红外吸收光谱分析与红外光谱仪
仪器分析3—红外吸收光谱法
傅立叶变换红外光谱仪
样品池
红外光源
摆动的 凹面镜
迈克尔逊 干扰仪
参比池
摆动的 凹面镜
检测器 干涉图谱 计算机 解析 还原
M1 II
同步摆动
I M2
红外谱图
BS
D
仪器组成
第五节 红外光谱法应用
红外光谱法由于操作简单，分析速度 快，样品用量少，不破坏样品，特征性 强等优点，在有机定性分析中应用广泛。 利用红外光谱可对化合物进行鉴定或结 构测定。 但由于吸收较复杂，在定量分析方面 应用受到一定限制。
第四章 红外吸收光谱分析法（IR）
Infrared Absorption Spectrometry
第一节
红外光谱基本知识
1、红外线波长范围： 光学光谱区域：10nm ～1000μm； 其中：10nm ～400nm为紫外光区 400nm ～760nm为可见光区， 760nm ～ 1000μm为红外光区。 为表示方便，红外光不用nm（纳米） 而用微米（ μm）表示其波长。
由原理图可见，红外分光光度计也主要 由光源、样品吸收池、单色器、检测器、 记录仪等部件构成。 1、光源:能斯特灯或硅碳棒
红外光谱仪中所用的光源通常是一种惰性固体，用 电加热使之发射高强度的连续红外辐射。 常用的是Nernst灯或硅碳棒。 Nernst灯是用氧化锆、氧化钇和氧化钍烧结而成的 中空棒和实心棒。工作温度约为1700℃，在此高温下导 电并发射红外线。但在室温下是非导体，因此，在工作 之前要预热。它的特点是发射强度高，使用寿命长，稳 定性较好。 硅碳棒是由碳化硅烧结而成，工作温度在1200-1500℃ 左右。
ε>100 非常强峰(vs) 20<ε<100 强 峰(s) 10<ε<20 中强峰(m) 1<ε<10 弱 峰(w)
红外吸收光谱分析
基团频率区旳划分
分区根据：因为有机物数目庞大，而构成有
机物旳基团有限；基团旳振动频率取决于K 和
m，同种基团旳频率相近。
划分措施
氢键区 ❖基团特征频率区 叁键区和累积双键区
双键区
❖指纹区
单键区
区域名称 频率范围
基团及振动形式
氢键区 4000～2500cm-1 O－H、C－H、N－H
等旳伸缩振动
叁键和
溶剂效应，极性基团旳伸缩振动频率随溶剂旳极性增 大而降低，但其吸收峰强度往往增强，一般是因为极 性基团和极性溶剂之间形成氢键旳缘故，形成氢键旳 能力越强吸收带旳频率就越低。如丙酮在环己烷中νC=O 为1727cm-1 ，在四氯化碳中为1720cm-1 ，在氯仿中为 1705cm-1 。
分子振动旳自由度
• 电子效应
①诱导效应 ②共轭效应
• 空间效应
①空间位阻 ②环张力
• 氢键
• 二.外部原因
• ①物态效应 • ②溶剂效应
❖电子效应
（1）诱导效应 经过静电诱导作用使分子中 电子云分布发生变化引起K旳变化，从而影 响振动频率。 如 C＝O
吸电子诱导效应使羰基双键性增长，振动频 率增大。
（2）共轭效应 共轭效应使共轭体系中
Varian 680-IR
• 日本岛津： • 傅立叶变换红外光谱仪 IRAffinity-1 • 高信噪比：30,000:1 以上；配置自动除湿装
置，易于维护；外形小巧，占地面积小；标配 杂质分析程序；多种附件能够选择。 • 傅立叶变换红外光谱仪 IRPrestige-21 • 研究级傅立叶红外光谱仪。 • 岛津红外显微镜系统 AIM-8800 • 具有AIM VIEW先进控制系统；具有高敏捷度 旳不需维护旳MCT检测器；多种附件使应用范 围进一步扩展。
学生--第十章 红外光谱分析
IR光谱中最强的峰，具有高度的特征性，鉴定羰基化合物
化合物 酮
酯 酰胺
频率σC=O 1710
1710-1735 1680-1710
峰数 1
1 1
酸酐
1820-1760
2
●单核芳烃的
C=C 的伸缩振动，出现在1620—1450cm-1
1500 cm-1 附近的吸收峰最强； 1600 cm-1 附近的吸收峰居中；
