傅里叶变换红外光谱仪

1、傅里叶变换红外光谱仪傅里叶变换红外光谱仪 1.2.红外吸收的产生红外吸收的产生 伸缩振动 变形振动 12 34 5 6 红外吸收的产生红外吸收的产生 分子振动的频率分子振动的频率 2 1 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。 M K 1307 产生红外吸收的条件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

2、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。 1.3.红外光谱的解析红外光谱的解析 分区依据：分区依据：由于有机物数目庞大，而组成有由于有机物数目庞大，而组成有 机物的基团有限；基团的振动频率取决于机物的基团有限；基团的振动频率取决于K K 和和 m，同种基团的频率相近。同种基团的频率相近。 划分方法划分方法 氢键区氢键区 v基团特征频率区基团特征频率区 叁键区和累积双键区叁键区和累积双键区 双键区双键区 v指纹区指纹区 单键区单键区 区域名称区域名称 频率范围

3、频率范围基团及振动形式基团及振动形式 氢键区氢键区 40002500cm-1 OH、CH、NH 等的伸缩振动等的伸缩振动 叁键和叁键和 C C、C N、N N和和 累积双键区累积双键区 25002000cm-1 CCC、NCO 等的伸缩振动等的伸缩振动 双键区双键区 20001500cm-1 C=O、C=C、C=N、 NO2、苯环等的伸缩振动、苯环等的伸缩振动 单键区单键区 1500400cm-1 CC、CO、CN、 CX等的伸缩振动及含等的伸缩振动及含 氢基团的弯曲振动。氢基团的弯曲振动。 红外吸收峰的类型红外吸收峰的类型 基频峰 分子吸收一定频率的红外光，若振动能级 由基态（n=0）跃迁到

4、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影响基团频率位移的因素 一一.内部因素内部因素 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 二二.外部因素外部因素 物态效应 溶剂效应 v电子效应电子效应 （1）诱导效应）诱导效应 通过静电诱导作用使分子中通过静电诱导作用使分子中 电子云分布发生变化引起电子云分布发生变化引起K的改变，从而的改变，从而 影响振动频率。影响振动频率。 吸电子诱导效应使

5、羰基吸电子诱导效应使羰基双键性双键性增加，振动频增加，振动频 率增大。率增大。 如如 C O （2）共轭效应）共轭效应 共轭效应使共轭体系中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，的电子云密度平均化，即双键键强减小， 振动频率红移振动频率红移 (减小）。也以减小）。也以 C O为例： 为例： O CH3 O CH3 O CH3 CH3 CH(CH3)2 CH(CH3)2 空间效应空间效应 （1）空间位阻）空间位阻 破坏共轭体系的共平面性，使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（增共轭效应减弱，双键的振动频率蓝移（增 大）。大）。 1663cm-1 16

6、86cm-1 1693cm-1 （2）环的张力：环的大小影响环上有关基）环的张力：环的大小影响环上有关基 团的频率。团的频率。 随着环张力增加，环外基团振动频率蓝移随着环张力增加，环外基团振动频率蓝移 （增大），环内基团振动频率红移（减小）。（增大），环内基团振动频率红移（减小）。 v 氢键氢键 氢键的形成使原有的化学键氢键的形成使原有的化学键OH或或NH的键长增的键长增 大，力常数大，力常数K 变小，振动频率红移。变小，振动频率红移。 氢键的形成对吸收峰的影响：氢键的形成对吸收峰的影响： 吸收峰展宽吸收峰展宽 氢键形成程度不同，对力常数的影响不同，使得吸收氢键形成程度不同，对力常数的影响不同

7、，使得吸收 频率有一定范围。频率有一定范围。氢键形成程度与测定条件有关。氢键形成程度与测定条件有关。 吸收强度增大吸收强度增大 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。吸收强度增大。 癸酸的红外光谱图癸酸的红外光谱图 游离羧酸的游离羧酸的 C=O约为约为1760cm-1，而缔合状态（如固、，而缔合状态（如固、 液体时），因氢键作用液体时），因氢键作用 C=O移到移到1700 cm-1附近。附近。 外部因素 物态效应物态效应，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

8、=O气态时为1738cm-1,在液态时为 1715cm-1. 溶剂效应溶剂效应，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 。 分子振动的自由度分子振动的自由度 简正振动的数目称为振动自由度，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

9、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、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

