1-波谱分析法
波谱分析
波谱分析波谱分析是一种重要的科学技术方法，它在多个领域有着广泛的应用。
本文将为读者介绍波谱分析的原理、方法以及其在不同领域中的应用，希望能够带给读者一些有关波谱分析的基础知识。
波谱分析是一种通过对信号频谱的分析，来研究信号特性的方法。
它主要通过将信号转化为频域来进行分析，以便更好地理解信号的频率成分。
波谱分析通常包括以下步骤：信号采样、转换为频域信号、频域信号分析以及结果展示。
在波谱分析中，最基础的是信号采样。
信号采样即将连续的模拟信号转化为离散的数字信号。
通过采样，我们获得了离散的信号数据，为后续的分析提供了基础。
转换为频域信号是波谱分析的关键步骤。
这一步骤主要通过傅里叶变换来实现，将时域信号转化为频域信号。
傅里叶变换能够将信号分解成一系列频率成分，使得我们能够更加清晰地了解信号的频率特征。
在波谱分析的频域信号分析阶段，我们可以使用不同的方法来对信号进行进一步的分析。
常见的方法包括功率谱分析、相位谱分析、自相关分析等。
功率谱分析可以帮助我们了解信号各个频率成分对总体信号功率的贡献程度，相位谱分析可以揭示信号的相位变化规律，自相关分析则是通过计算信号与其自身的相关性来分析信号的周期性变化。
波谱分析在不同的领域中都有广泛的应用。
在通信领域中，波谱分析可以用于信号传输中的频率选择性衰减的检测和修复；在音频领域中，波谱分析可以用于声音信号的处理和音乐分析；在医学领域中，波谱分析可以用于心电图和脑电图的分析，帮助医生进行诊断和治疗。
此外，波谱分析在材料科学、地震学、天文学等领域也有广泛应用。
在材料科学中，波谱分析可以用于材料结构的研究和分析；在地震学中，波谱分析可以用于地震波的研究和地震活动的监测；在天文学中，波谱分析可以用于星体的研究和宇宙的探索。
总结起来，波谱分析是一种基于信号频谱的分析方法，它通过将信号转化为频域信号来研究信号的特性。
波谱分析包括信号采样、转换为频域信号、频域信号分析以及结果展示等步骤。
波谱分析
2960~2850 cm-1 ，甲基、亚甲基C—H键伸缩振动；
1466、1380 cm-1 ，为C—H键的面内弯曲振动；
726，长链亚甲基面外弯曲振动，（CH2)n中n≥4时出现。
(2) 烯烃 C=C键的伸缩振动吸收峰1680~1600 cm-1，取代基多、 对称性强峰就减弱，共轭使峰增强但频率略降低；
３ 影响紫外光谱的因素
(1) 几个基本概念
生色基：能在某一段光的波长内产生吸收的基团，称 为这一段波长的生色团或生色基，如：C=C、C=O、 NO2等。 助色基：本身在紫外或可见光区没有吸收，当它们连
在双键或共轭体系上时，使吸收向长波方向位移，颜色
加深。如：—OH、—NH2、—Cl等。
红移现象：由于取代基或溶剂的影响使最大吸收峰向
1 2
k(
1 1 ) + m2 m1
键能增大，键长缩短，力常数k增大。
分子的振动方式
①伸缩振动：
对称伸缩
不对称伸缩
②弯曲振动：
面内弯曲
剪式振动
平面摇摆
面外弯曲
非平面摇摆
扭曲振动
每一种振动方式，都有固定的吸收频率。
当E2-E1 = hν时，红外线才能被吸收，因此同一基团
总是在一个特定的范围内产生吸收峰。 红外吸收峰产生的条件 必要条件：辐射光的频率与分子振动的频率相当； 充分条件：必须是能引起分子偶极矩变化的振动。
