红外光谱分析技术

1、 通过理论教学和实验教学，本课程要求学生掌握现代仪器分析方法的原理和仪器的简单结构；要求学生具有根据分析的目的，结合学到的各种仪器分析方法的特点、应用范围，选择适宜的分析方法的能力。并能够较熟练的掌握分析仪器操作技术。电磁波谱法电磁波谱法热分析热分析色谱法色谱法电磁辐射的衍射与散射电磁辐射的衍射与散射电子分析法电子分析法本课程教学时数设置为54学时，具体教学内容与对应学时安排如下：绪论第一章 红外光谱分析技术（邹其超老师） 拉曼光谱分析技术（周吉老师） 荧光光谱分析技术（宋功武老师） 等离子体电感耦合发射光谱分析（熊华玉老师）第二章 核磁共振波谱分析（张金枝老师）第三章 气相色谱-质谱联用分析

2、（卢翠芬老师） 液相色谱-质谱联用分析（张玉红老师）第四章 电化学分析（张修华老师）第五章 透射电子显微镜分析 （马志军老师） 扫描电子显微镜分析 （马志军老师） 原子力显微镜分析 （马志军老师） 第六章 差热扫描量热分析（邹其超老师） 热失重分析 （邹其超老师）第七章 X射线衍射分析 （张玉红老师）主讲人主讲人 邹其超邹其超当样品受到频率连续变化的红外光照射时，分子吸收某些频率当样品受到频率连续变化的红外光照射时，分子吸收某些频率的辐射，并由其振动运动或转动运动引起偶极矩的净变化，产的辐射，并由其振动运动或转动运动引起偶极矩的净变化，产生的分子振动和转动能级从基态到激发态的跃迁，从而形成的生

3、的分子振动和转动能级从基态到激发态的跃迁，从而形成的分子吸收光谱称为红外光谱。又称为分子振动转动光谱。分子吸收光谱称为红外光谱。又称为分子振动转动光谱。红外光谱的定义红外光谱的定义分子中基团的振动和转动能级跃迁产生：振分子中基团的振动和转动能级跃迁产生：振- -转光谱转光谱辐射分子振动能级跃迁红外光谱官能团分子结构区域名称区域名称波长波长( (m)m) 波数波数(cm(cm-1-1) ) 能级跃迁类型能级跃迁类型近红外区近红外区泛频区泛频区0.75-2.50.75-2.513158-400013158-4000OHOH、NHNH、CHCH键的倍键的倍频吸收频吸收中红外区中红外区基本振动基本振动

4、区区2.5-252.5-254000-4004000-400分子振动，伴随转分子振动，伴随转动动远红外区远红外区分子转动分子转动区区25-30025-300400-10400-10分子转动分子转动透过率：透过率：T% = I/Io x 100%吸光度：吸光度：A = log1/T = logI/IoE = hn n = hc/l l仲丁基苯的红外吸收光谱仲丁基苯的红外吸收光谱红外光谱图红外光谱图：纵坐标为吸收强度，横坐标为波长（m ）和波数1/ 单位：cm-1可以用峰数，峰位，峰形，峰强来描述。基频峰基频峰：振动能级从基态跃迁到第一激发态时所产生的吸收峰；：振动能级从基态跃迁到第一激发态时所产

5、生的吸收峰；泛频峰泛频峰：包括倍频峰和组频峰（分为合频峰和差频峰）；：包括倍频峰和组频峰（分为合频峰和差频峰）；特征区特征区：40001330cm-1(2.57.5 m)之间的高频区；之间的高频区；指纹区指纹区：1330400cm-1(7.525 m)之间的低频区；之间的低频区；特征峰特征峰：特征区中能用于鉴定原子基团的吸收峰；：特征区中能用于鉴定原子基团的吸收峰；相关峰相关峰：与特征峰相互依存而又相互可以佐证的吸收峰；：与特征峰相互依存而又相互可以佐证的吸收峰；费米共振费米共振：泛频峰接近基频峰时，发生相互作用，形成为比原：泛频峰接近基频峰时，发生相互作用，形成为比原 频率高和低的两个吸收峰

