节红外光谱仪器四章红外吸收光谱分析法
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红外吸收光谱分析法FTIR
光谱解析难度大
红外光谱的复杂性较高，需要专业的 知识和技能进行解析，对分析人员的 要求较高。
仪器成本高
FTIR仪器的制造成本较高，使得其普 及和应用受到一定限制。
测试时间较长
与一些其他分析方法相比，FTIR的测 试时间可能较长，需要更多的时间来 完成分析。
未来发展前景
提高检测灵敏度和分辨率 通过改进仪器性能和技术，提高 FTIR的检测灵敏度和分辨率，使 其能够更好地应用于微量样品和 高精度分析。
环境监测
FT-IR可以用于环境监测领域， 如气体分析、水质分析、土壤
分析等。
02 ftir仪器组成
光源
光源是红外傅里叶变换红外光 谱仪（ftir）中的重要组成部分， 负责提供足够能量和合适波长 的红外辐射。
常见光源有硅碳棒、陶瓷气体 放电灯、远红外激光等。
光源的选择直接影响ftir的灵敏 度和分辨率，因此需要根据实 验需求选择合适的光源。
小型化和便携化 为了方便现场快速检测和实时监 测，FTIR仪器的小型化和便携化 成为一个重要的发展方向。
拓展应用领域 随着FTIR技术的不断成熟和普及， 其应用领域将会进一步拓展，包 括生物医学、环境监测、食品安 全等领域。
智能化和自动化 通过引入人工智能和自动化技术， 实现FTIR分析的智能化和自动化， 提高分析效率和准确性。
基频峰
分子振动能级跃迁产生的谱线，是红外光谱中最 强的峰。
特征峰
与分子中特定化学键或振动模式对应的峰，可用 于鉴定化合物结构。
谱图解析方法
峰位置分析
通过分析峰的位置，确定特定化学键或基团的存在。
峰强度分析
通过分析峰的强度，了解分子中特定化学键或基团的相对含量。
峰形分析
红外吸收光谱分析法
红外吸收光谱分析法
一、红外吸收光谱分析法概述
红外吸收光谱分析法是一种利用物质的红外光吸收能力来探测它们的物质组成的技术。
它特别适用于有机化合物和无机化合物的光谱分析。
通过分析红外吸收光谱，可以检测物质中的有机键、C-H键、C-O键或N-H 键的存在和位置，从而鉴定出物质的化学结构和性质。
红外光吸收法的原理是，物质中的分子、晶体或其他结构会在不同的波长处吸收光，产生光谱，这些吸收光谱是物质的独特特征，反映出物质的特性。
根据这种特性，分析用不同波长的光照射样品，并从所得到的光谱中提取出电子激发、分子振动等信息，从而得到物质的结构和性质。
二、红外吸收光谱分析法基本原理
红外吸收光谱分析法的原理是，当物质受到红外幅射的照射时，它的分子会产生振动和旋转，这些振动和旋转的能量会转化为更高能量的电子跃迁。
这些电子跃迁会引起物质材料吸收一些具有特定波长的红外光，从而产生在不同波长的吸收光谱，通过分析这些吸收光谱，就可以求取物质分子的结构和性质。
红外吸收光谱法
图4.3 聚苯乙烯红外光谱图
四、紫外吸收光谱与红外吸收光谱的区别
1. 光谱产生的机制不同 紫外：电子光谱； 红外：振－转光谱
2. 研究对象和使用范围不同 紫外：研究不饱和化合物，具有共轭体系； 红外：凡是在振动中伴随有偶极矩变化的化合
物都是红外光谱研究的对象。可研究几乎所有的有 机物。
04:04:06
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二、红外光区的划分
表4.1 红外光谱区划分
区
域
/m
/cm-1
能级跃迁类型
近红外(泛频区)
0.78～2.5
12820～4000
O-H、N-H和C-H键的 倍频吸收区
中红外(基本振动区) 2.5～50 4000～00～10
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红外光谱的表示方法
红外光谱图：纵坐标为透光率（或吸光度），横坐标为波长 λ（ m ）和波数1/λ ，单位：cm-1。 / cm1 104
/ m
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图4.1 苯酚的IR吸收光谱
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图4.2乌桕油的IR光谱
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分子的转动，骨架振 动
最常用的
2.5～15 4000～650
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3. 红外光谱特点 1）红外吸收只有振-转跃迁，能量低； 2）应用范围广：除单原子分子及单核分子外，几乎所有有
机物均有红外吸收； 3）分子结构更为精细的表征：通过IR谱的波数位置、波峰
