4第四章红外系讲义统概述
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)
红外光谱使用原理
P40图4-6苯环取代类型的吸收峰
图4-6
3300cm-1 苯环
C-H 伸缩振动
-1 1600cm-1 1380cm 1500cm-1 异丙基两重峰
§4-3 红外吸收光谱与分子结构
一、基团的特征吸收峰——基团频率
• 组成分子的基团如：O-H、C=C、C=O等都有自 己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。
• 通常把能代表某基团存在，并有较高强度的吸收 峰，称为特征吸收峰，所在的频率位置称为基团频 率。 • 基团频率——主要是一些伸缩振动引起的，常用 于鉴定某官能团是否存在。基团不同，基团频率不 同。
红外 κ﹥100 20~100 10~20 1~10 ﹤1 紫外 104~105 103~104 102~103 ﹤102
非常强 较强 中强 弱 非常弱
影响因素
（1）振动能级的跃迁概率 由 0 1跃迁概率大，峰较强 由 0 2 3 跃迁概率小，峰较弱 （2）偶极矩的变化 偶极矩变化越大，对应的峰越强 一般极性基团如：O-H，C=O，N-H 峰较强 非极性基团如：C-C，C=C 峰较弱
常见化合物的特征基团频率分区
4000 2500 2000 1400 400cm-1 X-H X-H伸缩振动 区 O-H 3700~3100 N-H 3500~3300 C-H 3300~2700 C-H： 3000为界，3000以 上为不饱和化合物 的C-H—CH =CH C H ; 3000以下为 饱和化合物 C-H 三键和累积 双键伸缩振 单键的伸缩 动区 振动和弯曲 双键的伸缩 振动区 C=C 振动区 1680~1620 X-Y ： CC C=O C-O C-N CN 1850~1600 N-O C-X C=C=C 羰基吸收峰 C-C 强度大 C=C=N X-H ： 芳环 C=C C=C=O C-H O-H 1600,1580, 1500, 1450
第四章 傅里叶红外光谱
4
10 ―――波数（cm-1）
―――波长 (µm)
(11)
1 2 )
4.2 润滑油的傅里叶红外光谱分析
4.2.2 红外光谱定量分析原理
分子基团对红Biblioteka 辐射的特征吸收是进行定量分析的基础
样品的吸光性通过分光计进行间接的测量
红外光照射样品后到达分光检测器的光强 强度 之比称为透过率 ，即：
子基团的特征吸收谱带也叫特征峰。吸收谱带极大值的波数位置 称为特征频率。进行基团定性时，是根据基团特征吸收峰来判断 基团的存在与否
(10)
4.2 润滑油的傅里叶红外光谱分析
波数是红外吸收光谱图横坐标常用的物理量之一，单位为cm-1。它 是描述红外线振动特性的物理量。波数与波长的换算关系是：
式中：
(22)
4.3 在用油红外光谱参数的识别
通常表征润滑油硝化的峰位在～1630 cm-1附近；典型值则为20A·cm-1，高值 ＞40 A·cm-1
图为新油和深度硝化在用油的红外光谱 对比（上谱线为深度硝化在用油，下谱 线为新油），硝化深度的急剧增加，意 味着因高温和燃烧条件恶化而生成了大 量的氮氧化物
(3)
4.1 傅里叶红外光谱仪法
4.1.1 傅里叶红外光谱仪的工作原理 红外光谱仪（FT-IR）主要由红外光源、 吸收池、分光系统、检测 系统等几部分组成 检测时，从光源发出的红外光，经过迈克尔逊干涉仪变成干涉光 （消除杂光），再让干涉光经过样品，到探测器，探测器检测到透 过油样的红外线强度，并将其转换成与油样成分、含量相对应的电 压值，然后利用计算机系统把干涉图进行数字变换，最后得到光谱 图 FT－IR光谱仪的核心光学部件为迈科尔逊干涉仪，干涉仪的使用， 提高了红外光谱仪的灵敏度和准确性
第4章 光现象复习讲义
第四章光现象复习讲义知识点一、光的直线传播1、光源：自身能够_______的物体。
分类：①自然光源；②人造光源。
2、光的直线传播：（1）条件：光在______________介质中沿直线传播。
（2）相关现象：________________________________________________________3、光的传播速度：（1）真空中的光速：c = ___________m/s = ___________km/s（2）其他介质中的光速：空气中的光速非常接近____，水中的光速约为____，玻璃中的光速约为____。
