopyReferences张叔良编著红外光谱分析与新技术中国 医药科技出版社,1993陈允魁等编著仪器分析上海交通大学岀 版社,1992刘密新等编著仪器分析清华大学出版 社,2002Contents一、概述红外光谱的发展红外光谱在化学中的应用红外光区的划分红外光谱法的特点二、基本原理

10、、几种振动形式三、分子的振动、转动和振转光谱分子的振动光谱分子的转动光谱分子的振转光谱四、红外光谱与分子结构间的关系五、红外分光光度计、概述1 Development 1800年英国天文学家Hershl用实验证明了红外光的存在; 20世纪初人们进一步系统地了解了不同官能团有不同红外 吸收频率; 1950年以后出现了自动记录式红外分光光度计; 1970年以后出现了傅里叶变换红外光谱仪(FTIR);此后,红外测定技术,如全反射红外、显微红外、光声光 谱以及红外联机技术不断发展和完善,使红外光谱法得到 了广泛应用。2、红外光谱在化学领域中的应用(Applications in Chemistry)红

11、外光谱在化学领域中的应用大体上可分为两个 方面: 一是用于分子结构的基础研究,应用红外光谱可以测 定分子的键长、键角,以此推断出分子的立体构型; 根据所得的力常数可以知道化学键的强弱;由简正频 举眾计賣热力学函薮。二是用于化学组成的分析,红外光谱最广泛的应用在 于对物质的化学组成进行分析,用红外光谱法可以根 据光谱中吸收峰的位置和形状来推断未知物结构,依 照特征吸收峰的强度来测定混合物中各组分的含量, 它已成为现代结构化学、分析化学最常用和不可缺少 的工具。3、红外光区的划分(Partition of Infrared Light)习惯上按红外线波长,将红外光谱分成三个区域:(1) 近红外区:

000400cm)是研究和应用最多 的区域,通常说的红外光谱就是指中红外区的红外吸收光谱。红外光 谱除甬波长入癢征横丛糅外,更常用菠薮(wavenumber)曩征。纵坐标为百分透射比T%o4、红外光谱法的特点(Characteri

13、stics of IR)(1) 特征性高。就像人的指纹一样,每一种化合物都有自 己的特征红外光谱,所以把红外光谱分析形象的称为物质 分子的“指纹”分析。(2) 应用范围广。从气体、液体到固体,从无机化合物到 有机化合物,从高分子到低分子都可用红外光谱法进行分 析。用样量少,分析速度快,不破坏样品。:、红外光谱基本原理产生红外吸收的条件红外光谱是由于分子振动能级(同时伴随转动能 级)跃迁而产生的,物质吸收红外辐射应满足两 个条件:辐射光具有的能量与发生振动跃迁时所需的能量相 等;辐射与物质之间有偶合作用。几种振动形式(mode of vibration )分子中原子的振动分为三种类型:伸缩振动(

15、振动非对称伸缩振动四原子伸缩振动AX3型,面外伸缩振动)弯曲振动(bending vibration)(1)三原子弯曲振动AX?型(比)于分别表示运动方向垂直纸面向里与向外.于分别表示运动方向垂直纸面向里与向外.平面摇摆振动xH面内非平面摇摆振动剪式振动扭曲振动面外于分别表示运动方向垂直纸面向里与向外.(2)四原子弯曲振动AX?型对称变角振动“非对称变角振动对称伸缩振动非对称伸缩振动平面摇摆振动G扭曲振动非平面摇摆振动亚甲基的振动模式(三)变形振动 (deformation vibration )芳环化合物、环烷及其他类型的环状化合物,其光谱图中 不少谱带与骨架的变形振动有关,这种振动分面内和

16、面外 变形振动两种形式。以五元环为例:面内交形振动面外交形振动向你靠近6向你离去(四)振动方程式(经典力学)mmHookas LawF = -kx厂d2xF = ma = m1x=0x=x0vmrd2x t m = -kxd2tk化学键的力常数;叫为双原子的折合质量d2t(四)振动方程式可见,影响基本振动频率的直接因素是相对原子质 量和化学键的力常数。谐振子的振动频率和原子的质 量有关,而与外界能量无关,外界能量只能使振动振 幅加大(频率不变)。对于多原子分子中的每个化学键也可以看成一个 谐振子。对于同类原子组成(即折合原子质量相同)的不同化学 键,其伸缩振动频率随化学键强度的增大而升高,如:

17、“单健V V双健V 三健对于同类化学键的不同原子团,其伸缩振动频率随原子量 的增大而降低,女,v c-h、n-h、o-H在v c-c、c-n、c-o在 cmV C-Ck C-Br、c-i在v 1000cm对于化学键和折合原子量都相同的基团,由于键长变化比 键角变化需要更多的能量,故伸缩振动频率出现在高波数 区,变形振动频率出现在低波数区,如:A分子的振动、转动和振转光谱当原子的质量和化学键给定时,用经典力学方法得到的振 动光谱理论上应是一条很窄的谱线,而实际上谱线都是有 一定宽度的吸收带;这些吸收带在一定的条件下用高分辨仪器可以进一步分辨 出是由众多精细结