如果是RCCR，因为分子是对称，则为非红外活性。
（3）双键伸缩振动区（1900 —1500 cm-1）[1] C=C、 C=O C=N、 N=O 的伸缩振动、苯环的骨架振动
●
脂肪族化合物的 C=C ，出现在1680—1620cm-1 峰较弱
●
羰基C=0 的伸缩振动，出现在1850—1600cm-1
例：计算8.00 µ m的红外线的ν和σ。 ν=
C
2.998×1010cm/s = 8.00 ×10-4cm
=3.75 ×1013 s-1
σ（cm-1
104 -1 =1250 cm = ） （µ m）
3. 红外光谱特点 1）高度的特征性； 2）应用范围广； 3）固、液、气态样均可测定，且用量少、不破坏样品。 4）能进行定性和定量分析，而且该法是鉴定化合物和测 定分子结构的最有用方法之一。
二、吸收峰增减的原因 1、吸收峰减少的原因[1] 例如：线型分子CO2，基本振动形式为4，应有4个吸收峰， 对称伸缩振动σs=1388 cm-1，但=0，不吸收红外光； 面内变形δ=面外变形振动γ ，发生简并。 但实际上只有667 cm-1和2349 cm-1两个吸收峰。[2]
●
●
●
偶极矩的变化=0的振动，不产生红外吸收峰； 谱线简并（振动形式不同，但其频率相同）； 仪器分辨率不够，或吸收峰很弱，仪器无法检测；
第10章 红外吸收光谱分析
醛：
特征1：醛羰基ν(C＝O)：～1725 cm-1。 特征2：2820 cm-1 和 2720 cm-1 弱的双峰。
酮：
酮羰基ν(C＝O)：1710～1715 cm-1。
脂类:C=O吸收峰：1725 ～ 1750 cm-1 ，强。
红外光谱信息区
常见的化学基团在4000 670 cm-1范围内有特征频率， 为便于记忆，常依据基团的振动形式，分为四个区： (1)4000 2500 cm-1 X—H伸缩振动区（X=O，N，C，S） (2)2500 2000 cm-1 三键，累积双键伸缩振动区 (3)2000 1500 cm-1 双键伸缩振动区
上述用经典力学的方法来处理分子的振动是为了得 到宏观的图像，便于理解并有一定性概念。但一个
真实的微观粒子需要用量子理论方法加以理解，如
能量量子化。
实际上，在一个分子中，基团与基团间，基团中的 化学键之间都相互有影响，因此基本振动频率除了
决定于化学键两端的原子质量、化学键的力常数外， 有关。
还与内部因素（结构因素）及外部因素（化学环境）
倍频、合频和差频统称为泛频。
二、红外光谱的特征性
红外光谱的最大特点是具有特征性。
大多有机物的红外光谱基本上是C、H、O、N等元素
所形成化学键的振动贡献的。
基团特征频率
与一定结构单元相联系的、固定在一定范围内出现的 化学键振动频率——基团频率（特征峰）。
例： 2800 3000 cm-1 —CH3 特征峰；
在该区域出现的峰较少。
（1）RC CH
（2100 2140 cm-1 ）
RC CR' （2190 2260 cm-1 ） R=R' 时，无红外活性 （2）RC N （2100 2140 cm-1 ） 非共轭 2240 2260 cm-1 共轭 2220 2230 cm-1 仅含C、H、N时：峰较强、尖锐； 有O原子存在时，O越靠近C N，峰越弱。
红外光谱仪基本概念
红外光谱仪基本概念光谱分析是一种根据物质的光谱来鉴别物质及确定它的化学组成，结构或者相对含量的方法。
按照分析原理，光谱技术主要分为吸收光谱，发射光谱和散射光谱三种；按照被测位置的形态来分类，光谱技术主要有原子光谱和分子光谱两种。
红外光谱属于分子光谱，有红外发射和红外吸收光谱两种，常用的一般为红外吸收光谱。
2. 红外吸收光谱的基本原理是什么？分子运动有平动，转动，振动和电子运动四种，其中后三种为量子运动。
分子从较低的能级E1，吸收一个能量为hv的光子，可以跃迁到较高的能级E2,整个运动过程满足能量守恒定律E2-E1=hv。