S3 S2
T2
S1 V3 V2 V1
J3 J1 J3 J1
T1
S 电子能级 1-20 eV V 振动能级 10-2-10eV J 转动能级 10-6-10-3 eV
F
P
S0
双原子分子能级和能级跃迁示意图
波谱解析
第一章绪论1.波谱分析法研究的内容应用UV，IR，NMR，MS进行结构分析UV：分子最外层价电子在不同能级跃迁产生的，取决于分子中含有双键数目，共轭的情况和几何排列。
IR:分子振动-转动光谱，反应出特定的官能团和相关的化学键。
NMR：主要有1H NMR、13C NMR，1H NMR：通过化学位移，偶合常数和共振峰面积积分，表达不同的氢核。
13C NMR：提供碳原子的信息。
MS：由分子离子峰和碎片峰，推断分子的结构，构成元素的种类和分子式。
2.波谱分析的发展GC-MS-COM；HPLC-MS-COM；GC-FTIR-COM；3. 时间安排第一章绪论第二章紫外吸收光谱法3节第三章红外吸收光谱法7节第四章核磁共振波谱法8节第五章质谱法4节第六章四种图谱的综合解析2节第二章紫外光谱第一节概述紫外可见光谱是电子光谱，研究分子中电子能级的跃迁。
其中:10～190 nm：远紫外区(真空紫外区)；190～400 nm：近紫外区，(紫外区)；400～800 nm：可见光区。
有机分子电子能级跃迁与此190～800 nm的紫外-可见光区密切相关。
用紫外光测得的电子光谱称紫外光谱(简称UV)。
第二节紫外光谱基本原理一、紫外吸收光谱的产生在紫外-可见光照射下，引起分子中电子能级的跃迁，产生电子吸收光谱。
在无外界干扰时，分子处于基态的零位振动能级(V o)的几率最大，由电子的基态到激发态的许多振动(或转动)能级都可发生电子能级跃迁，产生一系列波长间隔对应于振动(或转动) 能级间隔的谱线。
电子能级跃迁的同时伴有振动能级和转动能级的跃迁。
由于分子间的相互作用，通常只能看到宽带。
有机分子中的电子吸收光谱为宽带。
不同的跃迁方式，对键强度的影响不同，因而吸收谱带宽度及谱带的对称性也有不同。
二、分子轨道与电子跃迁的类型（一）分子轨道最长见的有σ轨道与π轨道。
（二）电子跃迁的类型以乙醛(CH3CHO)为例，分子中有成键的σ轨道及C=O的π轨道，非键的n轨道，π*、σ*为反键轨道，轨道能级的能量依次为σ*>π*>n>π>σ．有机化合物的价电子包括成键的σ电子、π-电子和非键的n电子。
波谱分析教程
波谱分析教程
波谱分析是一种常用的信号处理技术，用于研究信号的频谱特性。
本教程将向您介绍波谱分析的基本概念、方法和应用。
1. 什么是波谱分析？
波谱分析是通过将信号从时域转换为频域，来研究信号频谱特性的过程。
通过波谱分析，我们可以获取信号的频率成分、频谱强度和相位信息。
2. 傅里叶变换
傅里叶变换是用于将时域信号转换为频域信号的重要数学工具。
傅里叶变换将信号表示为一组正弦和余弦函数的叠加，可以将信号的频谱特性展现出来。
3. 离散傅里叶变换（DFT）
离散傅里叶变换是傅里叶变换在离散数据上的应用。
通过对离散信号进行DFT，我们可以得到信号的离散频谱。
4. 快速傅里叶变换（FFT）
快速傅里叶变换是一种高效的计算离散傅里叶变换的算法。