18、构的吸收集合而成;此外,在接近振动频率的整数倍处,或在两个振动频率之 和或之差的波数处,都可以找到强度虽很弱,却肯定存在 的所谓倍频、合频、差频的现象等吸收带。这些都难以用经典力学的方法来解释。所以,我们从量子力学的角度来解释这些现象。基频峰是分子吸收光子后从基态(V=0)跃迁到第一激发态态跃迁到第 三激发态 收峰,称为2 i泛频峰:一(V=l)产生的吸收。倍频峰(2v)是分子/ 二激发态(V=2),(V=3),所产生E 倍频峰,3倍频峰, 般很弱,难以检测出 合频峰苕在两个以.建频峰波数之 和3 1+卜2, 2v 1-卜2等)处出现 的吸收峰孑组频峰 差频峰在两个以上基频峰波数之差 (vl-

19、v2, 2v2v2等)处出现的吸 收峰。热峰來源于跃迁时低能级不是基态 的一些吸收峰。1尸二0J=j=6420Is_ 2纯电子跃迁I VOA双原子分子的三种能级跃迁不意图因此,红外光谱中某些泛频峰的出 现,都会使吸收峰数多于根据分子振 动方程计算得到的基本振动数。1-)分子的振动光谱解薛定铐方程,可得分子的振动能量:E 振=(V +1/ 2)hv = (v + l/2)hvCV/化学键的振动频率;V:振动量子数,取0,1,2,。任意两个相邻的能级间的能量差为:_ 2纯电子 跃迁64 20j纯Vz= 0AE = E(v + 1)-E(v) = hv =双原子分子的三种能级跃迁于意图发生振动能级跃

21、m11428.6 cm1化学键键强越强(即键的力常数R越大),原子折合质量越 小,化学键的振动频率越大,吸收峰将出现在高波数区。由振动方程可知,双原子分子的振动运动只有一条谱线,这 一结果与实验结果大致一致。= 1覧566R, 0836. J; 10923. cm1图H3氮化筑分子的近红外光诺强.叟分tr可以看到心/的基频线,位于2885.9 cm-1,强度最强。但实际的双原子分子只是近似符合简谐振子模型,非简谐振子模型修正后,可 以存在具体的选律,/卩二1, 2, 3,这可以解释倍频存在的原因。(二)分子的转动光谱对应波长为转动光谱涉及的能量较小,约为10久10%V乙可, 1001000 u

22、 m,属于远红外区。从能级图上可知,转动运动可以直接影响振动光谱 假设双原子分子为刚性哑铃型模型,解薛定铐方程欢原子分子的三种能级跃迁示意图欢原子分子的三种能级跃迁示意图2斫川+1)缶二 EhcJ(J+l)B = sic/总转动惯量,丿转动量子数。”一一 6420 j ,一一 j纯电子跌9E纯转动纯振動 = 破迁 朕迁欢原子分子的三种能级跃迁示意图根据选律,只有/J=l是允许的,所以NE=2B(J+I)hcv = 2B(J + l)在室温下,处于J二o的分子可跃迁到丿二1,丿二1的分子可跃 迁到归2,其波数由上式决定,并且,波数之间的差为:h4 兀/V*所以,由于丿的不同,转动光谱应为一系列等

23、距离的谱线,它们的 间距为2B。表3 HC1分子的远红外吸收光谱谱线 序数..0....0.接近常数,约为20.68cm-1由的实验值可以计算键长Av = 2B =h4tt2ICh4兀2血如:HC1分子的键长为42mrC(Av)= 1.28A转动光谱在有机结构分析中应用价值不高,但转动光谱与 振动光谱共同形成的振转光谱是应用最广的红外光谱。(三)分子的振转光谱由于转动光谱涉及的能量较小,所以分子受激发产生振动能级跃迁 时,

的谱线,也就是振转光谱会出现分支。根据分子的振动特点,可将化合物分为以下两种 类型:a.振动过程中分子的偶极矩变化平行于分子轴,服从zlJ=l的选律。 当、即厂二丿+/时振转=“振 + 2B(J + 1)取丿=0、1

26、分为两条谱线,这是因为氯原子有两个 同位素C135和C137的缘故,同位素效应。在HC1中,代替每一个单独的谱带,会出现两个谱带,一个与HC135对应,另一 个与HC0对应。HC0的谱带相对于HC135的谱带向长波方向有一个小位移。实 际上,当分辨本领足够大时,HC1转动振动谱带表明,所有的谱线都是双线; 每条谱线都有一条位于长波一边的强度较小的伴线。HC1分子同位素位移随着HC1谱带中的各条谱线序数m的增大而加大。b振动过程中分子的偶极矩变化垂直于分子轴,服从41=0、1、 的选律。当劭=0时,即厂二丿时V振转=振该式给出与丿值无关的Q分支,即振动光谱的真实波数。 在/二 1时同样可得P分支