数目及强度确定分子基团、分子结构； 4）定量分析； 5）固、液、气态样均可用，且用量少、不破坏样品； 6）分析速度快。
五、红外光谱法的特点和应用
特点：与紫外-可见吸收光谱比较 (1) 除了单原子分子和同核双原子分子等少数 分子外，几乎所有化合物均可用红外吸收光谱法 进行研究。适用范围广。 （2）红外光谱可对物质的组成和结构特征提供 十分丰富的信息。其最重要和最广泛的用途是对 有机化合物进行结构分析。
红外光谱分析 红外吸收光谱法
和键力常数之间的关系：
υ=
1
2
（1）
1
105 N
= 2c = 2c
Cm-1 (2)
K为键力常数，其含义是两个原子由平衡位置伸长0.1nm(lA0) 后的回复力，单位是 dyn/cm。
μ’ 为折合质量。 μ’=m1m2/（m1+m2） (m为原子质量)
原子质量用相对原子量代替:
m1=M1/N, m2=M2/N 。
举例：
例：由元素分析某化合物的分子式为 C其4H结6构O2。，测得红外光谱如图，试推测
解： 由分子式计算不饱和度U = 4－6/2＋1= 2
特征区：3 070cm-1有弱的不饱和C—H伸缩振动吸收， 与1 650cm-1的vc=c 谱带对应表明有烯键存在，谱带较 弱，是被极化了的烯键。
1 76பைடு நூலகம்cm-1强吸收谱带表明有羰基存在，结合最强吸收 谱带1 230cm-1和1 140cm-1的C-O-C吸收应为酯基。
跃迁的几率与振动方式有关: 基频(V0→V1)跃迁几率大，所以吸收较强； 倍频(V0→V2)虽然偶极矩变化大，但跃率几率很低， 使峰强反而很弱。
3、振动的量子化处理
根据量子力学，其分子的振动能 E＝(υ+1/2)h v振
在光谱学中，体系从能量E变到能量E1＇，要遵循 一定的规则，即选择定则，谐振子振动能级的选择定则 △υ＝±1。由选择定则可知，振动能级跃迁只能发生在 相邻的能级间 。
2.基本概念
a..偶极矩：当化学键两端的电子电负性不同时，电中性的 分子便产生负电中心的分离，成为极性分子，极性大小用 偶极矩μ衡量，μ＝r×q，即正、负电荷中心间的距离r和 电荷中心所带电量q的乘积。
b.基频：常温下分子处于最低振动能级，此时叫基态，V=0。 从基态V0跃迁到第一激发态V=1，V0V1产生的吸收带
υ=
1
2
（1）
1
105 N
= 2c = 2c
Cm-1 (2)
K为键力常数，其含义是两个原子由平衡位置伸长0.1nm(lA0) 后的回复力，单位是 dyn/cm。
μ’ 为折合质量。 μ’=m1m2/（m1+m2） (m为原子质量)
原子质量用相对原子量代替:
m1=M1/N, m2=M2/N 。
举例：
例：由元素分析某化合物的分子式为 C其4H结6构O2。，测得红外光谱如图，试推测
解： 由分子式计算不饱和度U = 4－6/2＋1= 2
特征区：3 070cm-1有弱的不饱和C—H伸缩振动吸收， 与1 650cm-1的vc=c 谱带对应表明有烯键存在，谱带较 弱，是被极化了的烯键。
1 76பைடு நூலகம்cm-1强吸收谱带表明有羰基存在，结合最强吸收 谱带1 230cm-1和1 140cm-1的C-O-C吸收应为酯基。
跃迁的几率与振动方式有关: 基频(V0→V1)跃迁几率大，所以吸收较强； 倍频(V0→V2)虽然偶极矩变化大，但跃率几率很低， 使峰强反而很弱。
3、振动的量子化处理
根据量子力学，其分子的振动能 E＝(υ+1/2)h v振
在光谱学中，体系从能量E变到能量E1＇，要遵循 一定的规则，即选择定则，谐振子振动能级的选择定则 △υ＝±1。由选择定则可知，振动能级跃迁只能发生在 相邻的能级间 。
2.基本概念
a..偶极矩：当化学键两端的电子电负性不同时，电中性的 分子便产生负电中心的分离，成为极性分子，极性大小用 偶极矩μ衡量，μ＝r×q，即正、负电荷中心间的距离r和 电荷中心所带电量q的乘积。
b.基频：常温下分子处于最低振动能级，此时叫基态，V=0。 从基态V0跃迁到第一激发态V=1，V0V1产生的吸收带
红外吸收光谱法
作业题第四章红外分光光度法第一节概述填空题1、红外光区位于光区和光区之间，波长范围为，习惯上又可将其细分为、和三个光区，应用较多的是光区。
2、红外谱图纵坐标一般为，横坐标一般为。
简答题：红外分光光度法的特点。
第二节基本原理1、分子内部的运动方式有三种，即：、和，相应于这三种不同的运动形式，分子具有能级、能级和能级。
2、一般多原子分子的振动类型分为振动和振动。
3、乙烷的振动自由度是。
4、甲酸的振动自由度是。
判断题：1、对称结构分子，如H2O分子，没有红外活性。
（）2、水分子的H－O－H对称伸缩振动不产生吸收峰。
