红外光谱仪讲义

1、红外光谱组员： 目录红外光谱概述红外光谱概述红外光谱仪红外光谱仪红外光谱仪的应用红外光谱仪的应用红外光谱概述红外光是一种波长大于可见光的电磁波，光区位于可见光区和微波区之间，波长范围为0.751000m。近红外0.752.5m远红外251000m中红外2.525m红外光谱概述利用物质的分子对红外辐射的吸收，并由其振动或转动引起偶极矩的净变化，产生分子振动能级和转动能级从基态到激发态的跃迁，得到分子振动能级和转动能级变化产生的振动-转动光谱，又称红外光谱。定义纵坐标为吸收强度，透过率（T %）或吸光度（A）横坐标为吸收峰的位置。用波长 （ m ）或波数单位：cm-1可以用峰数，峰位，峰形，峰强来

2、描述。红外光谱的表示方法红外光谱图透过率T=I/I0100% A=lgI0/I=lg（1/T)波数 =1/ 红外光的频率与分子振动频率相当，能满足分子振动能级跃迁所需的能量。红外光谱红外光谱的产生的产生振动过程中必须是能引起分子偶极矩变化的分子红外吸收。红外光谱的产生红外光谱的产生分子振动分子振动 可以近似地看做是分子中的原子以平衡点为中心，以很小的振幅做周期性的振动。这种分子振动的模型可以用经典的方法来模拟：双原子分子振动双原子分子振动分子振动方程式分子振动方程式根据量子力学理论，分子的振动能不能任意取值，而根据量子力学理论，分子的振动能不能任意取值，而是量子化的，结合经典力学方程可解谐振子

3、体系的薛是量子化的，结合经典力学方程可解谐振子体系的薛定谔方程得：定谔方程得： E振振=（V+1/2）h ： 化学键的化学键的 振动频率；振动频率；V ：振动量子数。振动量子数。 （V=0，1，2，）任意两个相邻的能级间的能量差为任意两个相邻的能级间的能量差为：kkckhhE13072112 为双原子的为双原子的折合质量折合质量 =m1m2/（m1+m2），单位为，单位为amu，折合质量折合质量：两振动原子只要有一个的质量两振动原子只要有一个的质量，（），发生振动能级跃迁发生振动能级跃迁需要能量的大小取需要能量的大小取决于键两端原子的决于键两端原子的折合质量折合质量和和键的力键的力常数常数，即

4、，即取决于分取决于分子的结构特征。子的结构特征。K化学键的力常数（化学键的力常数（N/cm），与），与键能和键长键能和键长有关，有关，键能键能（大），键长（大），键长（短），（短），k k。 多原子分子振动多原子分子振动l 绝大多数分子是由多原子构成的，其振动方式非常复杂，可以将其分解成简单的简正振动。l 简正振动的振动状态是分子质心保持不变，每个原子都在其平衡位置附近做简谐振动，其振动频率和相位都相同。1) 伸缩振动伸缩振动 原子沿键轴方向伸长和收缩的振动，键长周期性发生变化而键角不变称为伸缩振动（用表示）。 对称伸缩振动（对称伸缩振动（s）:原子振动时所有键都同时伸长或收缩原子振动时所有键

5、都同时伸长或收缩; 不对称伸缩振动（不对称伸缩振动（as）:原子振动时有些键伸长而另一些键收缩。原子振动时有些键伸长而另一些键收缩。2) 变形振动（又称弯曲振动或变角振动变形振动（又称弯曲振动或变角振动） 原子与键轴成垂直方向振动，键角发生周期变化而键长不原子与键轴成垂直方向振动，键角发生周期变化而键长不变的振动称为变形振动，用符号变的振动称为变形振动，用符号表示。表示。 红外光谱仪两种类型： 色散型 干涉型（傅里叶变换红外光谱仪）工作原理工作原理傅里叶变换红外光谱仪傅里叶变换红外光谱学基本原理l 单色光干涉图和基本方程（a）零光程差时（b）光程差为半个波长时（c）光程差为一个波长时单色光通过

6、理想的干涉仪得到的干涉图 方程如下：）2cos()(5 . 0)(II)(I其中 干涉光的强度 单色光源的强度 波数 光程差)(I)(I检测器检测到的光强 如下：2cos(1)(5 . 0)(）II)(I事实上，干涉图不只与单色光光强有关，还受其它多种因素的影响，如分束器的效率、检测器的响应和放大器的特性等。将干涉方程式乘以一个有关的因子 如下：)2cos()()(5 . 0)(IHI)2cos()()(BI)(H仪器经特性修正后的单色光光源强度 的cosine傅里叶变换)(Bl 二色光干涉图和基本方程强度相等的两单色光波长分别为1和2，假设101=92两单色光强度不同时，点M处的光强不为零二

7、色光干涉图方程和单色光相同)2cos()()(BI其干涉图强度等于二者强度的叠加对于连续光源，干涉图方程如下：d)2cos()()(-BI为了得到红外光谱图对上式进行傅里叶逆变换d)2cos()()(IB两式是cosine傅里叶变换对，是傅里叶变换光谱学基本方程l 多色光和连续光源的干涉图基本方程主要仪器部件 要求：能发出稳定、能量强、发射度小的具有连续波长的红外光。 光源是FTIR光谱仪的关键部件之一，红外辐射能量的高低直接影响检测的灵敏度。光源 目前使用的中红外光源有碳硅棒光源和陶瓷光源，均可覆盖整个中红外波段。工作原理图光程差为零时，相长干涉光程差为1/2时，相消干涉光程差为时，相长干涉