6、，吸收峰的强度得到增幅；频率高和低的两个吸收峰，吸收峰的强度得到增幅；振动耦合振动耦合：分子中邻近的两个基团由于振动基频相同或接近，：分子中邻近的两个基团由于振动基频相同或接近， 发生相互作用，在正常基频附近形成两个吸收峰，一个发生相互作用，在正常基频附近形成两个吸收峰，一个 比正常频率高，一个比正常频率低。比正常频率高，一个比正常频率低。 满足两个条件：满足两个条件： (1)辐射应具有能满足物质产生振动跃迁所需的能量； (2)辐射与物质间有相互偶合作用。 对称分子对称分子：没有偶极矩，辐射不能引起共振，无红外活性。 如：N2、O2、Cl2 等。 非对称分子非对称分子：有偶极矩，红外活性。 偶

7、极子在交变电场中的作用示意图1 1 诱导效应诱导效应2 2 共轭效应共轭效应3 3 空间效应空间效应4 4 环张力效应环张力效应CH3COCH2COCH3CH3COCHCOCH3HnC=O 1740cm-1nC=O 1613cm-1nO-H 32002800cm-1nC=O 1710cm-15 5 氢键效应氢键效应是七十年代发展起来的一种红外光谱仪。是七十年代发展起来的一种红外光谱仪。具有扫描速度快，测量时间短，可以在具有扫描速度快，测量时间短，可以在1s内获得红外光谱，适合快速反内获得红外光谱，适合快速反应的研究。应的研究。检测灵敏度高，检测极限可达检测灵敏度高，检测极限可达1091012g

8、；分辨率高，波数精度可达分辨率高，波数精度可达0.01cm1；光谱范围广，可研究整个红外区。光谱范围广，可研究整个红外区。测定精度高，可达测定精度高，可达0.1%，而杂散光小于，而杂散光小于0.01%。 一一 工作原理图工作原理图ISd d| 0+_+| 0| 0_d dd duIntensityIntensityIntensityIntensityIntensityIntensity(cm)(cm)(cm)u(cm-1)u1u2u(cm-1)u(cm-1)FT operation气体，液体或固体气体，液体或固体 要求样品中不含游离水要求样品中不含游离水 要求样品的浓度和测试层的厚度选择适当要

9、求样品的浓度和测试层的厚度选择适当KBr 4000 - 400 cm-1NaCl 4000 - 600 cm-1ZnSe 4000 - 600 cm-1ZnS 4000 - 750 cm-1BaF2 4000 - 800cm-1 CaF2 4000 - 1100 cm-1CsI 4000 - 200 cm-1 透射光谱分析技术透射光谱分析技术 水平衰减全反射分析技术水平衰减全反射分析技术 漫反射漫反射分析技术分析技术 镜面反射分析技术镜面反射分析技术 差谱分析技术差谱分析技术 红外显微分析技术红外显微分析技术 在线红外分析技术在线红外分析技术4000300020001000420(a) SiO

10、2(b) OA 0.045(c) OA 0.091(d) OA 0.136(e) OA 0.318(f) OA 0.682- OH(CH2)nC=OCOOH推测反应过程为：推测反应过程为：SiO2(OH)n+yHOOCC17H33SiO2(OH)ny (OOC C17H33)y+ yH2OOA/ SiO2（摩尔比）（摩尔比）(OH ) ，(OA)OA/ SiO2（摩尔比）（摩尔比）最佳值最佳值20%4000300020001000100(a) TiO2(b) OA/TiO2 0.2(c) OA/TiO2 0.4(d) OA/TiO2 0.8coo- (CH2)n-OHOA/TiO2（摩尔比）最

11、佳值（摩尔比）最佳值为为0.4左右左右 推测反应过程为：TiO2(OH)n+yHOOCC17H33TiO2(OH)ny (OOC C17H33)y+ yH2O共轭羰基化合物溶剂效应的红外光谱研究共轭羰基化合物溶剂效应的红外光谱研究上图为全血的红外吸收谱图下图为正常血清的红外吸收谱线3298cm-12920cm-13298cm-12920cm-1上图为高血糖全血的红外吸收谱图下图为高血糖血清的红外吸收谱线2920cm-13298cm-13298cm-12920cm-1适合材料表面光谱信息分析适合材料表面光谱信息分析厚度较大：大于厚度较大：大于0.1mm 塑料，塑料，高聚物和橡胶，纸样等高聚物和橡

