1、红外吸收光谱分析,汇报人：2009.8.18,红外吸收光谱,1.发展历史,2.分析原理,3.仪器简介,4.应用,红外光谱分析的发展历史,1800年英国天文学家赫谢尔在用温度计测定太阳可见光区域内外温度时发现，红色光以外黑暗部分的温度比可见光的高，从而认识到可见光谱长波末端还有一个红外光区，这种人肉眼无法分辨的红外光，称为红外辐射或红外线。 化学家着重研究物质对不同红外辐射的吸收强度，来推断物质的组成和结构。 利用物质对红外光区辐射的选择性吸收特性来分析分子中有关基团结构的性质、含量信息的分析方法。 于1936年制成了世界上第一台棱镜分光的单光束手录式红外光谱仪。,商品红外光谱仪的发展历史,第一
2、代,第二代,第三代,第四代,40年代中到50年代末，棱镜作为分光元件，电子管放大元件-色散型红外光谱仪,60年代，光栅为色散元件，晶体管为放大器件-色散型红外光谱仪,70年代，干涉分光，计算机处理的傅里叶变换红外光谱仪-干涉红外光谱仪,70年代末，激光红外光谱，是未来的发展方向，省去了分光装置,红外吸收光谱,1.发展历史,2.分析原理,3.仪器简介,4.应用,红外区域的划分 0.751000 m 0.752.5 m 近红外区：泛频区2.525 m 中红外区：大部分有机物的基团振动频率在此区域。251000 m 远红外区：转动和重原子振动,分子振动的基本类型,伸缩振动,变形振动,1,2,3,4,
3、5,6,分子振动的频率,或,分子振动过程中，同一类型的振动频率十分接近，它们总是出现在某一范围内，但是相互又有区别，即所谓特征频率或基团频率。在特征频率区，不同化合物的同一种官能团吸收振动总是出现在一个窄的波数范围内，但不是一个固定波数，具体出现在哪里与基团所处的环境有关。,产生红外吸收的条件,红外光谱产生的条件E红外光=E分子振动或红外光=分子振动 红外光与分子之间有偶合作用：分子振动时其偶极矩()必须发生变化，即0。 能级跃迁规律：振动量子数(V）变化为1时，跃迁几率最大。从基态(V=0)到第一振动激发态(V=1)的跃迁最重要，产生的吸收频率称为基频。,基团频率区的划分,分区依据：由于有机
4、物数目庞大，而组成有机物的基团有限；基团的振动频率取决于K 和 m，同种基团的频率相近。划分方法 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 40002500cm-1 OH、CH、NH 等的伸缩振动叁键和 CC、CN、NN和 累积双键区 25002000cm-1 CCC、NCO等的伸缩振动 双键区 20001500cm-1 C=O、C=C、C=N、NO2、苯环等的伸缩振动单键区 1500400cm-1 CC、CO、CN、CX等的伸缩振动及含氢基团的弯曲振动。,红外吸收峰的类型,基频峰 分子吸收一定频率的红外光，若振动能级由基态（n=
5、0）跃迁到第一振动激发（n=1）时，所产生的吸收峰称为基频峰。由于n=1，基频峰的强度一般都较大，因而基频峰是红外吸收光谱上最主要的一类吸收峰。 泛频峰 包括：倍频峰、合频峰、差频峰，一般都很弱常观测不到。,影响基团频率位移的因素,一.内部因素 电子效应诱导效应共轭效应 空间效应空间位阻环张力 氢键 二.外部因素 物态效应 溶剂效应,电子效应 （1）诱导效应 通过静电诱导作用使分子中电子云分布发生变化引起K的改变，从而影响振动频率。,吸电子诱导效应使羰基双键性增加，振动频率增大。,如 CO,（2）共轭效应 共轭效应使共轭体系中的电子云密度平均化，即双键键强减小，振动频率红移 (减小）。也以CO
6、为例：,空间效应 （1）空间位阻 破坏共轭体系的共平面性，使共轭效应减弱，双键的振动频率蓝移（增大）。,1663cm-1 1686cm-1 1693cm-1,（2）环的张力：环的大小影响环上有关基团的频率。,随着环张力增加，环外基团振动频率蓝移（增大），环内基团振动频率红移（减小）。,氢键,氢键的形成使原有的化学键OH或NH的键长增大，力常数K 变小，振动频率红移。 氢键的形成对吸收峰的影响：吸收峰展宽 氢键形成程度不同，对力常数的影响不同，使得吸收频率有一定范围。氢键形成程度与测定条件有关。吸收强度增大 形成氢键后，相应基团的振动偶极矩变化增大，因此吸收强度增大。,癸酸的红外光谱图,游离羧酸
