气体的红外吸收光谱
红外吸收光谱的原理及应用
红外吸收光谱的原理及应用一、红外吸收光谱的原理红外吸收光谱（Infrared Absorption Spectroscopy）是一种常见的光谱分析技术，它利用物质分子对红外辐射的吸收特性进行分析和研究。
红外光谱的原理基于分子的振动和转动引起的能量变化。
在红外辐射的作用下，分子会吸收特定波长或频率的光，从而发生能级跃迁并产生吸收峰。
根据不同的吸收峰位置和强度，可以推断物质的结构、组成和化学环境等信息。
红外吸收光谱的原理主要包括以下几个方面： 1. 分子的振动和转动：分子在吸收红外辐射时，会发生振动和转动。
振动包括拉伸、弯曲和扭转等不同形式，每个分子都有特定的振动模式和频率，使其能够吸收不同波长的红外辐射。
2. 分子吸收特定波长的光：分子在特定波长范围内吸收红外辐射，产生吸收峰。
根据吸收峰的位置和强度，可以确定分子的化学键、官能团和分子结构等信息。
3. 光谱图的解读：通过测量物质对红外辐射的吸收情况，可以得到红外光谱图。
光谱图通常以波数为横轴，吸收峰强度为纵轴，常用峰位和峰形进行分析和判断。
二、红外吸收光谱的应用红外吸收光谱具有广泛的应用领域，主要包括以下几个方面：1. 化学分析红外光谱在化学分析中起着重要作用，可以用于鉴定和分析各种有机和无机化合物。
通过测量样品的红外光谱，可以获得化学键和官能团的信息，从而判断物质的结构和组成。
红外光谱被广泛应用于有机化学、药物分析、环境监测等领域。
2. 药物研发红外光谱在药物研发中具有重要的应用价值。
通过红外光谱分析药物的结构和成分，可以判断药物的稳定性、纯度和相态等性质。
红外光谱还可以用于药物的质量控制和检验，确保药物的安全有效。
3. 材料科学在材料科学领域，红外光谱可以用于材料的表征和分析。
不同材料的红外光谱具有独特的特征，可以用于识别和鉴别材料，评估材料的结构、质量和性能。
红外光谱被广泛应用于聚合物材料、无机材料、涂层材料等领域。
4. 生物医学研究红外光谱在生物医学研究中有着重要的应用。
红外吸收光谱PPT课件
02
红外吸收光谱仪器
红外光谱仪的构造
01
02
03
04
光源
发射一定波长的红外光，常用 光源有碘、溴钨灯等。
单色器
将光源发出的红外光分成单色 光，常用单色器有棱镜和光栅
。
样品室
放置待测样品，样品可以是气 体、液体或固体。
检测器
检测透过样品的红外光，常用 检测器有热电偶、光电导和光
电二极管等。
红外光谱仪的工作原理
红外吸收光谱的应用
确定物质成分
结构分析
通过比较标准物质的红外吸收光谱，可以 确定未知物质的成分。
红外吸收光谱的峰位置和峰强度可以提供 物质分子的振动和转动信息，有助于分析 分子结构和化学键的类型。
定量分析
反应动力学研究
通过测量样品在不同波长下的透射率或反 射率，可以计算样品中目标成分的浓度。
红外吸收光谱可用于研究化学反应过程中 分子振动和转动能级的跃迁。
特点
具有高灵敏度、高分辨率和高选 择性，能够提供物质分子的振动 和转动信息，广泛应用于化学、 物理、环境和生物等领域。
红外吸收光谱的原理
原理
当红外光与物质分子相互作用时，分 子吸收特定波长的红外光，导致分子 振动和转动能级跃迁，产生红外吸收 光谱。
影响因素
分子结构和化学键的性质决定红外吸 收光谱的特征，不同物质具有独特的 红外吸收光谱。
敏度，适用于复杂样品分析。
微型化红外光谱仪
02
通过集成光学、微电子机械系统等技术，将红外光谱仪小型化，
方便携带和移动检测。
多光谱和超光谱红外光谱仪
03
结合多光谱技术和超光谱技术，可同时获取样品多个波段的红
外光谱信息，提高分析效率。
红外光谱-3
薄膜法:
熔融法: 对熔点低，在熔融时不发生分解、升 华和其它化学变化的物质，用熔融法制备。可 将样品直接用红外灯或电吹风加热熔融后涂制 成膜。
热压成膜法: 对于某些聚合物可把它们放在两 块具有抛光面的金属块间加热，样品熔融后立 即用压片机压片，冷却后揭下薄膜直接测试。
由红外谱图看：从谱图的高频区可看到: 2260cm-1，氰基的伸缩振动吸收； 1647cm-1 ，乙烯基的-C=C-伸缩振动吸收。 由1865，990，935cm-1：表明为末端乙烯基。 1418cm-1：亚甲基的弯曲振动（1470cm-1，受到两侧不饱和
基团的影响，向低波数位移）和末端乙烯基弯曲振动（ 1400cm-1）。
The end！
练习
• 某化合物C9H10O，其IR光谱主要吸收峰位为3080， 3040，2980，2920，1690（s），1600，1580，1500，
1370，1230，750，690cm-1，试推断分子结构 。
解: U = 2 + 2? 9 10 = 5 ? 可能含有苯环
2
1690cm- 1强吸收 Þ 为nC= O
3) 固体:
①研糊法（液体石腊法） ②KBr压片法 ③薄膜法
固体样品的制备：
压片法: 将1~2mg固体试样与200mg纯KBr，在玛瑙研
钵中研细混合，研磨到粒度小于2μm，在压片机上 压成透明薄片，即可用于测定。
糊状法: 研细的固体粉末和石蜡油调成糊状，夹在两块
KBr盐片的中间，进行测试。 此法可消除水峰的干扰。液体石蜡本身有红外
• -CH2-。因而，可能有三种结构，甲酸丙酯，乙酸乙酯，丙酸甲 酯。但图中没有甲酸丙酯的醛基2720~2750cm-1的特征峰。
红外光谱技术在气体检测分析中的应用
红外光谱技术在气体检测分析中的应用气体灾害对人类和自然的危害日益加重，由于气体的物化特性，常规的探测手段很难高效的实现气体检测的目的，红外高光谱遥感探测手段能够反映场景内的温度信息和光谱信息，是灾害气体检测最有效的手段之一，具有极高的军事和民用价值。
本文以研究气体红外高光谱数据的特点为出发点，实现气体红外高光谱数据的建模与检测，为构建灾害气体的监测体系提供帮助和指导。
标签：红外光谱技术;气体检测分析;特征频率引言：灾害气体在环境中会带有独特的温度特征和光谱特征。
利用红外高光谱探测手段能够有效的利用气体的温度信息和光谱信息，从而对气体进行甄别和检测。
传统的高光谱一般指可见光近红外波段，传统高光谱是对地物目标的反射率信息进行分析，以达到相应的检测目的。
而红外高光谱探测手段是利用对远红外波段的辐射能量进行相应的检测分析，这部分信息主要利用的是目标的辐射信息（温度信息）。
从成像机理上，传统的高光谱和红外波段的高光谱有所不同，所以，研究这两者在成像模型、信号模型、检测模型的异同之处有十分重要的研究意义。
另外，软件和硬件的发展是相辅相成的，红外传感器的发展，伴随着红外遥感相关技术的研究。
目前红外高光谱传感器技术壁垒比较大，红外高光谱数据获取比较难，但红外高光谱数据的应用具有极大的意义和价值。
所以研究气体的红外高光谱数据仿真具有十分重要的意义，对气体以及其他目标物体的红外高光谱辐射特性分析与特征提取具有十分重大的指导意义。
一、红外光谱吸收原理众所周知，光是由许多单一颜色的光组成的，由此可知，红外光是由许多处于红外频率以外的光组成的。
每种气体都具有一种性质：可以吸收对应频率的红外光能量，气体吸收红外光能量中频率最高的被称为气体的特征吸收频率。
当光线穿透气体时，气体吸收特征频率谱线光，导致光的能量下降。
研究表明，每种气体在红外辐射波段都有不同数目的特征吸收谱线。
由于特征频率是由一定频率范围内的光组成的，因此特征吸收频率具有一定的带宽，并且带宽中每个频率被吸收的量不尽相同。
红外吸收光谱的解析.