4、光年：是_______单位，光在_________内传播的距离等于1光年。
【情景回顾】1、小孔成像：光源“烛焰”发出的无数条光沿直线进入小孔，在光屏上形成外形与光源相似但____立的亮区。
如：阳光明媚的正午，树荫下的光斑是____形的，因为它是________的像。
2、影子：光遇到不透明物体时被阻挡，在后面形成一个跟物体轮廓相似的黑暗区域。
发生日食现象是，挡在中间的是____球；发生月食现象时，挡在中间的是____球。
3、一根旗杆竖立在阳光下，从早晨到傍晚这段时间内，旗杆的影子长度的变化情况是_____________。
练习：1、太阳光透过玻璃射进屋子的过程中，光速将______________。
2、发生雷电时，我们总是先看到闪电，后听到雷声。
这是因为____________________________。
真空中的光速是宇宙中最快的速度，为___________m/s，光在其它各种介质中的速度都比在真空中___。
知识点二：光的反射1、我们能够看见不发光的物体，是因为物体表面_______的光进入我们的眼睛。
2、光的反射定律：①同平面：________________________________________________________②居两侧：________________________________________________________③角相等：________________________________________________________3、在反射现象中，光路是__________的。
第四章红外辐射源
二.黑体型辐射源的结构
低温黑体辐射源
HFY-100型主要技术指标 : ● 测温范围： 180-320K （F22热管） ● 黑体开口： Ф50mm ● 传感器： Pt100, Pt1000 ● 控温测温精度： ±0.1K ● 温度稳定性： ±0.05K/h ● 空腔轴向温度均匀性： ±0.1K(L在2/3腔长内） ● 黑体空腔有效发射率： ≥0.999 ● 用交流隔离变压器降压、分压,加热功率300W左右 ● 尺寸(mm)／重量(kg)： Ф129*400 / 4
主要用途 ： 模拟空间冷背景、高真空的环境中，航天、星载
红外遥感仪器的定标。
中温黑体辐射源
技术参数 1）温度范围： +100℃~1000℃连续可调 2）黑体空腔开口： Ф50mm 3）温度分辨率： 0.1℃ 4) 温度稳定性: ±0.5℃/20分钟 5)温度精度: ±0.15%(满量程) 6)冷却方式: 风冷 7)空腔有效分辨率: 0.99 8)电源: 220V(±10%),50HZ 9)加热电流: 6-7A 10)使用环境温度: 0-45℃ 11)相对湿度: <85% 12)外形尺寸: 350×400×450mmW 13)重量: 约18公斤
A St
2
1
1
Fx, P0
1
A St
0
P P0
Fx,
腔孔的有效发射率为:
A St
2
1 Fx,
1
1
A St
0 0 1 0
0
1
1
A St
F x,
1
1
A St
二.角度因子
F x,
1
cosd
d sin dd
Fx, 1
第四章红外吸收光谱法3、CO的红外吸收光谱在2170cm-1处有一振动
第四章 红外吸收光谱法3、CO 的红外吸收光谱在2170cm -1处有一振动吸收峰。
试求CO 键的力常数。
解：根据μπγKc 21= 则 μγπ2)2(c K = 其中2321211002.0)1612(1612)(⨯⨯+⨯=⨯+=L m m m m μ=1.14×10－23g=1.14×10－26Kg 则μγπ2)2(c K ==(2×3.14×3×108×2.17×105)2×1.14×10－26 =1905N/m=19.05N/cm答：CO 键的力常数19.05 N /cm 。
5、指出下列各种振动形式中，哪些是红外活性振动，哪些是非红外活性振动。
分子结构 振动形式（1） CH 3－CH 3 γ（C －C ）（2） CH 3—CCl 3 γ（C －C ）（3） SO 2 γs ,γ（4）H 2C CH 2 (a) υ(CH)CC(b) υ(CH)CH C (c) W(CH) C HHC H H ++++(d)τ(CH) C H H C H -++-解：只有发生使偶极矩有变化的振动才能吸收红外辐射，即才是红外活性的，否则为红外非活性的。