7、的C=O约为1760cm-1，而缔合状态（如固、液体时），因氢键作用C=O移到1700 cm-1附近。,外部因素物态效应，物质处于气态时，分子间作用力小，吸收频率就高，处于液态时，分子间作用力增大，吸收频率就低。如丙酮的C=O气态时为1738cm-1,在液态时为1715cm-1.溶剂效应，极性基团的伸缩振动频率随溶剂的极性增大而降低，但其吸收峰强度往往增强，通常是因为极性基团和极性溶剂之间形成氢键的缘故，形成氢键的能力越强吸收带的频率就越低。如丙酮在环己烷中C=O为1727cm-1 ，在四氯化碳中为1720cm-1 ，在氯仿中为1705cm-1 。,分子振动的自由度,简正振动的数目称为振动自由
8、度，每个振动自由度相当于红外光谱图上一个基频吸收带。 非直线型分子振动形式应有（3n-6）种。直线型分子，直线性分子的振动形式为（3n-5）种。 但是实际上，绝大多数化合物在红外光谱图上出现的峰数远小于理论上计算的振动数。,吸收峰减少的原因,分子的一些振动没有偶极矩变化，是红外非活性的； 不同振动方式的频率相同，发生简并； 一些振动的频率十分接近，仪器无法分辨； 一些振动的频率超出了仪器可检测的范围。,影响吸收峰强度的因素,红外吸收谱带的强度取决于分子振动时偶极矩的变化，而偶极矩与分子结构的对称性有关。 极性较强的基团（如C=O，C-X等）振动，吸收强度较大；极性较弱的基团（如C=C、C-C、
9、N=N等）振动，吸收较弱。 另一个主要的影响因素是分子跃迁几率，处于激发态的分子占分子总数的百分数越高，产生的红外吸收峰强度越大。,红外吸收光谱,1.发展历史,2.分析原理,3.仪器简介,4.应用,红外光谱仪,目前应用比较广泛的红外光谱仪由美国Thermo NICOLET、 PerkinElmer、Varian和日本岛津等生产。美国尼高力仪器公司(Thermo Nicolet Corporation)是世界上最大的傅立叶红外光谱仪(FT-IR)生产厂家， Nicolet iS10傅立叶变换红外（FT-IR）光谱仪 Nicolet 8700 傅立叶-红外(FT-IR)光谱仪 Nicolet 38
10、0 傅立叶红外(FT-IR)光谱仪 Nicolet 6700 傅立叶红外光谱仪 Nicolet IR100 傅立叶(FT-IR)光谱仪 Nicolet IR200 傅立叶(FT-IR)光谱仪 Transport Kit 便携式FT-IR Nicolet iN10红外显微镜(2009 R&D 100 award ),PerkinElmer业务集中在三个领域生命科学、光电子学和分析仪器。 1957年匹兹堡会议上，公司推出世界首台双光束红外光谱仪137型，红外吸收仪包括Spectrum 100 FTIR Spectrometer、 Spectrum 100N FTIR Spectrometer、Sp
11、ectrum 400 FT Mid-IR and Near-IR System、Spectrum BX FTIR Spectrometer、Spectrum 100 Optica、Spectrum 400 FT Mid-IR and Far-IR System,美国瓦里安是世界上研究开发科学仪器和真空产品的先驱之一, 目前销售的红外光谱仪包括： Varian 640 IR, Varian 660 IR, Varian 670/680-IR, 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；配备自动除湿装置，易于维护；外形
12、小巧，占地面积小；标配杂质分析程序；多种附件可以选择。 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；具有高灵敏度的不需维护的MCT检测器；多种附件使应用范围进一步扩展。,红外吸收光谱仪的组件,一、色散型红外光谱仪 主要由光源、吸收池、单色器、检测器、记录系统构成,色散型红外吸收光谱仪的原理图,傅里叶变换红外吸收仪,Fourier变换红外光谱仪没有色散元件，主要由光源、Michelson 干涉仪、检测器、计算机和记录仪组成。,傅里叶变换红外光谱仪的工作原理图,迈克尔逊红外干涉仪原理图,傅里叶变