10、峰强度越大。 2.仪器简介仪器简介 产品名称 傅里叶变换红外光谱仪 型号名称 IRAffinity-1 制造商 岛津公司 傅里叶变换红外吸收仪傅里叶变换红外吸收仪 Fourier变换红外光谱仪主要由光源、 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迈克尔逊红外干涉仪原理图 光源光源 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

11、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。 检测装置检测装置 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(2-10

12、00m) 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 (0.8-40m) 。 3.试样的处理和制备试样的处理和制备 液体和溶液试样液体和溶液试样 （1）液体池法）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。 试样的处理和制备试样的处理和制备 （2）液膜法液膜法 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

13、侵蚀盐窗，对试样没有强烈 的溶剂化效应等。 试样的处理和制备试样的处理和制备 固体试样固体试样 （1）压片法）压片法 将12mg试样与200mg纯KBr研细均匀，置于模具中， 用（210）107Pa压力在油压机上压成透明薄片，即可 用于测定。试样和KBr都应经干燥处理，研磨到粒度小于 2微米。 在进行制片的过程中要注意样品与KBr的质量比约为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

14、大的 困难。 试样的处理和制备试样的处理和制备 （2）石蜡糊法）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）薄膜法 主要用于高分子化合物的测定。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。 4.数据的获取和处理数据的获取和处理 4.1.开机 1.打开IRAffinity-1的电源开关。 2. 打开个人计算机(PC)。系统检查后，Windows自动启动。 4.2. IRAf

15、finity-1的初始化和自检 通过IRsolution软件初始化IRAffinity-1。 1. 请确认在IRAffinity-1样品室中IR光束没有被遮挡。 如果IR光束被样品或附件遮挡，自检中 “红外能量光谱形状”和其 他自检项将不能通过。 2. 选择测定-初始化。 3. 开始自检，结果将显示在日志窗口中。 4. 没有通过的项目将会在日志窗口中以 “失败”标记出来。 5. 所有项目检查完毕后，日志窗口中出现 “初始化成功”。 IRAffinity-1的情况将显示在状态窗口中，此时， IRAffinity-1准备完毕。 当环境-仪器参数选择-FTIR中 “启动时初始化FTIR”项被勾选上

16、时，软件在启动时会自动初始化IRAffinity-1 。 4.3 测定 有关扫描参数的信息请参考说明书。 1.背景测定 压片法：空气或空白KBr压片 液体池：单片KBr晶体片 两片晶体充满溶剂 背景样品安装好后，点击测试窗口 中的“背景”按钮即可开始测试。 2.样品测定 待背景测试完后，换入待测样品， 点击测试窗口中的“样品”按钮即可完成测量。 背景测量完成以后显示的能量光谱图 红外光谱数据文件储存方式的设置 在测量过程中，测量可以被终止或者重新开始。 点击测量区域的 “停止” 按钮可以暂停测量。然后出现下 所示的对话 框 4.4.关机 请按照以下说明关闭IRAffinity-1系统。 1.

17、请确认所有必要的IRsolution数据已经保存。 2. 通过文件 - 退出命令退出IRsolution。 3. 退出Windows。 4. 通过PC前面的指示灯确认硬盘活动已经停止，再关闭PC。 5. 关闭IRAffinity-1前面右侧的电源开关。此时，电源指示灯 （绿） 熄灭。 6. 保持IRAffinity-1的电源供应以便除湿器运行。此时橙色灯仍然亮 起。 实验完成后，请保持实验室卫生，以便为大家提供良好的实验环 境。 5. 附件介绍附件介绍 (一一) 衰减全反射附件衰减全反射附件 衰减全反射光谱(Attenuated Total Reflection Spectra 简称ATR)

18、又叫内反射光谱(Internal Reflection Spectra)。发生全反射须具备 两个条件：光从光密介质进入光疏介质时才可能发生全反射；入 射角要大于临界角。全反射现象不完全是在两种介质的界面上进 行的，部分光束要进入到光疏介质一段距离后才反射回来。透入 到光疏介质的光束，其强度随透入深度的增加按指数规律衰减。 ATR谱具有以下特点：谱具有以下特点： (1) 红外辐射通过穿透样品与样品发生相互作用而产生吸收，因 此ATR谱具有透射吸收谱的特性和形状，但由于不同波数区间 ATR技术灵敏度不同，因此，ATR谱吸收峰相对强度与透射谱相 比较并不完全一致。 (2) 非破坏性分析方法，能够保持原进行测定。 ATR 附件 (二) 测试 1ATR附件的安装和调节 (1) 通过调节干涉仪选择光谱仪的能量。 (2) 用两