FTIR实验讲义
实验三 FTIR测定分子结构(定性分析)实验指导书
实验三FTIR测定分子结构(定性分析)实验一. 实验目的1、理解傅里叶红外光谱测试方法的原理；2、掌握FTIR-7600红外光谱仪的基本结构和使用方法；3、掌握红外光谱仪测试不同样品的制备方法，学会固体粉末压片法制备FTIR样品；4、学会用FTIR测试薄膜样品、粉末样品的红外光谱，学会对所测红外光谱图的解析，掌握FTIR定性分析的原理和方法；二. 实验仪器FTIR-7600型傅立叶变换红外光谱仪，薄膜样品(聚苯乙烯薄膜)；KBr固体样品，研钵，压片机，红外烧烤箱；学生自备：手机贴膜，透明塑料块(制备成方块状，较薄)三. 实验原理当用红外光(IR)照射测试样品时，样品结构中的质点会吸收一部分红外光的能量，引起质点振动能量的跃迁，从而使红外光透过物质时被吸收，而产生所谓的红外吸收光谱；根据它吸收的红外光的能量，去推导物质中质点的振动情况，从而推导样品中的分子振动情况、分子振动能级、物质结构等相关性质；也可简单理解为：连续的红外光与分子相互作用时，若样品中分子的某一振动频率恰与红外光波段的某一频率相等就引起该波段的共振吸收，使光的透射强度减弱，这就是红外光谱产生的原理；红外光谱是分子振动光谱，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。
由于每种化合物均有红外吸收，尤其是有机化合物的红外光谱能提供丰富的结构信息，因此红外光谱法是物质结构解析(尤其是有机物结构解析)的重要手段之一。
傅立叶变换红外光谱仪是20世纪70年代发展起来的新一代红外光谱仪，它具有以下特点：一是扫描速度快，可以在1s测得多红外谱图；二是光通量大，可以检测透射较低的样品，可以检测气体、固体、液体、薄膜和金属镀层等不样品；三是分辨率高，便于观察气态分子的精细结构；四是测定光谱围宽，只要改变光源、分束器和检测器的配置，就可以得到整个红外区的光谱。
广泛应用于有机化学、高分子化学、无机化学、化工、催化、石油、材料、生物、医药、环境等领域。
FTIR基本原理
FTIR基本原理傅里叶红外光谱（Fourier Transform Infrared Spectroscopy，FTIR）是一种常用的光谱分析技术，在化学、生物、药物、环境科学和材料科学等领域得到广泛应用。
FTIR通过测量样品对红外辐射的吸收来研究样品的结构和化学键的特征。
FTIR实验中，使用一束连续的红外辐射通过样品，样品会吸收特定波长范围内的红外辐射，其余的红外辐射透过样品。
在样品前后分别放置两个固定的反射镜，可以改变光的路径。
未经样品散射的红外辐射会与反射镜多次反射，形成干涉光束。
这个干涉光束被称为“干涉红外光束”，通过这种方法可以增强光的强度，并获得更高的信噪比。
FTIR仪器中的信号处理单元利用傅里叶变换将通过样品的干涉红外光束转换为频谱图。
这个频谱图显示了样品对不同波长（或频率）的光的吸收强度，称为“红外吸收谱”。
频谱图中的谱线被称为“吸收峰”，每个吸收峰代表了特定波长（或频率）的红外辐射被样品吸收的程度。
吸收峰的位置、强度和形状提供了关于样品的信息。
每个吸收峰对应着不同的化学键振动。
当样品中的化学键振动与入射光的频率匹配时，振动会对红外辐射的传播产生吸收作用。
由此可以通过分析吸收峰的位置来推断样品中的化学键的存在和类型。
FTIR还可以用于定量分析，通过比较样品的吸收峰强度与标准物质吸收峰强度的比值，可以确定样品中特定成分的含量。
傅里叶红外光谱具有许多优点，包括快速、非破坏性、无需特殊样品制备和对微量分析敏感。
此外，FTIR还可以与其他技术结合，如显微镜和化学成像技术，进行样品的表面分析和成像分析。
总之，FTIR通过测量样品对红外辐射的吸收来研究样品的结构和化学键的特征。
它是一种强大的分析工具，可以在广泛的领域中用于物质的识别、定量分析和表征。
红外光谱(FTIR)实验报告