27、和R分支。 1一6甲烷蒸汽的振转光谱四、红外光谱与分子结构间的关系 1、振动自由度双原子分子只有伸缩振动方式,多原子分子的振动虽 然复杂,但可分解为许多简单的基本振动(伸缩振动 和变形振动)。其基本振动的数目称为振动的自由 度,即基频吸收峰的数目。分子中每个原子都沿着空间三个互相垂直的坐标X、 Y、Z方向运动,即每个原子有三个自由度。1振动自由度a、含有N个原子的非线性分子,其振动光谱理 论上应该有3N-6个吸收如HqO的振动自由度3N-6=3*3-6二3对称伸缩振动3652cm、不对称伸缩振动3756cm 剪式振动1595cm1b、线性分子(如乙烘),由于其只有二个转动自由度,因此有3N-5

28、个吸收zJ无效JI|有效|有效吸收峰数目低于理论数的原因有些振动运动为非红外活性,没有偶极矩的变化,因 此没有红外吸收。有些振动其吸收频率相同或过于接近,因而导致吸收 带的简并。有些吸收的强度太弱淹没在噪声中而无法测岀。2、红外光谱的吸收强度定性分析通常以表观克分子消光系数ea (摩尔吸 收系数)的大小进行划分;表4红外吸收强度及其表示符号表观克分子消光系数”表示符号200VS (很强)75200S (强)25 75M (中等强)525W (弱)05VW (很弱)摩尔吸收系数啲测量从Lambert-Beer定律来。clc为浓度(mol/L)/为小池厚度(cm)/和分别为入射光的透射光强度o由于

29、红外吸收带的强度比紫外、可见弱得多,即使是强极性基团振动产生 的吸收带,其强度也比紫外、可见的低23个数量级。且红外辐射源的强度也比较弱,这就要求仪器的狭缝较宽,受狭缝宽度的 影响,同一物质的随仪器不同而不同,所以小在定性鉴定中用处不 夫。3、红外光谱的解析红外光谱可以用振动方程以及振转方程进行谱 解析,也可以运用分子的对称因素以点阵图解 法进行归属,但这些方法只适用于简单分子。实际的红外光谱解析往往应用基团频率法。基团频率指的是分子中某一基团其振动频率很少受分子其 余部分振动的影响,对于不同类型分子中的同一基团,其 振动频率也较为固定。如:2800 - 3000 cm1 CH3 特征峰;16

30、00 - 1850 cm-1 C二O 特征峰;基团所处化学环境不同,特征峰出现位置变化:CH2-CO-CH?1715 cnrCH2-CO01735 cmch2-CONH1680 cm酯 酰胺基团频率的影响因素分子中原子的质量。与碳原子相连的原子的质量 远远大于或小于碳原子的质量,则这些基团的振 动吸收频率较固定,反之,则变化很大。女口 v ch(3000cm)、v 阳( cm)、v OH( cm1) C-Cl, C-Br, CI频率比较固定,而C-N, C-C的振动频率变化范围很大原子间的力常数。若某一基团涉及到许多化学 键,即与许多力常数有关,则该基团的吸收

33、 6 0 (反)R-Ar-H650-900、H-C-H14 5 0基团吸收带数据常见基团的红外吸收带N-HC=N C=NC H, N-H O-H 0_.500t指纹区特征区分子的不饱和度定义:不饱和度是指分子结构中达到饱和所缺一价元素的 “对”数。如:乙烯变成饱和烷桂需要两个氢原子,不饱和度 为计算:若分子中仅含一,二,三,四价元素(H, O, N,C),则可按下式进行不饱和度的计算:Q = l+n4 +(n3 _ n1 )/2兀4,“3,幻分别为分子中四价,三价,一价元素数 目。作用:由分子的不饱和度可以推断分子中含有双键,三键, 环,芳环的数

34、目,验证谱图解析的正确性。 Q=0,表示是链状饱和化合物; 0=1,表示分子中有一个双键,或一个饱和环; 0=2,表示分子中有两个双键,或一个三键,或 一个双键和一个饱和环; Q二3,表示分子中有三个双健,或一个双键和一 个三键,或两个双键和一个饱和环; Q =4,表示分子中有一个苯环(或三个双键和一 个饱和环),或两三键和一个饱和环。例:C9H8O2IIc = c cOHQ = 1+9+( 0-8 )/2 = 6稠环芳桂的不饱和度1 = 4r-s厂为稠环芳桂的环数,s为共边数。如:Qy气r=2, 5=1,所以Cl 4r-s4 X2-1 7(即五个双健和二个饱和环)红外识谱歌红外可分远中近,中

