红外光谱第四讲

偏振红外光谱法就是从谱带在不同偏振光照射时的吸光度的变化规律 研究吸收谱带的性质 归属 研究单晶的结构 分子链构象 取向度等等物质的凝聚态结构信息 偏振红外光谱法是用偏振红外光对样品进行红外光谱测定的方法 1 偏振红外光谱的原理 1 偏振光 偏振率I I I I 这里I 和I 是自然光通过偏振器后产生的平行偏振光强度与垂直偏振光的强度 红外光谱中吸收光的强弱不仅与偶极矩的变化大小有关 而且与偶极矩变化的方向 振动的方向 有关 如果跃迁矩的矢量方向与入射光的电矢量方问平行 吸收就最强 该谱带则称为平行谱带 反之 如振动跃迁矩的矢量方向与入射光的电矢量方向垂直 就不产吸收 该谱称为垂直谱带 通常由于红外光源产生的光是自然光 在各个方向上都有振动 所以对于样品中的任何方向的红外活性振动都会产生吸收谱带 当入射光为偏振光时 就会遵循上述吸收规律 平行谱带在平行偏振光的红外光谱图中吸收增强 垂直谱带强度下降 反之 垂直谱带在垂直偏振光红外光谱中谱带增强 平行谱带强度下降 甚至消失 2 红外光谱的原理和特征 光源 偏振器 S P 红外二相色性基本原理示意图S 红外光源P 偏振器M 振动矩跃迁方向 平行谱带 跃迁矩的矢量方向与入射光的电矢量方向平行 吸收最强垂直谱带 跃迁矩的矢量方向与入射光的电矢量方向垂直 就不产生吸收 3 红外二向色性比 1 红外二向色性比的定义偏振光与晶轴平行或与高分子样品的拉伸方向平行时称为平行光 反之 称为垂直光 二向色性比 R A A R大于1的谱带称为平行谱带R小于1的谱带称为垂直谱带 偏振红外光谱中谱带强度随偏振光的方向的改变而发生明显起落的现象 称为谱带的红外二向色性 2 高分子的二向色性比最简单的单轴取向形式的理想状态是分子链全在拉伸方向取向 此时振动的跃迁矩方向相对于分子链是旋转对称分布的 此时的二向色性与跃迁矩方向和分子链的夹角a有关 R 2ctg2 54 44 时 R就为1 该谱带没有二向色性 谱带的强度将与取向程度无关 Schematicarrangementforthepolarizedinfraredmeasurements 0o 90o IR 检测器 偏振片 x y z 二 偏振红外光谱的测定 1 样品的制备较大晶体 解理面剖开小晶粒样品 晶体培养表面抛光高聚物 随研究目的而变化生物膜 红外ATR技术溶于溶剂中制成膜 偏振红外光谱法对晶体样品和取向高聚物的样品制备有其特殊性 一 晶体样品1 对于较大的晶体样品 可用刀片顺着晶体的解理面剖开 取得合适厚度的单晶片进行测定 2 对于小颗粒样品 则需采用晶体培养的方法使晶粒尽可能长大 然后对不同晶粒采用不同的方法进行表面抛光处理 以得到合适厚度及表面光滑的颗粒 二 取向高聚物样品取向高聚物样品随研究的目的而变化 通过选择所需的条件 如一定的温度 拉伸比 拉伸速度等 1 对纤维及薄膜样品进行拉伸而制得其取向的样品 2 热塑性树脂可用挤出 热压等方法制得取向样品薄膜 改变制样条件与方法 可以研究不同取向条件及不同加工条件对高聚物取向度及结构的影响 样品的制备 三 取向生物膜的制备由于生物薄膜其生物活性大多在界面 故感兴趣的往往是界面结构信息和取向信息 因此膜的偏振红外光谱研究均采用红外ATR技术 ATR的棱镜晶片为生物膜的支持体 1 生物样品首先用氛仿或水制成10 3的溶液或悬浮液 滴于清洁的ATR晶片上 在黑暗的空气环境中50 下缓慢干燥即可获得纯取向生物膜 如需研究生物物质与膜的相互作用及其在膜表面的结构信息 可把生物样品与膜基体物质以一定比例溶于氯仿混合 在300 下真空挥发得到干燥的膜 2 如需研究其水合物的结构与取向可再以少量水分散 加热至30 30分钟后得水合物 再在350 下超音处理10分钟 悬浮液离心30分钟后 把悬浮液滴在晶片上 在室温下空气干燥可形成平行于晶体表面的膜 3 如需制备多层双分子取向膜 可把生物制品 如磷脂 溶于氯仿或水 约50 l 滴一滴溶液在晶片上 用一聚四氟乙烯小棒乎放在晶片表面 液滴在棒与晶片之间呈毛细分散状 慢慢沿棱镜平面移动棒多次 直至溶剂挥发 可形成多分子双层结构 偏振红外光谱所需的偏振红外光是由普通的红外光源产生的自然光通过偏振器偏振而得到的 偏振器有两种 一是电介质偏振器 一是线栅偏振器 偏振器必须具备两个条件 一是产生的偏振光的偏振度要高 即偏振效率要高 二是偏振光的强度要大 即自然光通过偏振器后衰减要尽量小 电介质偏振器透过式偏振器反射式偏振器线栅偏振器 2 偏振器 偏振器的放置位置在色散型的红外光谱仪中 可放在样品与单色器之间 也可放置在光源与样品之间 为了避免样品的双折射的干扰 采取前一个放置位置较好 在傅里叶变换红外光谱仪中 干涉仪和反射镜会干扰偏振 光束分裂器的效率常常强烈地受偏振的影响 在不同方向的光强是不相等的 因此偏振器宜放在干涉仪与样品之间 并旋转偏振器的方向以获得最大透过强度 在进行偏振红外光谱测定时 通常不是旋转偏振器而是旋转样品90 以不改变背景光谱 但在FTIR仪上 由于均与背景光谱进行比例后得到样品光谱 两个旋转方式均可使用 偏振器的放置 傅里叶变换红外光谱仪中的光束分裂器和仪器中的光学反射镜均会引起光的偏振 这称为仪器的机械偏振 这种偏振的结果将会引起红外二向色性比测量的误差 cherney发现如使偏振光的电矢量方向与仪器的方向呈45 角 就可克服仪器偏振的影响 也就是在实际测量时 使样品的晶轴或高聚物样品的取向方向与正常的样品位置 狭缝位置 以45 的倾斜角放置 然后放置偏振器 使偏振光的电矢量方向与样品的取向方向一致 也就是与狭缝呈45 角 所测得的偏振红外光谱就不受仪器偏振的干扰 反映样品的各种振动的真实情况 某种取向材料的极坐标图 在90和270度时某波数处的峰强最高 证明材料是按此方向排列的 偏振红外光谱的应用 一 研究化合物的结构与构象 二 单分子膜分子取向与排列的研究 三 归属化合物红外光谱的谱带 四 高分子材料的取向 取向松弛及断裂过程的研究 五 分离重叠的红外谱带 六 在生物化学和生物物理研究中的应用 三 偏振红外光谱的应用 1 化合物的结构与构象 偏振红外光谱谱带的频率位置及强度与该基团或结构的周围环境及本身振动跃迁矩的方向密切有关 因此可以从偏振红外光谱带强度及频率的变化来推断化合物的结构与构象 测定酰胺I谱带的二向色性比 R 1则是平行谱带 属 螺旋链结构R 1则为垂直谱带 属 链结构 2 单分子膜分子取向与排列 控制红外光的偏振方向 可得到单分子膜 LB膜 不同方向的振动信息 3 归属化合物红