8、迈克尔逊干涉仪光路基本原理迈克尔逊干涉仪光路基本原理干涉仪l 干涉仪中采用动态准直措施调整定镜以保证两镜面完全垂直。如图。l动镜固定在空气轴承支架上，通入空气时，轴承处于悬浮状态。在电磁驱动下，动镜在空气轴承上移动，并与定镜保持垂直。1、空气轴承干涉仪、空气轴承干涉仪2、角镜型迈克尔逊干涉仪、角镜型迈克尔逊干涉仪l迈克尔逊干涉仪的变形，定镜和动镜均采用角镜。l由于动镜在机械轴承上移动的距离不能太长，因而光谱的分辨率也受到一定的限制。只能达到0.5cm-1左右。l 采用立体角镜的干涉仪，即使在动镜摆动时，立体角镜沿轴方向发生较小的偏移，仍然保证入射光线和出射光线绝对平行。l故采用立体角镜的干涉仪

9、，仪器的抗干扰能力增强。干涉仪工作时不需要对定镜进行动态准直。检测器l 作用是检测红外干涉光通过红外样品后的能量。要求：l 高的检测灵敏度l 低噪声l 响应速度快l 有较宽的测量范围中红外光谱仪使用的检测器主要有两种l DTGS检测器l MCT检测器DTGSDTGS检测器检测器l 由氘代硫酸三苷肽（DTGS）晶体薄片制成，越薄灵敏度越高。l薄片两面引出有两个电极通至前置放大器，晶体在红外干涉光的照射下产生极微弱的信号，经前置放大器放大并进行模数转换后送给计算机进行傅里叶转换。MCTMCT检测器检测器l 由宽频带的半导体碲化镉和半金属化合物碲化汞混合制成，改变混合物成分的比例，可获得不同测量范围

10、和检测灵敏度的检测器。l 同DTGS检测器相比， 优势：灵敏度高、噪声小、响应速度快 劣势：检测范围窄、需在液氮温度下工作傅里叶变换红外光谱仪附件傅里叶变换红外光谱仪附件l 红外显微镜附件l 气红联用（GC/FTIR）附件l 衰减全反射（ATR）附件l 傅里叶变换拉曼光谱附件l 漫反射附件l 光声光谱附件傅里叶变换红外光谱仪的特点：（1）扫描速度极快扫描速度极快 傅里叶变换仪器在扫描时间内同时测定所有频率的信息，一般只要1s左右即可。因此，它可用于测定不稳定物质的红外光谱。（2）具有很高的分辨率具有很高的分辨率 傅里叶变换红外光谱仪分辨率最高可达0.1-0.005cm-1（3 3）灵敏度高）灵

11、敏度高 因傅里叶变换红外光谱仪不用狭缝和单色器，反射镜面又大，故能量损失小，到达检测器的能量大，可检测10-8g数量级的样品。红外光谱的应用l 红外光谱的应用面非常广泛，在地质勘探、石油石化工业、纺织日化工业、农业、食品、生物学和生化、材料、环境和能源科技等许多领域都有其用武之地。例如， 在石油工业中，可利用红外光谱定性定量研究地质中有机质的成熟度；在石油化工中，可对汽油辛烷值和柴油十六烷值进行预测； 在生物、医药学中，可以研究蛋白质、核酸等生物大分子的结构；研究细胞和组织等复杂体系，进行肿瘤早期诊断和其他多种疾病的临床医学辅助诊断；分析确定药物化学结构和药物鉴定等。实例实例l 仪器： WQF

12、-660型傅里叶变换红外光谱仪 碲化镉MCT检测器 衰减全反射(ATR)探头l 病例标本 16例甲状腺癌患者手术中获取的颈部淋巴结（病理检测发现各有微转移淋巴结一枚），同时取微转移淋巴结同区域内的非转移淋巴结作为对照甲状腺癌微转移淋巴结的红外光谱检测甲状腺癌微转移淋巴结的红外光谱检测结果与讨论结果与讨论在甲状腺淋巴结的红外光谱中可观察到在甲状腺淋巴结的红外光谱中可观察到13个谱带个谱带非转移与微转移淋巴结的平均光谱对比图非转移与微转移淋巴结的平均光谱对比图a-微转移淋巴结红外谱b-非转移淋巴结红外谱 蛋白质谱峰的变化蛋白质谱峰的变化 1460 cm-1处的谱峰因其稳定的特性一直被作为内参，用于

13、计算其余谱带的相对峰强。 谱峰与谱带的变化谱峰与谱带的变化与脂类相关的谱带变化与脂类相关的谱带变化与糖类相关的谱带变化与糖类相关的谱带变化与核酸相关的谱带变化与核酸相关的谱带变化讨论讨论甲状腺乳头癌发生淋巴结微转移时， 大量免疫细胞增殖蛋白相关峰相对峰高 肿瘤细胞核分裂活动活跃核酸谱峰 边缘窦内组织细胞反应性增生核酸谱峰 免疫活性细胞呼吸爆发糖脂代谢 ，谱峰 结论结论 FTIR能检测出甲状腺癌的微转移淋巴结，因此有可能用于甲状腺癌患者的精准手术治疗，并提高其远期疗效。 The end, thank you!1、什么是红外光谱？红外光谱产生的条件是什么？l 红外光谱是利用物质分子对红外辐射的吸收，并由其振动或转动引起偶极矩的净变化，产生分子振动能级和转动能级从基态到激发态的跃迁，得到分子振动能级和转动能级变化产生的振动-转动光谱。（4）l 产生条件（6）（1）红外光的频率与分子振动频率相当，才能满足分子振动能级跃迁所需的能量，产生吸收光谱。（2）振动过程中必须是能引起分子偶极矩变化的分子才能产生红外吸收光谱。题目2、简要说明傅里叶变换红外光