13、换的原理,式中，B()为样品吸收光谱上某点的吸收强度，I(X)为干涉图上某点的强度，经过该式的转换，将干涉图转换为红外吸收图。,光源,1.能斯特灯由粉末状氧化锆、氧化钇、氧化钍等稀土氧化物加压成型，并在高温下烧结成的空心或实心细棒,功率为50-200W，波长2-25m寿命1000h。 2.硅碳棒由硅砂加压成型，并在高温下烧结成的两端粗中间细的实心棒，功率200-400W，波长2-30m，寿命大于1000h。 3.氧化铝棒 用硅酸锆加氧化铝粉调成糊状后，加到氧化铝烧结管中，用铹丝做电极，功率一般30W，波长2-50m，寿命长，用电省。,吸收池,红外吸收池要用可透过红外光的NaCl、KBr、CsI
14、、KRS-5（TlI 58%，TlBr42%）等材料制成窗片。用NaCl、KBr、CsI等材料制成的窗片需注意防潮。固体试样常与纯KBr混匀压片，然后直接进行测定。,单色器,单色器是色散型红外光谱仪的主要组成部件，由狭缝、准直镜、色散元件组成，准直镜通常是抛物镜，其作用是把入射狭缝的像聚焦在出射狭缝上，入射狭缝是提供一个整齐的窄光源以供色散元件色散，出射狭缝的作用是使色散后的单色光在扫描过程中依次通过它而到达检测器。 色散元件是单色器的核心部件，目前色散型红外光谱仪都使用平面反射式光栅为色散元件，它是在玻璃、镀铝玻璃或者直接在铝或铜等金属坯体上刻出等宽度、等间距的平行线槽，这些线槽面呈三角形状
15、，由于槽面的反射作用，使照射到光栅上的光强集中到某一角度范围内，则在某一角度范围内可以观察到光栅上射出的光特别耀眼，因此这种反射式光栅又称闪耀光栅。,检测装置,1.真空热电偶；不同导体构成回路时的温差电现象，由涂黑金箔接受红外辐射，响应时间长(0.05s)，波长（2.5-15m）； 2.傅立叶变换红外光谱仪采用热释电(TGS)/氘代硫三甘肽(DTGS)和碲镉汞(MCT)检测器； TGS：硫酸三苷肽单晶为热检测元件；极化效应与温度有关，温度高表面电荷减少(热释电)；响应速度快(1s)；高速扫描；波长(2-1000m) MCT：需在液氮低温下工作，但灵敏度比TGS高30倍,响应时间(1s),波长(
16、0.8-40m) 。,试样的处理和制备,液体和溶液试样 （1）液体池法沸点较低，挥发性较大的试样，可注入封闭液体池中，液层厚度一般为0.011mm。 （2）液膜法沸点较高的试样，直接直接滴在两片盐片之间，形成液膜。对于一些吸收很强的液体，当用调整厚度的方法仍然得不到满意的谱图时，可用适当的溶剂配成稀溶液进行测定。一些固体也可以溶液的形式进行测定。常用的红外光谱溶剂应在所测光谱区内本身没有强烈的吸收，不侵蚀盐窗，对试样没有强烈的溶剂化效应等。,试样的处理和制备,固体试样 （1）压片法将12mg试样与200mg纯KBr研细均匀，置于模具中，用（510）107Pa压力在油压机上压成透明薄片，即可用于
17、测定。试样和KBr都应经干燥处理，研磨到粒度小于2微米，以免散射光影响。在进行制片的过程中要注意样品与KBr的质量比为1：100，过多或过少的KBr都会产生不良结果峰图；样品要充分研细；由于固体样品的性质不同，首先可以对固体样品进行预粉碎，原则是尽量使固体样品的颗粒缩小，便于检测；样品中含水量要很低，否则会造成水的红外吸收峰与样品的吸收峰重叠，对结果的分析造成极大的困难。,试样的处理和制备,（2）石蜡糊法将干燥处理后的试样研细，与液体石蜡或全氟代烃混合，调成糊状，夹在盐片中测定，一般能处理为粉末状的样品都可以采用该方法，但是由于糊剂本身也有吸收，一般需几种糊剂混合使用。 （3）薄膜法主要用于高
18、分子化合物的测定。可将它们直接加热熔融后涂制或压制成膜。也可将试样溶解在低沸点的易挥发溶剂中，涂在盐片上，待溶剂挥发后成膜测定。,红外吸收光谱,1.发展历史,2.分析原理,3.仪器简介,4.应用,红外光谱仪的应用,在化学方面的应用 在生命科学领域的应用 在制药行业的应用,在化学方面的应用,一是用于分子结构的基础研究，应用红外光谱可以测定分子的键长、键角，以此推断出分子的立体构型和所含的特征性基团；根据所得的力常数可以知道化学键的强弱；由简正频率来计算热力学函数。 二是用于化学组成的分析，红外光谱最广泛的应用在于对物质的化学组成进行分析，用红外光谱法可以根据光谱中吸收峰的位置和形状来推断未知物结