红外吸收光谱法第一节概述一、红外光谱测定的优点20世纪50年代初期，红外光谱仪问世，揭开了有机物结构鉴定的新篇章。
到了50年代末期，已经积累了大量的红外光谱数据，到70年代中期，红外光谱法成为了有机结构鉴定的重要方法。
红外光谱测定的优点：1、任何气态、液态、固态样品都可以进行红外光谱的测定，这是核磁、质谱、紫外等仪器所不及的。
2、每种化合物均有红外吸收，又有机化合物的红外光谱可以获得丰富的信息。
3、常规红外光谱仪价格低廉，易于购置。
4、样品用量小。
二、红外波段的划分δ=104/λ（λnm δcm -1）红外波段范围又可以进一步分为远红外、中红外、近红外波段波长nm 波数cm -1近红外 0.75~2.5 13300~4000中红外 2.5~15.4 4000~650远红外 15.4~830 650~12三、红外光谱的表示方法红外光谱图多以波长λ（nm ）或波数δ（cm -1）为横坐标，表示吸收峰的位置，多以透光率T%为纵坐标，表示吸收强度，此时图谱中的吸收―峰‖，其实是向下的―谷‖。
一般吸收峰的强弱均以很强（ε大于200）、强（ε在75-200）、中（ε在25-75）、弱（ε在5-25）、很弱（ε小于5），这里的ε为表观摩尔吸收系数红外光谱中吸收峰的强度可以用吸光度（A ）或透过率T%表示。
峰的强度遵守朗伯-比耳定律。
吸光度与透过率关系为所以在红外光谱中―谷‖越深（T%小），吸光度越大，吸收强度越强。
第二节红外吸收光谱的基本原理一、分子的振动与红外吸收任何物质的分子都是由原子通过化学键联结起来而组成的。
分子中的原子与化学键都处于不断的运动中。
它们的运动，除了原子外层价电子跃迁以外，还有分子中原子的振动和分子本身的转动。
这些运动形式都可能吸收外界能量而引起能级的跃迁，每一个振动能级常包含有很多转动分能级，因此在分子发生振动能级跃迁时，不可避免的发生转动能级的跃迁，因此无法测得纯振动光谱，故通常所测得的光谱实际上是振动-转动光谱，简称振转光谱。
红外吸收光谱分析
基团吸收带数据
Ｏ－Ｈ
３６３０
基团吸收
活 泼 氢
Ｎ－Ｈ Ｐ－Ｈ
３３５０ ２４００
伸 缩
带数据
能级跃迁类型
近红外 0.76~2.5
1358~400 0
OH、NH、CH及SH倍频 吸收区
中红外
2.5~25
4000~400
分子振动-转动 （基本振动区）
远红外 25~1000 400~10 纯转动
第二节 红外吸收基本理 论
一、红外光谱产生的条件
(1) 辐射能应具有能满足物质产生振动跃迁所 需的能量；
3、炔烃
炔烃的特征吸收主要是C≡C伸缩振 动（2250～2100cm-1) 和炔烃 C-H伸缩振动（3300cm-1附近)
4、芳烃
芳烃的特征吸收分散在3个小频区：
（1600～1450cm-1)为C=C骨架振动， （2000～1667cm-1) 区域出现C-H 面外弯曲振动的泛频峰，虽然强度很弱， 但吸收峰形状和数目与芳环的取代类型 有关。利用该区的吸收峰与900～ 650cm-1区域苯环的C-H面外弯曲振动， 可确定苯环的取代类型。
(3)1900 1200 cm-1 双键伸缩振动区
(4)1200 670 cm-1 X—Y伸缩， X—H变形振动区
1． X—H伸缩振动区（4000 2500 cm-1 ）
（1）—O—H 3650 3200 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。
红外吸收光谱法在气体检测中的应用
based on Lambert-Beer law and differential absorption are stated in detail. A portable infrared methane monitor has been designed, by which the structure of the gas monitor is also introduced.