35、红特征指纹区, 1300来分界,注意横轴划分异。 看图要知红外仪,弄清物态液固气。 样品来源制样法,物化性能多联系。识图先学饱和怪,三千以下看峰形。2960、2870是甲基,2930、2850亚甲 峰。1470碳氢弯,1380甲基显。二个甲基同一碳,1380分二半。 而内摇摆720,长链亚甲亦可辨。烯氢伸展过三千,排除倍频和卤烷。 末端烯坯此峰强,只有一氢不明显。 化合物,又键偏,1650会出现。 烯氢而外易变形,1000以下有强峰。 910端基氢,再有一氢990。顺式二氢690,反式移至970; 单氢出峰820,干扰顺式难确定。块氢伸展三千三,峰强很大峰形尖。 芳姪呼吸很特征,1600143

36、0o ,取代方式区分明。900650,而外弯曲定芳氢。 五氢吸收有两峰,700和750; 四氢只有750,二氢相邻830;间二取代出三峰,700、780, 880处孤立氢醇酚轻基易缔合,三千三处有强峰。 CO仲展吸收大,伯仲叔醇位不同。1050伯醇显,1100乃是仲,1150叔醇在,1230才是酚。 1110K链伸,注意排除酯酸醇。若与n键紧相连,二个吸收要看准, 1050对称峰,1250反对称。苯环若有甲氧基,碳氢伸展2820。 次甲基二氧连苯环,930处有强峰, 环氧乙烷有三峰,1260环振动, 九百上下反对称,八百左右最特征。缩醛酮,特殊醛,门10非缩酮。酸酹也有CO键,

37、开链环酹有区别, 开链强宽一千一,环酹移至1250。红外识谱歌拨基伸展一千七, 吸电效应波数高, 张力促使振动快,2720定醛基。 共轨则向低频移。 环外双键可类比胺尖常有干扰见,N H仲展三千三, 叔胺无峰仲胺单,伯胺双峰小而尖。 1600碳氢弯,芳香仲胺千五偏。二千五到三千三,竣酸氢键峰形宽,920,钝峰显,竣基可定二聚酸、酸酹千八来偶合, 链状酸酹高频强,双峰60严相隔, 环状酸酹高频弱。八百左右面内摇, 伸展弯曲互靠近,仲胺盐、叔胺盐, 亚胺盐,更可怜,确定最好变成盐。 伯胺盐三千强峰宽,2700上下可分辨,2000左右才可见。竣酸盐,偶合生,拨基伸缩出双峰,1600反对称,1400对

38、称峰。硝基伸缩吸收大,相连基团可弄清。1350、1500,分为对称反对称。1740酯拨基,1180甲酸酯, 1220乙酸酯, 1600兔耳峰,何酸可看碳氧展。1190是丙酸,1250芳香酸。常为邻苯二甲酸。氨基酸,成内盐,峰形宽。 1600、1400酸根展,1630、1510 碳氢 弯。盐酸盐,竣基显,钠盐蛋白三千三。氮氢伸展三千四,每氢一峰很分明。 琰基伸展酰胺I, 1660有强峰;N H变形酰胺II, 1600分伯仲。 伯胺频高易重叠,仲酰固态1550; 碳氮伸展酰胺III, 1400强峰显。矿物组成朵而乱,振动光谱远红端。钝盐类,较简单,吸收峰,少而宽。注意超基水和钱,先

39、记几种普通盐。1100是硫酸根,1380硝酸盐,1450碳酸根,一千左右看磷酸。硅酸盐,一峰宽,1000真壮观。勒学苦练影灾践,红外识谱不算难。五、红外分光光度计infrared absorption spectrometer两种类型:色散型干涉型(傅里叶变换红外光谱仪)色散型红外分光光度计的结构本节主要内容色散型红外分光光度计的基丕部性红外分光光度计的主要性能及指标测试红外分光光度计的使用及维护1、红外分光光度计的基本部件(1)光源理想的红外光源在测定波长范围内应能够发射出能量均 匀的连续光谱。最理想的光源是黑体辐射,其辐射波长和 强度可用Planck定律表示:W、光谱辐射通量密度(Wcm2

40、unr】)Globar光源(硅碳棒):两端粗,中间细;直径5 mm,长20-50mm; 不需预热;两端需用水冷却Nemst光源:氧化错、氧化铠和氧化饪烧结制成的中空或实心圆棒,直 径1-3 mm,长20-50mm;室温下,非导体,使用前预热到800 C; 特点:发光强度大;寿命0.51年;其它光源:某些能稳定在高温工作的发热元件,如用电热丝直接加热发 光,或用套在陶瓷管中的钳铁丝加热发射红外光。(2)色散系统(单色器)狭缝:直接决定单色光的纯度和能量,在一定范围内狭 鑼关小可以挺咼分辨率;光路系统:应能保证光线以最小的损失经过色散后射 出。色散元件:棱镜:对不同的光线具有不同的折射率 光栅:一