（）选择题：1、试比较同一周期内下列情况的伸缩振动(不考虑费米共振与生成氢键)产生的红外吸收峰, 频率最小的是( )A C-HB N-HC O-HD F-H3、判断下列各分子的碳碳对称伸缩振动在红外光谱中哪个是非活性的（）A.CH3CH3 B. CH3CCl3C.C CHClHCl D.C CHClClH6、乙烯分子的振动自由度为：A.20B.13C.12D.6E.15答案：DADCCCDEB简答题：1、红外吸收光谱与紫外－可见吸收光谱在谱图的描述及应用方面有何不同?2、什么是红外非活性振动？3、分子吸收红外辐射而发生能级跃迁的必要条件是什么？4、峰位的影响应因素有哪些？5、红外吸收峰强度取决于什么？6、以亚甲基为例说明分子的基本振动模式。
7、特征区和指纹区各有何特点？它们在图谱解析中主要解决哪些问题？第三节红外光谱和分子结构的关系填空题：１、在苯的红外吸收光谱图中(1) 3300～3000cm-1处, 由________υ=CH ________________振动引起的吸收峰(2) 1675～1400cm-1处, 由________υC=C ________________振动引起的吸收峰(3) 1000～650cm-1处, 由__________γC-H ______________振动引起的吸收峰简答题：1、试用红外光谱法区别下列异构体：（1）CH3CH2CH2CH2OH CH3CH2OCH2CH3（2）CH3CH2COOH CH3COOCH3（3）O O2、试解释下列各组化合物羰基C=O伸缩振动吸收频率变化的原因。
仪器分析 第四章--红外吸收光谱法
章节重点：
分子振动基本形式及自由度计算；
红外吸收的产生2个条件；
各类基团特征红外振动频率；
影响红外吸收峰位变化的因素。
第八章 红外吸收光谱分 析法
第三节 红外分光光度计
1. 仪器类型与结构
2. 制样方法
3. 联用技术
1. 仪器类型与结构
两种类型：色散型 干涉型（傅立叶变换红外光谱仪）
弯曲振动：
1.4 振动自由度
多原子分子振动形式的多少用振动自由度标示。
三维空间中，每个原子都能沿x、y、z三个坐标方向独 立运动，n个原子组成的分子则有3n个独立运动，再除 掉三个坐标轴方向的分子平移及整体分子转动。
非线性分子振动自由度为3n-6，如H2O有3个自由度。 线性分子振动自由度为3n-5，如CO2有4个自由度。
某些键的伸缩力常数：
键类型: 力常数: 峰位:源自-CC15 2062 cm-1
-C=C10 1683 cm-1
-C-C5 1190 cm-1
-C-H5.1 2920 cm-1
化学键键强越强（即键的力常数K越大），原子折合 质量越小，化学键振动频率越大，吸收峰在高波数区。
1.2 非谐振子
实际上双原子分子并非理想的谐振子！随着振动量子 数的增加，上下振动能级间的间隔逐渐减小！
（1）-O-H，37003100 cm-1，确定醇、酚、酸 在非极性溶剂中，浓度较小（稀溶液）时，峰形尖锐 ，强吸收；当浓度较大时，发生缔合作用，峰形较宽。
注意区分： -NH伸缩振动：3500 3300 cm-1 峰型尖锐
（2）饱和碳原子上的-C-H -CH3 2960 cm-1 2870 cm-1 反对称伸缩振动 对称伸缩振动
红外光谱分析法
理论上，多原子分子的振动数应与谱峰数相同，但实际上， 谱峰数常常少于理论计算出的振动数，这是因为： a）偶极矩的变化=0的振动，不产生红外吸收, 如CO2； b）谱线简并（振动形式不同，但其频率相同）； c）仪器分辨率或灵敏度不够，有些谱峰观察不到。 以上介绍了基本振动所产生的谱峰，即基频峰（V=±1允许
4.3 红外光谱仪 目 前 有 两 类 红 外 光 谱 仪 ： 色 散 型 和 傅 立 叶 变 换 型 （ Fourier Transfer, FT） 一、色散型：与双光束 UV-Vis 仪器类似，但部件材料和顺序不同。
调节 T%
或称基线调平器
置于吸收池之后可 避免杂散光的干扰
1. 光源 常用的红外光源有Nernst灯和硅碳棒。
设分子的原子数为 n ，
对非线型分子 , 理 论振动数=3n-6 如H2O分子，其振 动数为3×3-6=3 对线型分子，理论
振动数=3n-5
如CO2分子，其理 论振动数为3×3-5=4
非线型分子：n个原子有板有3n个自由度，但有3个平动和3个绕轴转动无能量变化； 线型分子：n个原子有板有3n个自由度，但有3个平动和2个绕轴转动无能量变化。
条件二：辐射与物质之间必须有耦合作用
电场
无偶极矩变化
磁场
无红外吸收
红外吸收 偶极矩变化
交变磁场
分子固有振动
a
（能级跃迁）
2. 分子振动
1）双原子分子振动
分子的两个原子以其平衡点为中心，以很小的振幅（与核间距相比） 作周期性“简谐”振动，其振动可用经典刚性振动描述：
1 k 1 k ( 频率 ) .......... .......或 ( 波数 ) 2 2c k为化学键的力常数（dyn/cm) ; c=3 1010cm/s; 为双原子折合质量