参考文献：
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温室气体的分子特征——吸收红外辐射
温室气体的分子特征——吸收红外辐射波长在0.76μm ～1000μm 的电磁辐射称为红外光(infrared ray)，该区域称为红外光 谱区或红外区。
红外光又可划分为近红外区（0。
76μm ～2.5μm 或13158cm —1～4000cm —1）、中红外区(2。
5μm ～50μm 或4000cm —1～200cm -1)、远红外区(50μm ～1000μm 或200cm -1～10cm -1）。
其中中红外区是研究分子振动能级跃迁的主要区域。
） 或 波数（νσ:光子的能量E ，单位J ；光的频率ν，单位H z (s —1）。
E=h ν，普朗克常量h=6.63×10—34J·s 。
σλc c ==ν,光速c=3×1010cm ，波长λ的单位cm （1nm=10-7cm ）。
λσ1=定义式：,波数被定义为波长的倒数，单位为cm —1，其物理意义是：1cm 长度中所包含波长的数目（波数的法定单位符号是m -1）。
用波数的优点，在于它和光子的能量有正比关系（比例常数是h)，光谱学上常常以cm —1作能量的单位.1cm —1≈1.196×10J·mol —1。
一、多原子分子的振动方式１、振动的自由度和简正振动⑴、简正振动：多原子分子的振动可以近似地看作像被许多弹簧联系起来的小球的振动（化学键相当于弹簧，原子相当于小球）。
不管多原子分子的振动怎样复杂，我们总可以把它分解成许多简单的基本振动（即简单的谐振动)。
这种基本振动称为简正振动(又称正则振动）。
⑵、力学自由度和分子的振动形式设分子由n 个原子组成，每个原子在空间都有三个力学自由度，原子在空间的瞬时位置可以用直角坐标系中的三个坐标x 、y 、z 表示（３个参数描述），因此n 个原子组成的分子总共应有3n 个自由度（即独立的坐标变量数目）,即3n 种运动状态。
（3n 个独立运动＝平动数＋振动数＋转动数)。
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气体的红外吸收光谱是指气体分子在红外波段（一般指3-20微米）能够吸收的特定波长的光线。
红外光谱可以用于研究气体的结构、能级和化学性质。
气体分子的吸收光谱是由于分子内部振动、转动和电子跃迁等引起的。
不同气体分子的吸收特性各不相同，因此可以利用红外光谱来鉴别和分析气体成分。
常见的气体红外吸收光谱包括：
主要由单原子分子组成的气体（如氦、氩、氖等）在红外波段几乎没有吸收特征。
双原子分子（如氧气、氮气等）主要吸收位于2.5-5微米波段的红外光。
三原子分子（如二氧化碳、水蒸气等）有多个吸收峰，吸收波长集中在3-15微米波段，其中二氧化碳主要吸收波长为4.3微米和15微米附近，水蒸气主要吸收波长为2.7和6微米附近。
一些其他气体还有特定的红外吸收峰，如甲烷在3.3微米附近、一氧化氮在5.3微米附近等。
气体的红外吸收光谱可以通过红外光谱仪进行测量。
利用红外吸收光谱可以进行气体分析、检测和监测，广泛应用于环境监测、工业生产和安全防护等领域。