41、般用的都是刻制衍射光栅光栅光栅方程.n kasin a + sm p =aa为入射角,为衍射角,a为槽间距,久为波长,比为衍射级数,取正或负整数值入射光图2-8衍射光栅示意圈1=为单位长度上的槽数72若心0,贝lj 2sin/7 = 即衍射方向与入射方向相同,这是一个色散型红外分光光度计常用的光路结构光学仪器的分辨率R丄A2二个峰的分琲两个峰被认为能够分辨的评估标准是至少一个峰的最大(峰)处落在另一 峰的第一个最小(谷)处。光栅分辨率R与光栅大小G和总线数N的关系:R = Gn! a = Nn光栅的线色散率(D):每毫米能色散的波长。线性倒数色散率为线色散率的倒数。光栅的能量在光谱级及波长中的

42、分布与凹槽的形状有关。 最高能量集中在一个波长处,该波长称为闪耀波长。光栅的反射面相对于光栅表面的角度e与闪耀波长有关, 称为闪耀角。图2-10光栅的闪翅角(3)检测器真空热电偶:不同导体构成回路时的温差电现象,涂黑金 箔接受红外辐射;高来池(Golay-cell) TGS:居里温度49C,灵敏度随温度变化较大。 DTGS:居里温度62C,热电系数小于TGS,是应用最广 的检测器。一 MCT (汞镉确):组成为Hg (1-x) CdxTe, x02,改 变x值能改变混合物组成,获得不同测量波段灵敏度各异 的MCT检测器。灵敏度高,响应速度快,适用快速扫描测 量和GC/FTIR联机检测。在液氮温

43、度下工作。(4)放大系统热电偶的电动势极小,一般仅有0.4 V左右,信号 受外界电场、磁场和机械振动的干扰,因此必须在尽可 能短距离用高电压比的变压器提高信号电压后,进行前 置放大,调制信号经主放大器放大,再进行解调后输 出,输出电压可达10伏,累计放大倍数可达108。(5)扫描系统2、主要性能及指标测试波数精度波数重现性仪器分辨率 100%线的平直性透过率精度及重现性狭缝程序线性杂散光波数精度反映了仪器所做样品的光谱图横坐标的准确性, 直接影响试样的定量分析。 一般要求: cnr 1, 5 cm-1, 2000400cnr1, 2cm-1 ;检查方法:聚苯乙烯薄膜(50口);

44、液体前 精细的检查:测定氨蒸汽、水蒸气及二氧化碳等气体的精细光谱的吸收峰位置,以做出校正。波数重现性指重复测试同一标样时,各吸收峰的波数 重现性。 一般要求:cm_1, 2 cm-1, 2000400crrr+ 1cm-1检查方法:聚苯乙烯薄膜标样,重复测定 23次仪器分辨率指仪器能够清晰分离岀相邻两个峰的最小间隔波 数。检查方法:粗测:聚苯乙烯cm的7个峰的分辨程度 和峰的深度来衡量。精测:气体NH3 (1012cm-1 )或HC1(cmi)的精细结构的分辨程度100%线的平直性反映了照射到检测器上的两束光在整个波数范围内的平衡 状况。 一般要

45、求:v4% 检查方法:在整个波数范围内作100%线扫描,检查其平直程度,可以检查仪器的工作状态。光学系统的不平衡 仪器老化电平衡不好:往往在CO?和比0吸收区基线波动很大。仪器性能下降时,在100%线的两个尽端不易保持平直透过率精度及重现性透过率线性主要受光楔制作精度和杂散光的影响。检查方法:用一套已知透过率的标准滤光片,先关闭样品 光束调节仪器的透过率为0,然后开启样品光束测定各标 样滤光片的透过率,即可确定实测值与标准值之间的透过 率偏差。透过率重现性是指重复测定同一物质时,各吸收峰透过率 的重现性。检查方法:用聚苯乙烯标样重复测量23次进行观察。在 低吸收处透过率的重现程度比较易察觉。

46、一般要求,在30100%透过率范围重复误差为土0.5%, 0-20%透过皋范围,重复误差1.5%。狭缝程序线性指在整波段范围内,狭缝宽度随不同各波长而变,达到检 测器输出能量的一致性,故又称为能量曲线。检查方法:用单光束在整个波长区间扫描大气中的C02和 比0的吸收曲线,观测基线的平直度。要求:在全程光谱中,最高基线与最低基线处的偏离度小 于 20% o与加入的固定测试信号作比较,如果能量恒定,则基本基线 保持平直;从基线的位置还可以知道检测器的灵敏度下降程度。杂散光杂散光指未透过样品而到达检测器的光,或虽透过样品但 不是对样品进行光谱扫描的单色入射光,如高阶光谱的光 源以外館漏杂丸、散直寸丸等。杂散光会降低样品的光谱图谱透过率范围,影响吸光度与 浓度的线性关系,从而给定量分析带来困难。检查方法:通过测试各种截止透过波长的红外材料的透光 率来进行。在测试某波长的杂散光时,将具有相应截止波 长的材料置于样品光路,则在透过率值应为0的波束上所 测得的透过率值即为仪器的杂散光值。要求vl2%。3、红外分光光度计的使用及维护属于光学精密仪器;需置于恒温、湿度较低、灰尘尽可能少、 无腐蚀性气体的房间;有稳定的电源、良好的屏蔽及专用地线; 所有的光学元件均不可用任何材料擦拭。