红外光谱仪调查及实验报告第一部分红外光谱仪调查1．1 简介傅里叶红外光谱仪：全名为傅里叶变换红外光谱仪（Fourier Transform Infrared Spectrometer，FTIR Spectrometer），是基于对干涉后的红外光进行傅里叶变换的原理而开发的红外光谱仪，主要由红外光源、光阑、干涉仪（分束器、动镜、定镜）、样品室、检测器以及各种红外反射镜、激光器、控制电路板和电源组成。
傅里叶红外光谱仪不同于色散型红外分光的原理，可以对样品进行定性和定量分析，广泛应用于医药化工、地矿、石油、煤炭、环保、海关、宝石鉴定、刑侦鉴定等领域。
滤光片型近红外光谱仪器：滤光片型近红外光谱仪器以滤光片作为分光系统，即采用滤光片作为单色光器件。
滤光片型近红外光谱仪器可分为固定式滤光片和可调式滤光片两种形式，其中固定滤光片型的仪器时近红外光谱仪最早的设计形式。
仪器工作时，由光源发出的光通过滤光片后得到一宽带的单色光，与样品作用后到达检测器。
色散型近红外光谱仪器：色散型近红外光谱仪器的分光元件可以是棱镜或光栅。
为获得较高分辨率，现代色散型仪器中多采用全息光栅作为分光元件，扫描型仪器通过光栅的转动，使单色光按照波长的高低依次通过样品，进入检测器检测。
根据样品的物态特性，可以选择不同的测样器件进行投射或反射分析。
傅里叶变换型近红外光谱仪器：傅里叶变换近红外分光光度计简称为傅里叶变换光谱仪，它利用干涉图与光谱图之间的对应关系，通过测量干涉图并对干涉图进行傅里叶积分变换的方法来测定和研究近红外光谱。
其基本组成包括五部分：①分析光发生系统，由光源、分束器、样品等组成，用以产生负载了样品信息的分析光；②以传统的麦克尔逊干涉仪为代表的干涉仪，以及以后的各类改进型干涉仪，其作用是使光源发出的光分为两束后，造成一定的光程差，用以产生空间（时间）域中表达的分析光，即干涉光；③检测器，用以检测干涉光；④采样系统，通过数模转换器把检测器检测到的干涉光数字化，并导入计算机系统；⑤计算机系统和显示器，将样品干涉光函数和光源干涉光函数分别经傅里叶变换为强度俺频率分布图，二者的比值即样品的近红外图谱，并在显示器中显示。
FT-IR原理及应用资料教程文件
中红外（Middle-IR） 波长：2.5-25μm 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。
>100
非常强峰（vs）
20< <100
强峰（s）
10< <20
中强峰（m）
1< <10
弱峰（w）
摩尔吸光系数：指一定波长时，溶液的浓度为1 mol/L，光程为 1cm时 的吸光度值
2.基团频率和特征吸收峰
物质的红外光谱是其分子结构的反映，谱图中的吸收峰与分子中各 基团的振动形式相对应。
实验表明，组成分子的各种基团，如O-H、N-H、C-H、C=C、 C=OH和CC等，都有自己的特定的红外吸收区域，分子的其它部分对 其吸收位置影响较小。通常把这种能代表基团存在、并有较高强度的吸 收谱带称为基团频率，其所在的位置一般又称为特征吸收峰。
不饱和的双键=C-H的吸收出现在3010~3040 cm-1范围内，末端= CH2的吸收出现在 3085 cm-1附近。 三键CH上的C-H的伸缩振动出现在更高的区域（3300 cm-1 ）附近。强度很弱。
（2）2500~1900 为三键和累积双键区。 主要包括-CC、 -CN等等三键的伸缩振动，以及 -C =C=C、
远红外（Far-IR） 波长：25-1000μm 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、氢键、 吸附现象的研究。
FTIR实验讲义
谱图的一般的解析流程：
主要应用领域
有机、无机、高分子材料的成分分析及ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ构剖析
教育、科研、石油、化工、农业、食品、医药、 商检 质检、海关、公安、汽车、珠宝、环保及国防科 学等领域
傅里叶变换红外光谱仪结构图
傅里叶变换红外光谱仪光路图
迈克尔逊干涉仪-1
干涉仪 定镜
BF
BM
l 0 -l
分束器
红外光谱谱图认识
红外光谱图： 纵坐标为透过率， 横坐标为波长λ （ μm ） 或波数（cm-1） 例1： Octane（辛烷） 红外光谱图