12、胶，纸样等在材料分析上有较大的用途在材料分析上有较大的用途吸收强度与光线的入射深度有吸收强度与光线的入射深度有关，必须进行关，必须进行MIR方程校准。方程校准。SampleIRMetal plateSampleIRMetal plateATR附件主要用于固体、凝胶、橡附件主要用于固体、凝胶、橡胶等材料表面的研究。胶等材料表面的研究。测量表面厚度需在测量表面厚度需在1 m以上以上也可用于溶液分析（蛋白水溶液）也可用于溶液分析（蛋白水溶液）收集高散射样品的光谱信收集高散射样品的光谱信息息 适合于粉体样品的红外分适合于粉体样品的红外分析析是一种半定量的分析技术是一种半定量的分析技术 KM（Kubel

13、kaMunk）方程校准后可以进行定量方程校准后可以进行定量分析分析 不需要压片不需要压片 三三 漫反射红外光谱分析技术漫反射红外光谱分析技术Diamond or SiC coated padParticles of sampleDiamond or SiC coated padParticles of sample漫反射附件主要用于测量颗粒漫反射附件主要用于测量颗粒表面，或不平整的表面表面，或不平整的表面适用于表面厚度约在适用于表面厚度约在10 m左左右的材料右的材料红外线直接辐照样品表面，采集样品表面反射的信息红外线直接辐照样品表面，采集样品表面反射的信息光滑平整的固体表面光滑平整的固体表面

14、样品分析样品分析金属表面的薄膜，金属表面处理膜；金属表面的薄膜，金属表面处理膜；食品包装材料以及各种涂层食品包装材料以及各种涂层材料材料等等由于在不同波长下的折射系数不同，在强吸收谱带范围内会产生由于在不同波长下的折射系数不同，在强吸收谱带范围内会产生类似导数谱的特征吸收，可以通过类似导数谱的特征吸收，可以通过K-K（Kramers-Kronig）变换，获得正常的发射光谱变换，获得正常的发射光谱 SampleDetector可以进行微区分析可以进行微区分析10*10微米微米可以进行价键的可以进行价键的Map分布分析分布分析适合于微小材料分析适合于微小材料分析聚合物复合材料相容性的傅立叶变换红外

15、光谱显微成像研究聚合物复合材料相容性的傅立叶变换红外光谱显微成像研究食品中异物的分析食品中异物的分析图图 天然翡翠与天然翡翠与B货翡翠的红外光谱图货翡翠的红外光谱图 I 天然翡翠天然翡翠 II B货翡翠货翡翠 真猴票的红外光谱图真猴票的红外光谱图假猴票的红外光谱图假猴票的红外光谱图注意：须在邮票的同一位置测定才可比较 。在鉴别中找不到新票时可以用信销票代替进行红外光谱分析,脱去信销票的背胶、水洗对邮票的红外光谱变化影响不大,但注意不要测定邮戳油墨部位 以庚申年猴票为例以庚申年猴票为例:左边是焦藕，右边是马铃薯左边是焦藕，右边是马铃薯天麻正品天麻正品a.a.野生冬天麻野生冬天麻 b.b.赝品赝品

16、马铃薯马铃薯19401920190018801860184018201800178017601740172017001680166016400.000.050.100.150.200.250.300.35Awave number/cm-14000.03600320028002400200018001600140012001000800600450.0cm-1%T 咪唑酸酐环氧树脂ERHP-101777.86-CO-O-CO- -CO-O-C-1-AT,t/AT,t=0 表观转化率 A特征吸收峰的吸光度 T固化温度（K） t 固化时间（min）研究体系组成：主体材料：POSS改性环氧树脂固化剂：甲基四氢苯酐促进剂：4-甲