FFT可以大大提高计算速度，使得波谱分析在实时信号处理中得以广泛应用。
5. 波谱估计方法
波谱估计方法是通过有限的信号样本，估计信号的频谱特性。
常用的波谱估计方法包括周期图法、自相关法、最大熵法等。
6. 应用案例
波谱分析在许多领域都有广泛的应用。
例如，在通信领域，波谱分析常用于频谱分配、信号识别和调制识别等方面。
在振动分析中，波谱分析可以用于检测机械故障、分析材料的动态特性等。
在此教程中，我们将详细介绍如何进行波谱分析，包括信号预处理、傅里叶变换、波谱估计和结果解释。
通过学习本教程，您将掌握波谱分析的基本方法，为更深入的研究和应用打下基础。
波谱分析简介
➢ 紫外吸收光谱 分子中最外层价电子在不同能级轨道上
跃迁而产生的，反映了分子中价电子跃迁时的能量变化与化 合物所含发色基团之间的关系。
-胡罗卜素 咖啡因
几种有机化合的 分子吸收光谱图。
阿斯匹林
丙酮
T(%)
➢ 红外吸收光谱 分子振－转光谱，由分子的振动－转动能 级间的跃迁而产生的。鉴别分子中所含有的特征官能团和化学 建的类型，进而确定化合物分子的化学结构。
红外光谱
转动、自旋跃迁 微波谱、顺磁共振
核自旋跃迁
核磁共振
三、分子不饱和度的计算
在已知分子式的情况下，结构解析的优先步骤之一是求出 不饱和度。
U＝1+ n4 + 1/2(n3-n1 )
n4 、 n3、n1 －分别为4价、 3价、1价原子的个数。
稠环芳烃不饱和度： 例：
U＝4r-s
r－稠环芳烃的环数 s－共用边数
r＝3 s ＝2 U＝4×3－2＝10
C6H6 C2H5NO2
U＝1+6 + 1/2(0-6 ) = 4 U＝1+2 + 1/2(1-5 ) = 1
四、波谱实验样品的准备
波谱测定前需根据样品的来源、性质、纯度、杂质组分不 同以及不同波谱测定目的作样品的准备工作。
1.样品量
（1）首先取决于检测灵敏度。即不同波谱对样品需要的量不 同。MS（10-12g)、 UV(10-6g）、IR、NMR(几毫克）
苯酚的红外光谱
➢ 核磁共振波谱 分子具有核磁矩的原子核1H、13C（或 15N、19F、31P等）在外加磁场中，通过射频电磁波的照射，
吸收一定频率的电磁波能量，由低能级跃迁到高能级，并产 生核磁共振信号。
波谱分析.ppt
紫外光谱中常以吸收带最大的吸收波长λmax 和该波长下的摩尔吸光系数εmax 来表征化合 物的特征吸收，吸收光谱反应了物质分子对 不同紫外光的吸收能力，吸收带的形状以及 λmax εmax 与分子的结构有密切的关系。
紫外吸收光谱是由分子中的价电 子能级跃迁所产生的，在跃迁过 程中，电子能级的跃迁往往伴随 着分子振动能级的跃迁和转动能 级的跃迁，因此电子能级的跃迁 多产生的吸收带由于附加了分子 振动能级和转动能级的跃迁而变 成了较宽的谱带。
• 学习的目的和要求：
1、分子中电子能级及电子跃迁的规律，σ、π、ｎ轨道及σσ*, n- σ*, π- π*, n- π* 跃迁与分子结构的关系，电子跃 迁产生的吸收带波长及其光谱特征。
2、分子结构变化及取代基对吸收光谱的影响，共轭体系对 吸收波长的影响。
3、各类化合物的紫外吸收特征，共轭二烯烃α,β不饱和羰基 化合物及其酰基苯衍生物的Ｋ带波长计算方法。
二 分子轨道与电子跃迁类型 分子轨道
..