红外谱图的两个重要区域
高波数段：4000-1500cm-1（官能团区）
含氢官能团、含双键或叁键的官能团在官能团区有吸收，如OH， NH以及C=O等重要官能团在该区域有吸收，它们的振动受分子 中剩余部分的影响小。
赛默飞世尔IS-10型傅立叶红外光谱仪 FTIR
教学要求
要求 1、掌握本实验室红外光谱仪的基本原理 及构造，掌握本次讲述的6种附件的 使用范围及测量方法 2、了解红外光谱区域的划分及红外光谱吸收 产生的条件。 3、掌握简单红外谱图的定性分析。
红外光谱概述
发展历程
1800年英国科学家赫谢尔发现红外线 1936年世界第一台棱镜分光单光束红外光谱仪制成 1946年制成双光束红外光谱仪 60年代制成以光栅为色散元件的第二代红外光谱仪 70年代制成傅立叶变换红外光谱仪，使扫描速度大大 提高 70年代末，出现了激光红外光谱仪，共聚焦显微红外 光谱仪等
红外光谱特点
红外吸收只有振-转跃迁，能量低 应用范围广：几乎所有有机物均有红外吸收 分子结构更为精细的表征：通过红外光谱的波 数位置、波峰数目及强度确定分子基团、分子 结构 分析速度快 固、液、气态样均可用，且样品用量少 红外光谱主要用于定性分析，也可进行定量分析
FTIR原理及讲义谱图解析
理论上，我们可以从-到+范围，得到一张 完整谱图，而且可以任何分辨率
相应的谱图
B ( ) =
I ( ) c o s 2 d
为了满足上述要求，我们必须做到： 1. 动镜的移动距离可以无限远； 2. 数据采样间隔无限小。
FT-IR: 基本原理 ...
技术局限
事实上，分辨率、带宽以及采样间隔受到谱仪的限制
Optic Setup and Service
Interferometer/AQP
Absolute Peak Position
检查扫描范围 (Check signal 对话框): 显示在合适的范围内? 不
用箭头改变扫描范围，使得干涉图的最大值（峰）在显示范围内。
FT-IR: 基本原理 ...
问题：没有干涉图
切趾来减小旁瓣峰的强度 牺牲 分辨率
这意味：切趾函数的选择取决于所需的分辨率
基本原理 ...
干涉图数据的采集
带宽
HeNe激光信号也用来控制干涉图数据的采集
波长: 632 nm
在激光正弦波过零点 时采集数据。
带宽: 31,600 cm-1
FT-IR: 基本原理 ...
干涉图数据的采集
FT-IR: 基本原理 ...
干涉图数据的采集
Nyquist采样条件 任何谱图数据的采集的采样频率必须等于或大于谱图带宽的两倍。
如果不满足上述条件，就会出现假峰。
FT-IR: 基本原理 ...
干涉图数据的采集
尖桩篱栅效应
谱图是根据ADC得到的干涉图经过傅立叶变换得到的。 在干涉图测试数据点之间，我们必须进行数学插值。 这个过程，透光率的准确度受到影响。
FTIR原理及谱图解析
精品
FTIR原理及谱图解析 205页PPT文档
谱图解析——2,3-二甲基丁烷
2 9 6 2 cm-1,CH3 反 对 称 伸 缩 振 动 （ 仅 显示两个简并反对称伸缩振动模式 之一）。
谱图解析——2,3-二甲基丁烷
2880cm-1,CH3基团的伸缩振动。注意：这 里没有CH2基团的吸收峰，因为该分子中 没有CH2基团。
谱图解析——2,3-二甲基丁烷
干涉仪是红外光谱仪的心脏部件
到样品
红外光
源发出 的光束
在干涉仪的出口，两束有光程差的光发生干涉，然后到样品。
FT-IR: 基本原理 ...
干涉仪（单色光说明）
干涉仪
动镜移动距离为n/2 ，即光程 差为n时
FT-IR: 基本原理 ...
干涉仪（单色光说明）
干涉仪
动镜移动距离为n/4 ，即光程 差为n/2 时
频率是每秒光波通过的数目。
c
c：光在真空中的速度。
在红外中，经常使用的是波数。
1/ ：cm-1
FT-IR: 基本原理 ...
红外光谱仪
每一台傅立叶变换红外光谱仪，由以下几部分构成：一个光源、一个干 涉仪（分束器是它的一部分）以及一个检测器。
FT-IR: 基本原理 ...
红外光谱仪
切趾
旁瓣
FT-IR: 基本原理 ...