  红外光谱的技术在各领域中的应用相继经历了很长时期,逐渐完善着自身技术在领域中的应用,且将低成本高性能作为发展与创新的主要方向。伴随技术在科学中的发展,已经研发至基于傅里叶变换法的红外光谱测试仪,为应用的领域开辟了相对广阔的道路。在现今环境科学中的应用,主要是监测环境的污染情况以及对平突发类型的污染进行控制分析等。

  依照波数的范围,将其分为近、中、远红外3种区域。其中近红外的波数范围约在13000~4000cm-1间,中红外的波数范围约在4000~400cm-1间,远红外的波数范围约在400~100cm-1间。

  在20世纪初,在红光谱技术领域已有100多种有机化合物的红外光谱图,给有机化学家提供了鉴别未知化合物的有力手段。

  到50年代末,红外光谱数据已经累积得非常丰富了。

  到了70年代,在电子计算机蓬勃发展的基础上,傅立叶变换红外光谱实验技术进入现代化学家的实验室,成为结构分析的重要工具,它的特点是高灵敏度、高分辨率、快速扫描、联机操作和高度计算机化。

  红外光谱是一种分子吸收光谱,利用红外光谱法对有机物进行定性和定量的检测,通过红外线光谱仪发出红外线光线,再将光线照射到待检测物体的表面,有机物因其吸收特性会吸收红外光,从而产生红外光谱图。

  技术人员可根据光谱图找到与吸收峰相对应的化学基团数据库,对待测物质的构成和所属状态进行定性分析。此外,红外光谱技术还可用于定量分析,测定物体的主要组成成分的含量。

  红外光谱含有多种可供选择的特征波长,因此,固态、液态、气态物质均可通过红外光谱技术进行定量分析。例如通过采取傅里叶数字滤波方式可对饮料进行光谱数据的预处理,再根据其他化学、物理和统计方法对饮料中水分、能量、糖类等物质进行定量检测。

  红外光谱是由于分子振动能级的跃迁(同时伴随转动能级的跃迁)而产生的。红外光谱在化学领域中的应用大致可分为两个方面:

  ①分子结构的基础研究,应用红外光谱测定分子的键长、键角来推断、研究分子的基本结构。

  ②化学组成的分析,根据光谱中吸收峰的位置和形状来推断未知分子的结构。用红外光谱作样品分析时基本不需处理,且不破坏和消耗样品,自身又不污染环境。

  红外光谱可分为近红外光谱技术、远红外光谱技术和傅立叶变换红外光谱技术。

  近红外光谱技术的分子中存在4种不同形式的能量,分别是平动能,转运能,振动能和电子能。在近红外光谱技术中,近红外区域产生的倍频和合频的吸收往往比中红外弱,背景十分复杂,谱峰重叠的现象十分严重,有时必须借助化学计量方法才能提供有效的信息。

  远红外光谱技术是利用物体在远红外区的吸收光谱,这个区域的光源能量十分弱小,吸收谱带主要是气体分子中的纯转动跃迁和液体中重原子的伸缩振动,因此一般不在远红外光谱区进行定量分析。

  傅立叶变换红外光谱技术是一种快速,无损食品分析的检测技术,主要通过与化学计量学的方法相结合,实现定性定量分析。

  近光谱在应用的过程中,主要采用的是一种电磁波的形式,这种电磁波主要处于可见光以及中红外光之间,具有较强的谱图特征,并且可以体现出较多的信息内容,不会受到环境因素的影响。在20世纪60年代提出近红外光谱法以后,这一技术的应用就变得十分广泛。

  近红外光谱技术是具有显著特点的,首先具有简单的特点:

  1、不需要进行繁琐的处理就可以实现应用,并且获得理想的化学反应效果;

  2、是具有快速的特点,这样就能有效的缩短检测时间;

  3、是更加GX,在整个检测的过程中,可以互相不受影响的完成多个样品的检验工作,将相应的化学指标确定下来;

  4、是具有环保性的特点,在整个过程中不会受到严重的污染;

  5、是经济性,可以对检测成本加以有效的控制;

  6、具有广泛的应用性。

  在当前的检测过程中可以发现,其检测的领域正在不断扩大,更好的为今后的发展做出积极的贡献。

  但是这一光谱技术也存在一定的不足之处,主要表现在以下几个方面:

  1、灵敏度以及吸收方面,具有比较微弱的特点,在通常情况下,对于检测含量的要求需要达到0.1%以上。

  2、会引起吸收峰的重叠,这样就会对检测的结果造成十分严重的影响。在测得光谱数据的过程中,主要采用的方式是数学方法,这样才能加以进一步的定量以及定性分析。

  3、在建模的工作中具有一定的难度,所以这就需要具有专业知识的工作人员进行,选择具有代表性的样品,并且与相应的化学分析手段相互配合,这样才能具有更加jing准的要求。