也即只有不对称的振动形式才是红外活性的，对称的振动则为红外非活性的。
因此，上述结构中：红外活性振动有：（2）CH 3—CCl 3 γ（C －C ） （3）SO 2 γas（4）H 2C CH 2 中的(a) υ(CH)、(d)τ(CH)，（3）SO 2 γs （伸缩振动） (c) W(CH)红外非活性的有：(a) CH 3－CH 3 υ(CH) 4）H 2C CH 2 中的(b) υ(CH)6、OH 和 O是同分异构体，试分析两者红外光谱的差异。
答：由于OH中含有一个－OH 基团，因此在红外光谱中有一强吸收峰在3700～3100cm -1，且此分子中含有一个C=C 双键，因此在1680～1620cm -1也有一较弱的吸收峰。
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
《红外课程》课件
红外辐射特性
红外辐射具有与可见光类 似的直线传播、反射、折 射等特性，同时还有其独 特的热效应。
红外辐射来源
自然界的物体都会发射红 外辐射，包括人体，因此 红外探测在军事、医疗、 科研等领域有广泛应用。
红外探测器工作原理
详细描述
目前，新型的红外材料与器件主要集中在以下几个方面：新型红外探测器、新型红外成像系统、新型 红外通信器件等。这些新型的红外材料与器件将会在性能、稳定性、可靠性等方面有更大的提升，为 红外技术的应用带来更多的可能性。
红外成像系统的小型化与集成化
总结词
随着微电子技术和集成电路的不断发展 ，红外成像系统也在不断向小型化、集 成化方向发展，这将为红外技术的应用 带来更多的便利性和灵活性。
《红外课程》ppt课件
目录
• 红外技术概述 • 红外探测原理 • 红外图像处理 • 红外系统性能评估 • 红外技术应用案例 • 未来展望与研究方向
01
红外技术概述
红外技术的定义与特点
总结词
红外技术是一种利用红外波段的电磁波进行信息获取和传输的技术。它具有穿透性强、抗干扰能力强、不易被探 测等特点。
总结词
2. 航空应用
3. 消防应用
4. 医疗应用
5. 科研应用
红外技术广泛应用于军 事、航空、消防、医疗 、科研等领域。
红外技术可用于航空遥 感、气象观测、导航等 方面，提高航空器的安 全性和效率。
红外技术可用于火源探 测、人员搜救等方面， 提高消防工作的安全性 和效率。
红外技术可用于医疗诊 断和治疗，如红外光谱 仪可用于分析人体组织 成分，红外热像仪可用 于检测人体温度分布异 常等。
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红外光学系统的分类
根据结构的不同，红外光学系统可分为三 大类，即透镜式系统(辐射束通过其中的折 射介质)；反射式系统(辐射束受到其中一个 或几个反射镜的反射)；混合式系统(由透镜 式和反射式系统组合而成)。
与可见光光学系统的异同点
红外光学系统的元件(透镜、反射镜、棱镜 等)原则上与可见光学系统的元件没有差别。 但它们之间有两个不同点：第一，许多材 料对可见光是透明的，面对红外线不透明。 或者有的材料在某些红外波段上透明、而 对可见光石透明；第二，两者的像质的衍 射限不同．这种差异来源于两种电磁辐射 的波长不同。
按探测器元件数：被动式红外系统可分为第一代、 第二代和第三代系统。
第一代系统是在单元或多元探测器基础上建立的， 系统采用传统的光机扫描。
第二代系统采用多元焦平面列阵器件，在这种系 统中，元件数达到10的三次，图象质量可与现代 电视系统相比拟。
第三代红外系统中，焦平面的元数足够多，可覆 盖整个视场，由电子扫描代替光机扫描，可称为 真正的“凝视”系统。
2. 曼金折射－反射镜
这种系统由一个球面反射镜和一个与它相 贴的弯月形折射透镜组成所采用的透镜是 负透镜，来校正球差，但色差较大，故常 将此透镜做成胶合消色差透镜。
图4-7 曼金折射——反射系统
3. 马克苏托夫系统
这种系统的主镜为球面镜，与曼金折射－ 反射镜相似，仍采用负透镜校正球面镜的 球差，但让负透镜与球面镜分离，利用形 状与位置两个自由度，可使像质获得更大 的改善。系统中三个球面的曲率中心都取 在同一点上，又置光阑在这个球心上，因 而没有慧差、像散和畸变，但存在少许色 差。