切趾 旁瓣峰引起峰强度的变化，旁瓣峰削弱了主峰的强度
切趾来减小旁瓣峰的强度 牺牲 分辨率
这意味：切趾函数的选择取决于所需的分辨率
FT-IR: 基本原理 ...
干涉图数据的采集
带宽
HeNe激光信号也用来控制干涉图数据的采集
波长: 632 nm
在激光正弦波过零点 时采集数据。
1 4 6 0 cm-1， 是 CH3 的 反 对 称 弯 曲 振动峰（仅显示两个简并模式中 的一个）。
第1章概述-第2章FTIR-第3章-拉曼.
高分子材料研究方法
教材：高分子近代测试分析技术 曾幸荣 华南理工大学
参考书：
高分子分析手册
董炎明著 中国石化出版社
聚合物近代仪器分析 汪昆华等著
高分子物理近代研究方法 张丽娜 武汉大学出版社
聚合物研究方法 张美珍主编 中国轻工业出版社
认识常用的分析测试仪器
红外光谱仪
Nicolet
Thermoscientific
广泛用于各类材 料的研究开发， 工艺优化与质量 控制。稳定性； 吸附与解吸；成 分分析；水分与 挥发物；分解过 程；氧化与还原 ；添加剂与填充 剂影响；分解动 力学研究。
热重分析仪-TA公司
动态热机械分析仪
Dynamic Themomechanical Analyzer
DMA用来测
量材料对机械 形变的响应能 力，即材料的 粘弹性能随温 度和频率的变 化。 如热膨胀 系数、软化点 、玻璃化转变 温度、相变温 度、热固化形 变、模量柔量 等等。
横坐标：波长(λ)或波数 cm-1
Ab so rba nce
6.0 5.5 5.0 4.5 4.0 3.5 3.0 2.5 2.0 1.5 1.0 0.5
4000
3000
2000 Wavenumbers (cm-1)
1000
%Tra nsmitta nce
95 90 85 80 75 70 65 60 55 50 45 40 35 30 25 20 15 10
基频吸收：
从基态跃迁到第一激发态，产生的红外吸收，强 度较大
倍频吸收：
从基态跃迁到第二或第三激发态，产生的红外吸 收，强度较小
合频吸收：由于振动能级模式之间的相互作用，
吸收的光子能量正好是两个基频之和或之差，强度 很小
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定性: 红外光谱最重要的应用是中红外区有机化合物 的结构鉴定。通过与标准谱图比较，可以确定化合物 的结构；对于未知样品，通过官能团、顺反异构、取 代基位置、氢键结合以及络合物的形成等结构信息可 以推测结构。 定量: 近年来红外光谱的定量分析应用也有不少报道, 尤其是近红外、远红外区的研究报告在增加。如近红 外区用于含有与C，N，O等原子相连基团化合物的定 量；远红外区用于无机化合振-转跃迁，能量低 应用范围广：几乎所有有机物均有红外吸收 分子结构更为精细的表征：通过红外光谱的波 数位置、波峰数目及强度确定分子基团、分子 结构 分析速度快 固、液、气态样均可用，且样品用量少 红外光谱主要用于定性分析，也可进行定量分析
红外光谱特点
IR 光源
动镜
BF = BM
光程差 = 0 检测器
迈克尔逊干涉仪-2
干涉仪 定镜
BF
BM
l 0 -l
分束器
IR Source
动镜
BF = BM - 1/8 光程差 = 1/4
检测器 Detector
迈克尔逊干涉仪-3
干涉仪 定镜
BF BM
l 0 -l
分束器 IR Source
动镜
BF = BM - 1/4 光程差 = 1/2
红外光波谱的一定范围 。 （2）峰强：红外吸收峰的强度取决于分子振动时偶极矩的 变化，振动时分子偶极矩的变化越小，谱带强度也就越弱。 一般说来，极性较强的基团(如C=O,C-X)振动，吸收强度较
大；极性较弱的基团(如C=C,N-C等)振动，吸收强度较弱；
红外光谱图的三要素
（3）峰形：不同基团的某一种振动形式可能会在同一频 率范围内都有红外吸收，如-OH、-NH的伸缩振动峰 都在3400-3200 cm-1但二者峰形状有显著不同。此时峰 形的不同有助于官能团的鉴别。