CH3CH2O. .H n
电子跃迁类型
电子在不同轨道间跃迁所吸收的光辐射波长不 同。 σ→σ*跃迁所需要的能量最高,吸收波长 最短；n →π*跃迁所需要的能量最低，吸收 波长较长。
(1)σ →σ*跃迁：饱和烃△E = hυ= hc/λ 高能跃迁，大约需780kJ.mol-1的能量，相 当于真空紫外区的波长。 乙烷的σ →σ* ：135nm 环丙烷σ →σ* ：190nm
2、波谱分析法（UV、IR、NMR、MS） 特点：样品微量化，测定速度快，结果准确，重复 性好。 解析方法： ①、与已知纯物质的标准图谱对照。 ②、对比实验法（空白对照、底物对照、设计实 验）。 几种图谱应互相参照，相互补充，能自园其说，不 互相矛盾，才能准确地确定未知物的分子结构。
波谱分析—绪论(基础化学)
半个多世纪以来，由于量子力学、电子及 光学技术、计算机科学的兴起和发展，波谱分析 方法得到了迅速发展，并逐渐成为人类认识分子 的最重要的手段之一。
四种波谱分析法的比较 ：
1、测定的灵敏度： MS > UV > IR > 1H-NMR > 13C-NMR 2、仪器的昂贵程度： MS和NMR远比IR和UV昂贵，且随着仪器价格的升高也相 应增加了维护费用。 3、测定技能： 在常规分析中使用的UV、IR、简易的NMR比较简单，而精 密的联用仪器如GC-MS、HPLC-MS等操作比较复杂。 4、获取信息量的程度： 不仅要考虑获取信息的数量，还要考虑对 获取信息的解析能力。 综合起来比较，按下述顺序递降： NMR > MS > IR > UV
聚态的结构构型和构象的状况，对人类所面临的生命科学、材料 科学的发展，是极其重要的。
四、波谱学分析方法：
波谱分析法（Specturm Analysis）是由:
紫外光谱 (ultraviolet spectroscopy，缩写为UV)、
红外光谱 (infrared spectroscopy，缩写为IR)、
科研经验，教学过程中使用多媒体课件教学，基本理论、原理 主要采用板书，同时兼有课堂讨论和课后辅导等多种教学手段 相结合的方式。
二、教学目的与基，
波谱学分析方法获得了相当大的进展。在有机化学、无机化学、
生物化学领域中，许多原来只能定性描述的问题，经过波谱学 分析获得了定量的结果。
的能力。
三、本课程的意义
有机波谱分析总结
有机波谱分析总结有机波谱分析是有机化学中一项重要的分析技术，通过对有机化合物的波谱进行分析，可以确定其结构和功能基团，对于有机合成、药物研发等领域有着广泛的应用。
本文将对有机波谱分析的原理、常见波谱技术和分析方法以及应用进行总结。
一、有机波谱分析原理有机波谱分析主要基于分子中所包含的原子核和电子的转动、振动和电子能级跃迁引起的辐射吸收或发射现象。
通过测量分子在不同频率范围内所吸收或发射的辐射能量，可以得到不同类型的波谱。
有机波谱分析常用的波谱包括红外光谱、质谱、核磁共振谱和紫外可见光谱。
二、常见的有机波谱技术1.红外光谱（IR）：红外光谱是根据有机化合物中的官能团和化学键所具有的振动频率的不同来进行分析的。
通过红外光谱可以确定有机化合物中的官能团，如羧酸、醇、醛等。
红外光谱具有非破坏性、操作简便的特点，广泛应用于有机合成、药物研发等领域。
2.质谱（MS）：质谱是通过对有机化合物中分子离子和碎片离子质量进行测量来分析有机化合物的分子结构。
质谱具有高灵敏度、高分辨率的特点，可以确定分子的组成和相对分子质量，对于有机化合物的鉴定具有重要意义。
3.核磁共振谱（NMR）：核磁共振谱是根据核磁共振现象进行分析的。