仪器分析 第4章 红外吸收光谱法
4.2 基本原理
4.2.3 多原子分子的振动类型(P56)
伸缩振动 (υ)：键长发生变化 1.简正振动基本形式 变形振动 (δ)：键角发生变化
伸缩振动（υ）
对称伸缩振动（υs）
不对称伸缩振动（υas）
变形振动（δ）
面内变形振动（β）
面外变形振动（γ）
亚甲基的各种振动形式
2. 基本振动的理论数（分子振动自由度）
4.4 试样的处理和制备
4.4 试样的处理和制备
4.4.1 红外光谱法对试样的要求 （1）单一组分纯物质，纯度 > 98%； （2）样品中不含游离水； （3）要选择合适的浓度和测试厚度， 使大多数吸收峰透射比处于10%～80%。
4.4 试样的处理和制备
4.4.2 制样方法 1.气体样品的制备 2.液体和溶液样品的制备 3.固体样品的制备
分子振动自由度：多原子分子的基本振动
数目，也就是基频吸收峰的数目。
基频吸收峰：分子吸收一定频率的红外光后，
其振动能级由基态跃迁到第一
激发态时所产生的吸收峰。
2. 基本振动的理论数
线型分子振动自由度 = 3N – 5(如CO2)
非线型分子振动自由度 = 3N – 6(如H2O)
图5.12 CO2分子的简正振 动形式
来指导谱图解析。
基本概念
基团频率区： 在4000～1300cm-1 范围内的吸收峰，有一 共同特点：既每一吸收峰都和一定的官能 团相对应，因此称为基团频率区。
在基团频率区，原则上每个吸收峰都可以找到归属。
基本概念
指纹区： 在1300～400cm-1范围内，虽然有些吸收也对应 着某些官能团，但大量吸收峰仅显示了化合物 的红外特征，犹如人的指纹，故称为指纹区。
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室温下，非导体，使用前预热到800 C； 特点：发光强度大；寿命0.5-1年；
硅碳棒：两端粗，中间细；直径5 mm，长2050mm；不需预热；两端需用水冷却；
(2) 单色器
光栅；傅立叶变换红外光谱仪不需要分光；
08:04:32
(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；
溶剂： CCl4 ，CS2常用。
3) 固体:
①研糊法（液体石腊法） ②KBR压片法 ③薄膜法
08:04:32
三、联用技术
hyphenated technology
GC/FTIR（气相色谱红外光谱联用） LC/FTIR（液相色谱红外光谱联用） PAS/FTIR（光声红外光谱） MIC/FTIR（显微红外光谱）——微量及微区分析
(2)不需要分光，信号强，灵敏度很高； (3)仪器小巧。
08:04:32
傅里叶变换红外光谱仪工作原理图
（动画）
08:04:32
迈克尔干涉仪工作原理图
（动画）
08:04:32
4. 色散型红外光谱仪主要部件
(1) 光源
能斯特灯：氧化锆、氧化钇和氧化钍烧结制成 的中空或实心圆棒，直径1-3 mm，长20-50mm；
08:04:32
2. 傅里叶变换红外光谱仪结构框图
（动画）
干涉仪
样品室
检测器
光源
计算机
显示器 绘图仪
干涉图 FTS
光谱图
08:04:32
3. 傅立叶变换红外光谱仪的原理与特点
光源发出的辐射经干涉仪转变为干涉光，通 过试样后，包含的光信息需要经过数学上的傅立 叶变换解析成普通的谱图。 特点：(1) 扫描速度极快(1s)；适合仪器联用；
第四节 外谱图解析
analysis of Infrared spectrograph
第五节 激光拉曼光谱
laser Raman spectrometry
结束
08:04:32
傅立叶变换红外光谱仪采用热释电(TGS)和碲镉 汞(MCT)检测器；
TGS：硫酸三苷肽单晶为热检测元件；极化效应 与温度有关，温度高表面电荷减少(热释电)；
响应速度快；高速扫描；
08:04:32
二、制样方法
sampling methods
1）气体——气体池
2）液体：
①液膜法——难挥发液体（BP》80C） ②溶液法——液体池
infrared absorption spectrometer
08:04:32
一、仪器类型与结构
types and structure of instruments
两种类型：色散型 干涉型（傅立叶变换红外光谱仪）
08:04:32
1. 内部结构
Nicolet公司的 AVATAR 360 FT-IR
第四章
红外吸收光谱 一、仪器类型与结构
分析法
types and structure of instruments
infrared absorption spec- 二、制样方法
troscopy，IR
sampling methods
三、联用技术