谱图的一般的解析流程：
主要应用领域
有机、无机、高分子材料的成分分析及结构剖析
教育、科研、石油、化工、农业、食品、医药、 商检 质检、海关、公安、汽车、珠宝、环保及国防科 学等领域
傅里叶变换红外光谱仪结构图
傅里叶变换红外光谱仪光路图
迈克尔逊干涉仪-1
干涉仪 定镜
BF
BM
l 0 -l
分束器
检测器
迈克尔逊干涉仪-4
定镜
干涉仪
IR
0 -
分束器
光源
动镜
检测器
1. 样品测试过程演示 2.样品制备简介。
傅立叶变换的优点：
FTIR不需要分光，因此检测器接收到的光通 量较色散型仪器大得多，因此提高了信噪比和 灵敏度，有利于弱光谱的检测； FTIR的扫描速度极快，能在很短的时间里 （<1s）获得全谱域的光谱响应； FTIR仪器与计算机技术的结合，使IR的整机 性能大大提高，价格下降，使FTIR的商品仪 器获得了普及。
红外光区的划分
波数
波长
波长与波数之间的关系为： （波数） / cm-1 =104 /（ / µ m）
红外光谱图
当一束连续变化的各种波长的红外光照射样品 时，其中一部分被吸收，吸收的这部分光能就 转变为分子的振动能量和转动能量；另一部分 光透过，若将其透过的光用单色器进行色散， 就可以得到一谱带。若以波长或波数为横坐标， 以百分吸收率或透光度为纵坐标，把这谱带记 录下来，就得到了该样品的红外吸收光谱图。
傅立叶变换红外光谱仪
Fourier Transform Infrared Spectrometer (FTIR)
70年代出现，是一种非色散型红外吸收光谱 仪，其光学系统的主体是迈克尔逊干涉仪。 （Michelson） 测量步骤： 1、测得一组包含原辐射全部光谱信息的干涉 图； 2、经计算机进行傅立叶变换，获得红外吸收 光谱图。
红外光谱谱图认识
红外光谱图： 纵坐标为透过率， 横坐标为波长λ （ μm ） 或波数（cm-1） 例1： Octane（辛烷） 红外光谱图
红外谱图的两个重要区域
高波数段：4000-1500cm-1（官能团区）
含氢官能团、含双键或叁键的官能团在官能团区有吸收，如OH， NH以及C=O等重要官能团在该区域有吸收，它们的振动受分子 中剩余部分的影响小。
红外光谱产生的条件
先看看H2O和CO2分子的谱图产生情况：
例2：H2O分子
例3：CO2分子的振动
红外光谱产生的条件
条件： (1) 辐射应具有能满足物质产生振动跃迁所需的能量； (2) 辐射与物质间有相互偶合作用。 对称分子：没有偶极矩，辐射不能引起共振， 无红外活性。 如：N2、O2、Cl2 等。 非对称分子：有偶极矩，红外活性。
低波数段：1500cm-1以下（指纹区）
不含氢的单键、各键的弯曲振动出现在1300cm-1以下的低波数区。 该区域的吸收特点是振动频率相差不大，振动的耦合作用较强， 因此易受邻近基团的影响。同时吸收峰数目较多，代表了有机分 子的具体特征。大部分吸收峰都不能找到归属，犹如人的指纹。 因此，指纹区的谱图解析不易，但与标准谱图对照可以进行最终 确认。
赛默飞世尔IS-10型傅立叶红外光谱仪 FTIR
教学要求
要求 1、掌握本实验室红外光谱仪的基本原理 及构造，掌握本次讲述的6种附件的 使用范围及测量方法 2、了解红外光谱区域的划分及红外光谱吸收 产生的条件。 3、掌握简单红外谱图的定性分析。
红外光谱概述
发展历程
1800年英国科学家赫谢尔发现红外线 1936年世界第一台棱镜分光单光束红外光谱仪制成 1946年制成双光束红外光谱仪 60年代制成以光栅为色散元件的第二代红外光谱仪 70年代制成傅立叶变换红外光谱仪，使扫描速度大大 提高 70年代末，出现了激光红外光谱仪，共聚焦显微红外 光谱仪等
红外光谱与分子结构的关系
红外光谱源于分子振动产生的吸收，其吸收 频率对应于分子的振动频率。大量实验结果 表明，一定的官能团总是对应于一定的特征 吸收频率，即有机分子的官能团具有特征红 外吸收频率。这对于利用红外谱图进行分子 结构鉴定具有重要意义。
红外光谱图的三要素
峰位、峰强和峰形
（1）峰位：分子内各种官能团的特征吸收峰只出现在