通过测量有机化合物中原子核受到外加磁场影响的吸收或发射的辐射能量，可以得到有机化合物中原子核的位置、种类和环境。
核磁共振谱具有高分辨率、非破坏性和无辐射的特点，广泛应用于有机合成、物质鉴定和生物医学研究等领域。
4.紫外可见光谱（UV-Vis）：紫外可见光谱是通过测量有机化合物在紫外可见光区域吸收或发射的辐射能量，以确定有机化合物的电子能级和共轭体系的存在与否。
紫外可见光谱具有高灵敏度和快速测量的特点，常用于有机合成、化学动力学和药物研发等领域。
三、有机波谱分析方法1.结构鉴定法：通过与已知化合物的波谱进行对比，确定未知化合物的结构。
结构鉴定法常用于核磁共振谱和质谱。
2.定量分析法：通过测定化合物在特定波长或波数处的吸光度或吸收峰面积，来确定有机化合物的含量。
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的结构，而且还能探索到分子间各种集聚态的结
构构型和构象的状况，对人类所面临的生命科学、
材料科学的发展，是极其重要的。
常见有机波谱
常 见 有 机 波 谱
对有机化合物的结构表征 应用最为广泛的是——
紫外光谱 ( ultraviolet spectroscopy 缩写为UV)
红外光谱 ( infrared spectroscopy
分子运动可分为：
价电子运动
分子内原子在其平衡位置附近的振动
分子本身绕其重心的转动 每种运动状态都属一定的能级，当用光照射时，物质 分子吸收一定能量的光量子，转变为三种不同的运动形 式，引起分子内原子的 电子能级 的变化 振动能级 转动能级
由于分子所吸收的能量是量子化的，即只有
E吸收光子 = ΔE两能级之间
E hv
hc
式中： E 为光量子能量，单位为 J h 为Planck 常数，其量值为 6.63 × 10-34 J s-1
该式表明：分子吸收电磁波，从低能级跃迁到 高能级，其吸收光的频率与吸收能量的关系。由此
可见，与E，v 成反比，即 ↓，ν↑(每秒的振
动次数↑)，E↑。
根据波长的不同，电磁波可划分为几个区域：
属于核磁共振（NMR）研究范畴
由于各种物质分子内部运动状态存在差异，产生的光
谱亦各异，所以利用此对物质可进行结构分析和鉴定
注意： UV光谱、IR光谱、NMR 质谱（MS）
属 不是
吸收光谱 吸收光谱
3、朗勃特——比尔定律
（Lambert——Beer） ——当用一束光（I0）照射溶液时，一部分光（I）通过
称之为
摩尔消光系数，用ε表示
C = 1m
= ε （摩尔吸收系数）
l = 1cm
所以Lambert—Beer公式可写成：
A =εc l =log I0 /I
②、把 I / I0
称之为
透射率（T），即：
T = I / I0
把 T%
称之为
百分透射率
谢谢大家
电磁波包括的范围很广，我们所熟悉的光就是一 种具有一定波长的电磁波，是一种以巨大速度通过空 间传播的光量子流，它既有粒子性，也具有波动性， 称之为——波粒二相性。
就波动性而言
可用波长( )、频率(v )和波数(
按量子力学，其关系为：
v )来描述。
v
c
cv
就粒子性而言
它具有一定能量，可用光量子的能量来描述：
缩写为IR)
核磁共振谱 (nuclear magnetic resonance 缩写为NMR) 质谱 ( mass spectroscopy 缩写为MS)
有机四大谱及其特点
紫外吸收光谱（UV）、红外吸收光谱（IR）、
核磁共振谱（NMR）、质谱（MS） 优点：样品用量少，准确快速
UV：0.01-5mg IR：0.1-1mg NMR：1-5mg
溶液，而另一部分光被溶液吸收了。这种吸收是与溶 液中物质的浓度（c）和液层厚度（l）成正比，即：