能级之间相差越小，分子所吸收的光的频率越低，波长越长。
红外吸收光谱是由分子振动和转动跃迁所引起的, 组成化学键或官能团的原子处于不断振动(或转动)的状态，其振动频率与红外光的振动频率相当。
所以，用红外光照射分子时，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何种化学键或官能团的信息。
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。
分子的转动能级差比较小，所吸收的光频率低，波长很长，所以分子的纯转动能谱出现在远红外区（25~300 μm）。
振动能级差比转动能级差要大很多，分子振动能级跃迁所吸收的光频率要高一些，分子的纯振动能谱一般出现在中红外区（2.5~25μm）。
（注：分子的电子能级跃迁所吸收的光在可见以及紫外区，属于紫外可见吸收光谱的范畴）值得注意的是，只有当振动时，分子的偶极矩发生变化时，该振动才具有红外活性（注：如果振动时，分子的极化率发生变化，则该振动具有拉曼活性）。
3. 分子的主要振动类型在中红外区，分子中的基团主要有两种振动模式，伸缩振动和弯曲振动。
伸缩振动指基团中的原子沿着价键方向来回运动（有对称和反对称两种），而弯曲振动指垂直于价键方向的运动（摇摆，扭曲，剪式等），如上图所示。
红外光谱仪的原理及应用
红外光谱仪的原理及应用
红外光谱仪是一种利用红外光谱技术来测试物质或物质表面的一种仪器。
它的原理是利用物质在不同波长红外线下吸收或散射不同程度的光来分析物质的性质。
红外光谱仪主要有两种工作方式：吸收光谱和反射光谱。
吸收光谱是利用物质吸收红外光的能量来分析物质的性质，反射光谱是利用物质反射红外光的能量来分析物质的性质。
红外光谱仪应用非常广泛，主要应用在化学、石油、农业、食品、医药、环境、生物等领域。
如分析石油中的含量，鉴定药物成分，检测食品中毒素，监测环境污染等。
红外光谱仪的原理
红外光谱仪的原理是利用物质在不同波长红外线下吸收或散射不同程度的光来分析物质的性质。
红外线是一种电磁波，其频率在可见光之外，波长在700纳米到1纳米之间。
当红外线照射到物质上时，物质中的分子会吸收其中的能量。
每种物质都有其特有的吸收光谱，因此可以利用这些吸收光谱来分析物质的性质。
红外光谱仪通常包括一个红外光源、一个分光仪、一个探测器和一个计算机控制系统。
红外光源发出红外线，分光仪将红外线分成不同波长的光束，探测器检测物质对不同波长的吸收程度，计算机控制系统将检测数据处理成可视化的光谱图。
红外光谱仪还可以进行反射光谱和透射光谱的测试，其原理是一样的。
反射光谱是利用物质对红外线的反射能力来分析物质的性质。
而透射光谱是利用物质对红外线的透射能力来分析物质的性质。
红外光谱技术是一种非接触式的分析方法，不会对样品造成破坏，可以在试样的原始状态下进行测试，因此被广泛应用于各种领域。
红外光谱仪的功能
红外光谱仪的功能
红外光谱仪是一种用于分析样品的仪器，其主要功能包括：
1. 分析样品的化学成分：红外光谱仪可以通过测量样品中吸收红外光的情况来分析样品的化学成分。
不同分子会吸收不同波长的红外光，因此可以通过分析红外光谱图来确定样品中含有的分子种类及其化学结构。
2. 确定样品的性质：红外光谱仪可以通过分析样品中的吸收峰来确定样品的性质，如它是否是有机物、无机物或聚合物，其分子量、结晶度、晶体结构等。
3. 监测样品的变化：红外光谱仪可以对样品进行在线监测，了解样品的变化过程及其反应机理，对于控制化学反应的过程和优化反应条件非常有用。
4. 制定药品质量标准：红外光谱仪可以用于制定药品质量标准，检测药品中的有效成分、杂质及其含量，确保药品的质量和安全性。
5. 应用于其他领域：红外光谱仪可以应用于食品、环保、石油化工、材料科学、生命科学等领域，用于分析样品的化学成分和性质，进行质量监控和研究。
- 1 -。
红外吸收光谱分析1