19、构，依照特征吸收峰的强度来测定混合物中各组分的含量，它已成为现代结构化学、分析化学最常用和不可缺少的工具。,在生命科学领域的应用,生物大分子的检测对核酸、蛋白质、脂类、糖原等的检测 肿瘤的诊断利用红外光谱法对正常乳腺组织、良性肿瘤和乳腺癌组织进行对比研究发现,乳腺癌组织与乳腺良性组织之间有较大的红外光谱差异。 微生物的鉴别对细菌和酵母、革兰氏阳性菌和革兰氏阴性菌的区分十分成功，对微生物的鉴别可以达到亚种水平。,在制药行业的应用,药物活性成分的分析 质量稳定性的检测 生产过程的在线监控,药物冻干过程的在线监控,常用的红外光谱联用技术,气相色谱-红外光谱联用仪 固相微萃取-气相色谱-红外光谱联用技
20、术 傅里叶变换红外光谱-红外显微镜联用仪 热重分析-红外光谱联用仪 超临界色谱-红外光谱联用仪,机器组成是从色谱柱分离出的馏分经过惰性的加热传输线,到达光管。光管内壁镀金,管的两端以溴化钾窗片封口。来自光谱仪的红外光束通过光管,被光管内的馏分吸收后,透射过来的光用MCT检测器进行检测,计算机进行实时监测,并将在色谱峰出现的时间内存储的数据,以红外频谱-气相色谱-功能团吸收强度三维谱图显示在荧光屏上。 替代光管的部件还有冷盘，冷盘用液氮冷凝，使用98%He，2%Ar做载气，当载气携带组分，经保温传输管，由安装在真空舱壁上的喷嘴喷射到冷盘的反射面上。氦不会被冷凝，而氩(基体)和样品组分则被冻结在反
21、射面上，然后测量组分的红外光谱图和色谱图。由于氩分子的红外惰性，所得光谱为样品的红外光谱图。,气相色谱-红外光谱联用仪,该技术是90年代发展的一种集萃取,浓缩,进样于一体的样品前处理方法.基本的固相微萃取是通过石英纤维头表面涂渍的高分子层对样器中直接热解吸,使样品预处理过程大为简化,提高了分析速度和灵敏度,其检出限的数量级位ng/gpg/g,相对标准偏差小于30%,线性范围为35个数量级.气相色谱-红外光谱联用技术结合了气相色谱分离性能高的特点和红外光谱的定性能力较强的特点, 大大提高了检出度。,固相微萃取-气相色谱-红外光谱联用技术,广泛应用于有机化合物及高分子材料（塑料、橡胶、纤维、粘合剂
22、及涂料等）的成分分析；药物、食品、表面活性剂、农药中的有机成分分析；部分无机物的定性分析；以及有机化合物的结构鉴定。 关键联用元件有ATR和漫反射附件等。,傅里叶变换红外光谱-红外显微镜联用仪,热重分析-红外光谱联用仪,热重分析法(TGA)是在程序控制温度下，测量物质的质量与温度关系的一种技术。在聚合物、药物与化学工业等领域，经常需要知道在固化交联反应，分解或其他反应的工艺过程中产生了何种气态产物。 PIKE 公司的TGA/FTIR 附件是专为分析由热重分析仪产生的气体而设计的与红外光谱仪联用的接口。热失重产生的气体经加热的传输管到达位于红外光谱仪样品仓内的红外气体流动池。当这些气体经过气体流
23、动池时, 红外光谱仪采集并保存他们的红外光谱数据供分析。 通过失去的样品重量（通常是毫克级），可以对他们进行定性和定量分析。PIKE 公司的TGA/FTIR 附件完全适宜于大多数红外光谱仪和热重分析仪。,超临界流体色谱与红外光谱联用,高于临界温度低于临界压力时，该流体物质所处的状态称之为超临界流体，其性质介于气态与液态之间。超临界色谱主要特点为溶质在超临界流体中的扩散速度高于液体中的扩散速度约100倍，且可用调节压力改变流体的比重从而控制溶解溶质的能力。 适用于GC不适用的试样，无溶剂的干扰 关键部件为流通池，一般由抛光不锈钢管制成，内径为0.5-lmm，长度为1-10mm。两端为ZnSe、Z
24、nS或CaF2盐片。理想的流通池体积为100mL。流通池出口通常连接限流器，以维持池中的高压。在操作中，随着CO2密度的变化，组分吸收带波数也发生漂移， 最大时可达10cm-1，而且对伸缩振动比对弯曲振动变化更敏感。组分极性越强，受密度影响越太。因此，在超临界二氧化碳中记录的红外光谱图，与该物质在气相或凝聚相时所记录的红外光谱图有区别。,红外光谱分析的优点,标准谱图丰富,样品少，测速快,样品范围广,鉴定异构体,可靠性强,特异性高,红外吸收光谱分析的局限性,有些物质如原子、单原子离子、同质双原子分子、对称分子都无吸收峰； 旋光异构体、不同分子量的高聚物之间不能鉴别； 指纹峰往往不能很好的解释； 定量分析的准确度和灵敏度低于可见和紫外吸收光谱法。,谢谢！,