A = log I 0 / I = Ecl
式中： A—吸光度 c—溶液浓度（mol / l）
I0—透过溶液前的入射单色光强度
I— 透过溶液后的透射单色光强度
l—盛液小池的厚度（cm）
E—吸收系数
注意：
①、当溶液浓度 C=1 mol/l ，小池厚度 l =1cm ，此 时测得的吸光度 A 即： A
MS：0.000001-0.1mg UV：2-20万
缺点：仪器价格昂贵，操作复杂
IR：3-50万 NMR：50-1000万 MS：20-500万
基本内容：
紫外吸收光谱 （UV） 红外吸收光谱 （IR） 核磁共振光谱 （NMR） 质谱 （MS）
基本知识：
电磁波谱 分子吸收光谱 朗勃特—比尔定律
1、电磁波谱
1m~5m
2.5μm
2ห้องสมุดไป่ตู้μm
2、分子吸收光谱
物质内部的运动在外部将以辐射能量或吸收能量 的形式表现出来
从高 E 从低 E
低 E 高 E
称之为——辐射光谱 称之为——吸收光谱
有机物结构研究和鉴定中，大量应用的是 吸收光谱
分子吸收光谱——
是由波长连续分布的光透过物质时，某些波长的光 被物质吸收而产生的暗线或暗带组成的光谱
才能被吸收，产生相应的 电子光谱 振动光谱 转动光谱 吸收光谱根据跃迁所吸收的能量不同和跃迁形式 的差别可分为以下几种： ① 原子内层电子谱—— 指分子中原子由于吸收光子而使原子内层电子跃迁所产生 的吸收光谱 属于X射线光电子能谱（XPS）研究范畴
② 价电子光谱——
指分子内由于吸收光子引起分子价电子能级跃迁所产
波 谱 解 析 法
（Specturm Analysis）
化学工程系
尹青
教材：
《波谱解析法》
潘铁英、张玉兰、苏克曼编著， 华东理工大学出版社， 第二版
参考书目：
1、《波谱分析法》，于世林主编，重庆大学出版社 2、《波谱分析教程》，邓芹英主编，科学出版社 3、《波谱分析法》，沈淑娟主编，华东化工学院出版社 4、《仪器分析》，武汉大学化学系编，高教出版社
主要讲六章
第一章 第二章 第三章 第四章 第五章 第六章 绪论 紫外吸收光谱 （UV） 红外吸收光谱 （IR） 核磁共振光谱 （NMR） 质谱 四谱综合解析 （MS）
第一章
绪 论
有机化合物的结构表征(即测定) —— 是从分子 水平认识物质的基本手段，是有机化学的重要组成部 分。过去，主要依靠化学方法进行有机化合物的结构
测定。
其缺点是： 费时、费力、费钱， 需要的样品量大。 例如：鸦片中吗啡碱结构的测定， 从1805年开始研究，直至1952年 才完全阐明，历时147年。
OH O HO NCH3 吗 啡 碱
而现在的结构测定，则采用现代仪器分析法，
其优点是：
省时、省力、省钱、快速、准确，样品消耗
量是微克级的，甚至更少。它不仅可以研究分子
λ（ ） 小 宇 射 宙 线 γ-射 线 χ-射 线 紫 外 可 见 红 外 微 波 λ（ ） 大 无 电 线 波
紫 光 外 谱 远 10~200nm 近 200~400nm
可 光 见 谱
红 光 外 谱 近 0.7~2.5 μm 中 2.5~25 μm 远 25~1000 μm
核 共 磁 振
400~800nm
生的吸收光谱 属于紫外吸收光谱（UV）研究范畴 ③ 振动光谱—— 分子吸收光子后引起分子基团振动能级跃迁所产生 的吸收光谱 属于红外光谱（IR）研究范畴
④ 转动光谱——
分子吸收光子后引起共价键的转动能级跃迁所产生 的吸收光谱 属于远红外吸收光谱研究范畴
⑤ 核自旋光谱——
在外磁场条件下，原子核吸收光子后引起核能级跃迁 （核磁共振）所产生的吸收光谱