  4、在模型的应用过程中,对应的不同模型只能在一段时间以及范围中有效,所以还需要加以进一步的改进与完善。

  远红外光谱是指物质在远红外区的吸收光谱。一般将25-1000μm的红外波段划为远红外区。此区内的吸收谱带主要是气体分子中的纯转动跃迁、振动-转动跃迁和液体与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灵敏地反应物质结构的变化,所以对异构体研究特别方便。此外,对于有机金属化合物(包括络合物)、氢键、吸附现象的定量分析,远红外光谱也很有效。在环境分析测试中,远红外光谱区光源能量弱,除非其他波段没有合适的谱带,一般都不在此区内做定量分析。

  木材远红外光谱特性:所有自然之物都是红外辐射体,其辐射光谱、强度均与其物质组成、温度、辐射率、反射率、透过率、吸收率,乃至表面纹理、粗糙度以及是否是热的良导体,处于什么环境有关。在红外探测时必须进行目标、背景辐射特性研究,还可以利用红外辐射特性来鉴别物体物质,反演大气成分等等。

傅立叶变换红外光谱技术

  自1908年Coblentz设计出氯化钠棱镜的光谱仪以来,100年间红外光谱仪得到了飞速的发展。至今已经发展了3代。第1代是棱镜色散型红外光谱仪,1944年由Perkin-Elmer公司生产了国际上第1台红外光谱仪,它的色散元件是氯化钠(或氯化钾)晶体制成的棱镜。

  20世纪60年代后,分光元件从棱镜逐渐发展到红外光栅,出现了第2代光栅型色散式红外光谱仪。

  20世纪70年代中期计算机控制的色散型红外光谱仪问世,使数据处理和操作更为简便。色散型红外光谱仪包括第1代和第2代,均采用电机-机械带动单色器通过狭缝进行逐步单元扫描法实现分光的目的。但这种方法在分辨率、扫描速度、灵敏度、减少杂散光等方面的进一步提高遇到极大的困难。

  20世纪80年代中期,傅立叶变换红外光谱(FTIR)仪逐渐取代了色散型红外光谱仪。1986年前后,国际上大多数厂家宣布停止生产光栅红外光谱,全面转入生产干涉分光傅立叶变换红外光谱仪。

  我国在20世纪70年代开始从国外引进傅立叶变换红外光谱仪;进入80年代,我国开始大批量引进傅立叶变换红外光谱仪。目前傅立叶变换红外光谱仪已经遍布我国高等学校、科研机构、厂矿企业等各个分析测试行业。

  傅立叶变换红外光谱仪较早期的色散型仪器具有更高的信噪比,不仅提高了灵敏度而且缩短了测量时间,这是傅立叶变换光谱法Z基本的优点。另外傅立叶变换光谱仪还具有光通量大、光谱范围宽、分辨率高、杂散光少、适合于联机应用等优点。

  如今FTIR技术在分析化学领域,尤其是在结构表征、化合物定性、反应动力学等方面有着广泛的应用。

  1、鉴定有机化合物

  红外光谱法广泛用于有机化合物的定性鉴定和结构分析。定性鉴定包括已知物的鉴定和未知物结构测定。已知物的鉴定是将试样的谱图与标准的谱图进行对照,或者与文献上的谱图进行对照。未知物结构的测定是红外光谱法定性分析的一个重要用途。

  红外光谱定量分析是通过对特征吸收谱带强度的测量来求出组分含量。其理论依据是朗伯比尔定律。由于红外光谱的谱带较多,选择的余地大,方便对单一组分和多组分进行定量分析。

  2、在材质分析中的应用

  在产品生产过程中,材质分析能为企业在材料性能、材料选择、材料应用等方面提供非常重要的帮助。而红外光谱因其在鉴定材料方面具有操作简便、快速、准确的优点而得到了广泛应用。

  有学者用傅立叶变换光谱仪对高密度聚乙烯(HDPE)塑料和低密度聚乙烯(LDPE)塑料进行红外测试,据此总结出一套表征聚乙烯的有效方法。

  3、在医学中的应用

  生物医学领域为探测疾病的组织光谱学特征,国外曾用红外光谱技术的方法寻找疾病指标,但敏感性与可重复性很低。

  直到20世纪五六十年代,振动光谱学设备获得巨大发展,相应的方法技术才被广泛采用。在我国,有学者用傅立叶变换红外光谱法对天然牛黄中胆红素钙的含量进行了定量测定,还有学者采用傅立叶变换红外光谱分析法对蜂王浆中的王浆酸进行了定性及定量测定,他们都得到了满意的结果。他们利用红外光谱技术建立了微胶囊的形态学和胶囊大小的相关性。