苯衍生物在2000-1650cm-1 范围出现 C-H 面外和C=C面内变形振动的泛频 吸收，虽然很弱，但它们的吸收面貌 在表征芳核取代类型上很有用。
LOGO
C=O 的伸缩振动
C=O的伸缩振动出现在1850-1600cm-1, 其吸收非常强烈，为红外 光谱中的最强吸收峰。含C=O 基团的化合物有 酮类，醛类，酯类 以及酸酐等。 酸酐的C=O 吸收峰有两个，分别出现在1820和 1750cm-1, 它们 是由于两个羰基的振动耦合所产生。可根据这两个峰的相对强弱 来判断酸酐是环状的还是线型的。线型酸酐的两个峰强度接近， 高波数稍强于低波数，环状酸酐的低波数强于高波数峰。
1< <10
弱峰（w） LOGO
二、红外光谱的特征性和基团吸收
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。多原 子分子的红外光谱与其结构的关系，一般是通过 实验手段获得。即通过比较大量已知化合物的红 外光谱，从中总结出各种基团的吸收规律。
—CC — > —C =C — > —C — C —
15 17 9.5 9.9
4.5 5.6
2062cm-1 1683cm-1 1190cm-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，化学键的振动频率越大，吸收峰将出现在高波
数区。
LOGO
为双原子的折合质量 =m1m2/（m1+m2）
1 1 k 2c
根据小球质量与相对原子质量间的关系：
N 1/2 A
k 1307 k
2c M
M
M M 1M 2 M1 M2
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不同状态水的红外吸收频率（cm-1）
水的存在状态
游 吸 结 结 离 附 晶 构 水（H2O） 水（H2O） 水（nH2O） 水（羟基水OH） O—H伸缩 振动 3756 3435 3200-3250 3640
弯曲振动
1595 1630 1670-1685 1350-1260 1590-1690cm-
5、吸收谱带的强度
基态分子中的很小一部分，吸收某种频率的红 外光，产生振动的能级跃迁而处于激发态。跃迁过 程中激发态分子占总分子的百分数，称为跃迁几率， 谱带的强度即跃迁几率的量度。 红外光谱的吸收带强度是用于化合物定性分析 和定量分析的重要依据。
6、IR谱带强度的划分
摩尔吸光系数 谱带强度 表示符号
亚甲基
对同一基团来说，不对称伸缩振动的频率要稍高于对 称伸缩振动。
变形振动（或弯曲振动）：基团键角发生周期变
化而键长不变的振动称为变形振动，弯曲振动又分 为面内和面外弯曲振动。
亚甲基 +、-分别表示垂直纸面向上和向下的运动
3、基本振动的理论数
每个原子在空间都可以沿着x、y、z轴方向运动， 如果分子由n 个原子组成，其运动自由度就有3n 个， 这3n个运动自由度中，包括3个分子整体平动自由度， 3个分子整体转动自由度，剩下的是分子的振动自由 度。
红外吸收光谱分 析与红外光谱仪
内容摘要
4.1.1 4.1.2 概述 红外吸收光谱基本原理
4.1.3
4.1.4
红外吸收光谱与分子结构关系
红外分光光度技术
4.1.5
红外吸收光谱法的应用
电磁波谱是将电磁波（电磁辐射）按波长（或频率、 或能量）顺序排列得到的。
不同波长的电磁波按照其波长范围分为不同的区 域，不同区域的电磁波，是由不同的机理的产生。
4000-2500cm-1为O-H、N-H、C-H的伸缩振动区。
2500-1900cm-1为叁键和累计双键区 1900-1200cm-1为双键伸缩振动区。
2、指纹区： 频率范围在1300-600cm-1区域的峰。 1800-1000cm-1区域主要是C-O、C-N等单键的伸缩振 动吸收及C—C单键骨架的振动。
谱图出现吸收峰：3000-3800cm-1, 1 说明可能含水!!
