红外光谱

红外光谱分析法及其应用简介

一：红外光谱简介和特点

材料研究方法有许多种，主要包括有成份谱分析法，衍射分析法，显微术分析法等

红外光谱分析，是成份谱分析法中的一种方法。它的通过将一束不同波长的红外射线照射到物质的分子上，其中某些特定波长的红外射线被吸收，形成这一分子的红外吸收光谱。每种分子都有由其组成和结构决定的独有的红外吸收光谱，据此可以对分子进行结构分析和鉴定。

与其他成份谱分析法相比，红外光谱分析具有以下优点：

1 应用范围广。红外光谱分析能测得所有有机化合物，而且还可以用于研究某些无机物。因此在定性、定量及结构分析方面都有广泛的应用。

2 特征性强。每个官能团都有几种振动形式，产生的红外光谱比较复杂，特征性强。除了及个别情况外，有机化合物都有其独特的红外光谱，因此红外光谱具有极好的鉴别意义。

3 提供的信息多。红外光谱能提供较多的结构信息，如化合物含有的官能团、化合物的类别、化合物的立体结构、取代基的位置及数目等。

4 不受样品物态的限制。红外光谱分析可以测定气体、液体及固体，不受样品物态的限制，扩大了分析范围。

5 不破坏样品。红外光谱分析时样品不被破坏。

通常使用的红外光谱仪是：傅里叶变换红外光谱仪，它是一种非色散型的光谱仪，其核心部分是一台双光束干涉仪。当仪器中的动镜移动时，经过干涉仪的两束相干光间的光程差就改变，探测器所测得的光强也随之变化，从而得到干涉图。经过傅里叶变换的数学运算后，就可得到入射光的光谱。这种仪器的优点：多通道测量，使信噪比提高；光通量高，提高了仪器的灵敏度；波数值的精确度可达0.01厘米-1；增加动镜移动距离，可使分辨本领提高；工作波段可从可见区延伸到毫米区，可以实现远红外光谱的测定。

红外光谱具有鲜明的特征性，其谱带的数目、位置、形状和强度都随化合物不同而各不相同。因此，红外光谱法是定性鉴定和结构分析的有力工具。

如在进行已知物的鉴定时，将试样的谱图与标准品测得的谱图相对照，或者与文献上的标准谱图（例如《药品红外光谱图集》、Sadtler标准光谱、Sadtler 商业光谱等）相对照，即可定性。

如果是未知物的鉴定，而且未知物不是新化合物，标准光谱己有收载的，可有两种方法来查对标准光谱：1利用标准光谱的谱带索引，寻找标准光谱中与试样光谱吸收带相同的谱图；2进行光谱解析，判断试样可能的结构。然后由化学分类索引查找标准光谱对照核实。

二：简单化合物的红外光谱解析举例

解析光谱之前的准备：了解试样的来源以估计其可能的范围；测定试样的物理常数如熔沸点、溶解度、折光率、旋光率等作为定性的旁证；根据元素分析及分子量的测定，求出分子式。下面以已知化合物2-甲基-1-丁烯为例，举例说明如何进行红外光谱的解析。

样品分子式C5H10 学名：2-甲基-1-丁烯

分子量：70.1

解析光谱的程序一般为：

从特征区的最强谱带入手，推测未知物可能含有的基团，判断不可能含有的基团。如上图中2969处为-CH3对称伸缩 (2970) ，888处为双键=CH2外面摇摆振动(910-890)

用指纹区的谱带验证，找出可能含有基团的相关峰，用一组相关峰来确认一个基团的存在。如上图中3076为末端=C-H2 特征峰(3085)，1650处为双键C=C 特征峰(1680-1620)，2937；2916；2880；2853处为饱和-C-H振动区域(2960-2860) ，1454处为-CH3反对称变形，1444处为-CH2变形 (1450-1470)1377处为-CH3对称变形 (1380)，800及以下的峰为溶液CCl4中C-Cl的伸缩振动对于诸如C5H10这样的简单化合物，确认几个基团之后，便可初步确定分子结构，由上面几个判断可以推测出该化合物的化学式是

红外光谱分析法在处理同分异构体时，相比其他几种图谱，就会显示出极大的优势，如下：同样是分子式为C5H10的化合物，环戊烷的红外光谱与2-甲基-1-丁烯截然不同。

样品分子式C5H10 学名：环戊烷

分子量：70.1

由上图可见，最强吸收峰2968处，为多元环>C-H2特征吸收锋，2930；2870处为-CH2对称伸缩，1466处为-CH2变形特征峰，并没有-CH3的特征峰，可以直接判断其为环戊烷，其结构如下所示：

三：红外光谱分析的应用

红外光谱是许多领域检测中的官方认证检测技术，最早用在农业跟食品业的成分检测，后来扩展到工业（纺织、聚合物、药物、石油化工、生化和环保等）方面，主要是工业现场分析跟在线质量监控等方面。近几年人们又利用该技术检测物质的纯度，解释物质的结构，预测、评价生物的某些生理现象及变化，监测一些天体的变化等。尤其在医学领域方面发展最为迅速，定性、定量地检测药物（主要是中药）的药性分析以及临床分析。

1：红外光谱分析在塑料制品中的应用

塑料制品已经是日常生活中必不可少的物品，增塑剂作为在制造塑料的一种添加剂，虽然少量对人体无毒无害，但是生物体对其有富集作用，日积月累，毒性就会危及人体健康，在PVC玩具制造标准中就有对增塑剂使用的严格限制。红外光谱在检测增塑剂成份DEHP,DEHA时就展现了其优势，可以做到快速无损检测。而且检测结果不受基体干扰，简单快速，适合生产流水线中检测。

2：红外光谱分析在地矿领域的应用

我国是煤炭大国，年产煤能力居世界前列，在分析煤炭的成份时，使用红外光谱分析，可以快速的测的矿样的碳含量，从而对开采价值，煤储量和质量做出评估；同样的红外光谱分析还可运用在其他矿物，如测定铝土矿中的高岭石含量，给氧化铝的生产提供了重要参考。

四：红外光谱的局限性

由此可见，红外光谱分析具有简捷，快速，直观的特点，在各个领域几乎都有很广泛的应用。但是它也有自己的缺点：

首先红外光谱分析法对试样的要求很高：试样纯度必须大于98％，或者符合商业规格，这样才便于与纯化合物的标准光谱或商业光谱进行对照；其次在测定多组份试样时应预先用分馏、萃取、重结晶或色谱法进行分离提纯，否则各组份光谱互相重叠，难予解析；红外光谱分析法不适合分析含水样品，因为水有红外吸收，与羟基峰干扰，而且会侵蚀吸收池的盐窗。所用试样应当经过干燥处理；要控制试样浓度和厚度在适当范围，使最强吸收透光度在5～20%之间；定量分析时误差大，灵敏度低，故很少用于定量分析；在图谱解析方面主要靠经验。

总而言之，红外光谱分析法从出现到发展至今，其技术方法，设备仪器等都用显著的优化和提升，在定性和定量分析方面仍是一种极为重要的分析方法，相信随着科学技术的不断发展，红外光谱分析法会有更多的进步。

五：参考文献

王培铭等（材料研究方法）科学出版社

张秀萍等（红外光谱在定量分析中的应用）分析科学学报

红外图谱来源：

Spectral Database for Organic Compounds（SDBS）

日本产业技术综合研究(AIST）