  在药物固态剂量分析中,近红外光谱技术的应用是药物分析的重大进步,它使近红外光谱技术可以进入过程分析,聚合物光谱技术已用于制药过程的混合、造粒、封装、粉磨压片等过程。无损形态剂量分析,这在成品药物的质量检验中非常重要,由于容易实现在线和现场分析,从而避免出现批次药物不合格的情况。

  4、在食品分析中的应用

  近红外光谱常常用于鱼、肉制品、牛奶等人们日常生活中食品的品质检测;在水果的检测中,近红外光谱还可用于苹果、梨中糖的检测分析;在啤酒生产中,酒精含量、糖分含量均可以使用近红外光谱在生产过程中进行监测。

  近代科学家还利用红外光谱法,建立了甜菜中糖含量的标准方程,在不损坏甜菜的情况下,快速鉴别甜菜的质量。采用红外波谱技术测定食品中添加剂、防腐剂的含量。

  5、在石油工业中的应用

  在石油工业领域,红外光谱技术发挥着重要的作用,在石油炼制中的应用已涉及石油加工的各个环节,并为石化工业带来巨大的经济效益。其中,Z早也是Z成功的就是利用红外光谱技术测定汽油的辛烷值。

  除在实验室中应用外,由于近红外光谱具有极快的分析速度,且近红外光在光纤中具有良好的传输性能,该技术已广泛用于在线分析。针对我国原油组成和炼油工艺的特点,我们利用近红外光谱技术对汽油、航煤和柴油成分鉴定进行了系统研究。

近现代红外光谱技术的发展

  1、我国红外光谱技术的研究发展状况

  红外光谱技术是鉴别物质和分析物质结构的有效手段,已经广泛用于各种物质的定型鉴定和定量分析,并在研究分子间和分子内部的相互作用方面发挥了重要作用。

  我国对近光谱技术的研究及应用起步较晚。我国红外光谱技术Z早的应用是在农业中。在医学领域,红外光谱技术得以广泛推广,不同于国外利用石蜡标本进行分析,国内早期便开展傅里叶变换红外光谱技术对胆石结构与组分的研究。

  目前,研究侧重于对新鲜离体或在体组织良恶性鉴别的应用上。随着ATR探头的应用普及,此项技术已日臻完善。北京大学第三医院凌晓锋等对利用傅里叶变换红外光谱在恶性肿瘤早期诊断中的作用进行系统综述,总结了消化系统、生殖系统、乳腺癌、呼吸系统、血液和造血系统的傅里叶变换红外光谱研究进展,认为此方法不仅无创快速,更提高了恶性肿瘤的诊断水平。

  1995年以来,红外光谱技术已受到了多方面的关注,并在仪器的研制、软件开发、基础研究和应用等方面取得了较为可喜的成果。但是,目前国内能够提供整套近红外光谱分析技术(近红外光谱分析仪器、化学计量学软件、应用模型)的公司非常少。

  2、红外光谱数据库的发展趋势

  随着计算机的普及,红外光谱分析与薄层色谱法、GX液相色谱法、气相色谱法、GX毛细管电泳法、紫外光谱法、红外光谱法、核磁共振和X射线衍射法、质谱及分子生物学技术连用,为红外光谱的应用开辟了更广阔的领域。

  【仪器网 行业应用】红外光谱又称分子振动光谱或振转光谱,是分子选择性吸收某些波长的红外线而引起的分子中振动能级和转动能级的跃迁,检测红外线被吸收的情况就可得到物质的红外吸收光谱。

  红外光谱原理是在有机物分子中,组成化学键或官能团的原子处于不断振动的状态,因为其振动频率与红外光的振动频率相当。所以用红外光照射有机物分子时,分子中的化学键或官能团可发生振动吸收,不同的化学键或官能团吸收频率不同,在红外光谱上将处于不同位置,从而可获得分子中含有化学键和官能团的信息。

  红外光谱法实质上是一种根据分子内部原子间的相对振动和分子转动等信息来确定物质分子结构和鉴别化合物的分析方法。将分子吸收红外光的情况用仪器记录下来,就得到红外光谱图。红外光谱图通常用波长或波数为横坐标,表示吸收峰的位置,用透光率或者吸光度为纵坐标,表示吸收强度。

  红外光谱的适用性非常广泛,不仅可以检测固态、液态及气态样品,还可以检测无机、有机、高分子化合物。由于红外光谱具有测试快速、操作方便、灵敏度高、样品用量少等特点,已成为现代结构化学和分析化学不可缺少的工具。

  1、对于未知化合物的结构鉴定与分析。

  2、已知化合物的定量分析和纯度鉴定。

  3、分子的结构和化学键的研究。

  4、对于化学反应动力学、晶变、相变、材料拉伸与结构的关系研究。

  5、工业流程与大气污染的连续检测。

  6、煤炭行业中对游离二氧化硅的监测。

  7、制药、食品、环保部门的卫生检疫。

  8、石油、化工、光学镀膜、材料科学等领域的检测。

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