光器的调制频率，并保证斩光频率具有很高的稳定性。
设计要求
红外系统中的红外光学系统应满足如下要求（1） 小的尺度，这由整机尺寸要求所确定；②具有尽 可能大的相对孔径，所谓相对孔径是指物镜直径 与其焦距之比；（3）有确定的视场角，这取决于 红外系统的用途；④在所选择的波段内有最小的 辐射能损失；（5）在物镜
焦平面上像的尺寸最小，当目标移至视场边缘处 无明显的畸变；（6）在各种气象条件下或存抖动 和振动条件下，具有稳定的光学性能。
斩光器在光测量应用中，把连续光源发出的光，调制
成等时断续的光信号，便于光电变换后进行选频放大和相
干检测。
本斩光器除了能对被测光进行调制外，同时输出与调
制频率同步的参考电压方波，作为锁定放大器的参考信号，
因此，特别适用于采用锁定放大器的激光、光学或微波测
量系统。
本斩光器采用了闭环控制系统，能方便地连续调节斩
由反射镜和透镜组合的折射—反射式光学系统可以 结合反射式和透射式系统的优点，采用球面镜取代 非球面镜涧时用补偿透镜来校正球面反射镜的像差， 从而获得较好的像质。
常见系统
1. 斯密特系统 这种系统的主镜是球面反射镜，其前面安
装有一校正板，可根据校正板厚度的变化 来校正球面镜的像差。
图4-6 斯密特系统
常见系统 1. 牛顿系统（主镜抛物面，次镜 平面）
图4-3 牛顿系统
2. 卡塞格伦系统（主镜抛物面， 次镜双曲面）
图4-4 卡塞格伦系统
3. 格利高利系统（主镜抛物面， 次镜椭球面）
图4-5 格里高利系统
4.2.3 反射镜－透镜组合式光学 系统
无论透镜式光学系统或反射镜式光学系统都存在多 种像差。光学系统的像质由若干基本像差。如球差、 慧差、像散、畸变、像面弯曲和色差等所确定。像 差的大小依赖于光学系统的相对孔径、光束相对于 光轴的倾斜角和制作光学系统的材料，此外，像差 也依赖于透视的曲率半径、它们的厚度和透镜间的 空气间隙。
4第四章红外系统概述
精品
4.1 红外系统的分类
红外系统有以下几种分类方法： 按功能分：测辐射热计、红外光谱仪、搜索系统、
跟踪系统、测距系统、警戒系统、通讯系统、热 成像系统和测温仪等。 按工作方式分：主动系统和被动系统、单元系统 和多元系统、光点扫描系统及调制盘扫描系统、 成像系统和非成像系统。 按应用领域分：可分为军用系统和民用系统。
4.2 红外光学系统
红外光学系统的作用是更新改善光束的分布，更 有效地利用光能。若光学系统用于辐射源，或者 用于聚集辐射能，形成有确定的辐射光束，或者 使辐射束具有确定的形式；
若光学系统用于辐射探测器，则用来收集辐射， 会聚到探测器灵敏面上。红外系统中光学系统的 使用可大大提高灵敏面上的照度，它可比入射到 光学系统表面上的照度高若干倍，从而提高仪器 的信噪比，增大系统的探测能力。
常见的结构形式
1. 单透镜 2.组合透镜
图4-1 单透镜
图4-2 组合透镜
4.2.2 反射式红外光学系统
由于红外辐射的波长较长，能透过它的材 料很少，因而大都采用反射式红外光学系 统。员简单的反射式光学系统由反射镜组 成，它于探测器灵敏面上用来收集和聚焦 辐射束，或者在红外照射装置中用作产生 定向辐射。按截面的形状不同，反射系统 有球面形、抛物面形、双曲面形或椭球面 形等几种。
4.2.1 透射式红外光学系统
透射式红外光学系统也称折射式红外光学系统， 它一般由几个透镜或组合透镜构成，每个组合透 镜可看作是一个光学系统。对于双组合透镜系统， 第一个光学系统的后焦点与第二个系统的前焦点 重合，这种系统称为望远系统。望远系统广泛应 用于观察远距离物体的仪器，如夜视仪、红外望 远镜等。望远系统的第一个组件称为物镜，第二 个组件称为目镜。在用于红外探测器的光学系统 中，利用透镜聚光器将物镜整个视场内的辐射束 全部收集到探测器的灵敏面上。标辐射转变成电子线路容易处理的 交变信号，也为了将目标信息与背景干扰 信号相分离，必须进行辐射调制，或称为 斩光。
调制盘是红外系统信息处理的主要部件， 不仅用作斩光器，将连续辐射变成交变辐 射，而且还用作空间滤波器，把被测目标 从背景中识别出来。
在红外跟踪系统中，调制盘还被用来作为 对目标方位进行编码的编码器，提供目标 方位信息，所以在跟踪系统中使用调制盘 必须具备调制、编码和空间滤波三种功能。