例2：CO2分子的振动自由度＝3×3－5＝4
2330cm-1
667cm-1
4、红外光谱图上的实际峰数 红外光谱图上的峰数≤基本振动理论数
Ⅰ.当振动过程中分子不发生瞬间偶极矩变 化时，不引起红外吸收； Ⅱ.频率完全相同的振动彼此发生简并； Ⅲ.强宽峰往往要覆盖与它频率相近的弱而 窄的吸收峰； Ⅳ.吸收峰有时落在中红外区域（4000400cm-1）以外； Ⅴ.吸收强度太弱，以致无法测定。
对于非线性分子振动自由度为3n－6；
对于线性分子，其振动自由度是3n－5。 每个振动自由度相应于红外光谱图上一个基频吸 收带。当△V =1时，0→ 1振动能级的跃迁，称 为基本振动频率或基频吸收带。
分子平动示意图
线性分子转动
非线性分子转动
例1：水分子的振动自由度＝3×3－6＝3
3300cm-1
1369cm-1
电磁波谱
其中，中红外区（2.5-25μm即4 000-400cm-1） 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。
4.1.1
概 述
1.不同区域红外光的作用 （1）近红外区：0.78-2.5μm（12820-4000cm-1）， 主要用于研究分子中的O-H、N-H、C-H键的振动倍频 与组频。
4、影响基团频率位移的因素
影响基团频率位移的因素大致可分为内部因素 和外部因素。 1）外部因素 试样状态、测定条件的不同及溶剂极性的影响 等外部因素都会引起频率位移。一般气态时 C=O伸 缩振动频率最高，非极性溶剂的稀溶液次之，而液 态或固态的振动频率最低。 同一化合物的气态和液态光谱或固态光谱有较 大的差异，因此在查阅标准图谱时，要注意试样状 态及制样方法等。
>100
20~100 10~20 1~10 <1
非常强峰
强峰 中等强度峰 弱峰 非常弱峰
vsபைடு நூலகம்
s m w vw
4.1.3 红外吸收光谱与分子结构关系
1、基团频率区 红外光谱区可分成4000-1300cm-1和1300-400cm-1 两个区域。第一个区内的峰是由伸缩振动产生的吸 收带，常用于鉴定官能团。 基团频率区又可分为三个区域：
1000-650cm-1区域主要是C-H的弯曲振动吸收。其吸 收峰可用来确定化合物的顺反构型或苯环的取代类型。
烯烃的δ=C-H吸收谱带出现于1000-700cm-1
芳香环的δ=C-H振动吸收在900-650cm-1出现1-2个 强度相当大的谱带，它们的位置取决于苯环的取代类 型
3、重要化学键的特征吸收带小结
4.1.2
红外吸收光谱基本原理
1、产生红外吸收的条件 物质吸收红外辐射应满足两个条件： （1）辐射与物质之间有相互作用； （2）辐射光具有的能量与物质分子发生振 动跃迁时所需的能量相等； E振=0.05~1.0 eV >> E转=0.0001~0.05 eV
2、分子的振动的基本类型
伸缩振动：原子沿键轴方向伸缩，键长发生变化 而键角不变的振动称为伸缩振动。用符号v表示。 它又分为对称（vs）和不对称（vas）伸缩振动。 振动时键长发生 变化，键角不变。
（2）中红外区：2.5-25μm（4000-400cm-1），主要 用于研究大部分有机化合物的振动基频。
（3）远红外区：25-300μm（400-33cm-1），主要用 于研究分子的转动光谱及重原子成键的振动。
2、什么是红外吸收光谱？
红外吸收光谱又称为分子振动—转动光谱。 当样品受到频率连续变化的红外光照射时，样品 中的分子吸收某些频率的辐射，产生分子振动和转 动能级从基态到激发态的跃迁，使相应于这些吸收 区域的透射光强度减弱。记录红外光的百分透射比 与波数或波长关系的曲线，就得到红外光谱。
10 (cm ) (m)
1
4
3、典型的红外光谱图
T-λ曲线 → 前密后疏
T -σ曲线 → 前疏后密 横坐标可用波长λ 和波数σ表征。 纵坐标为百分透射 比T%。
常用的红外光谱术语 1.频峰：由基态跃迁到第一激发态，产生的强吸 收峰，称为基频峰(强度大)； 2.倍频峰：由基态直接跃迁到第二、第三等激发 态，而产生的弱吸收峰，称为倍频峰； 3.合频峰：两个基频峰频率相加而形成的峰;