第四节
hyphenated technology
红外分光光度计
08:04:32
内容选择：
第一节 红外基本原理
basic principle of Infrared absorption spectroscopy
第二节 红外光谱与分子结构
infrared spectroscopy and molecular structure
第三节 红外光谱仪器
infrared absorption spectrophotometer
硅碳棒：两端粗，中间细；直径5 mm，长2050mm；不需预热；两端需用水冷却；
(2) 单色器
光栅；傅立叶变换红外光谱仪不需要分光；
08:04:32
(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；
溶剂： CCl4 ，CS2常用。
3) 固体:
①研糊法（液体石腊法） ②KBR压片法 ③薄膜法
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三、联用技术
hyphenated technology
GC/FTIR（气相色谱红外光谱联用） LC/FTIR（液相色谱红外光谱联用） PAS/FTIR（光声红外光谱） MIC/FTIR（显微红外光谱）——微量及微区分析
(2)不需要分光，信号强，灵敏度很高； (3)仪器小巧。
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傅里叶变换红外光谱仪工作原理图
（动画）
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迈克尔干涉仪工作原理图
（动画）
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4. 色散型红外光谱仪主要部件
(1) 光源
能斯特灯：氧化锆、氧化钇和氧化钍烧结制成 的中空或实心圆棒，直径1-3 mm，长20-50mm；
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2. 傅里叶变换红外光谱仪结构框图
（动画）
干涉仪
样品室
检测器
光源
计算机
显示器 绘图仪
干涉图 FTS
光谱图
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3. 傅立叶变换红外光谱仪的原理与特点
光源发出的辐射经干涉仪转变为干涉光，通 过试样后，包含的光信息需要经过数学上的傅立 叶变换解析成普通的谱图。 特点：(1) 扫描速度极快(1s)；适合仪器联用；
第四节 外谱图解析
analysis of Infrared spectrograph
第五节 激光拉曼光谱
laser Raman spectrometry
结束
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傅立叶变换红外光谱仪采用热释电(TGS)和碲镉 汞(MCT)检测器；
TGS：硫酸三苷肽单晶为热检测元件；极化效应 与温度有关，温度高表面电荷减少(热释电)；
响应速度快；高速扫描；
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二、制样方法
sampling methods
1）气体——气体池
2）液体：
①液膜法——难挥发液体（BP》80C） ②溶液法——液体池
infrared absorption spectrometer
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一、仪器类型与结构
types and structure of instruments
两种类型：色散型 干涉型（傅立叶变换红外光谱仪）
08:04:32
1. 内部结构
Nicolet公司的 AVATAR 360 FT-IR
第四章
红外吸收光谱 一、仪器类型与结构
分析法
types and structure of instruments
infrared absorption spec- 二、制样方法
troscopy，IR
sampling methods
三、联用技术
第四节
hyphenated technology
红外分光光度计
08:04:32
内容选择：
第一节 红外基本原理
basic principle of Infrared absorption spectroscopy
第二节 红外光谱与分子结构
infrared spectroscopy and molecular structure
第三节 红外光谱仪器
infrared absorption spectrophotometer