红外光谱仪的原理、使用和维护

概述基本原理红外光谱仪试样的处理、制备和操作注意事项红外光谱在药品检验中应用主要内容

当样品受到频率连续变化的红外光照射时，分子吸收了某些特定频率的辐射，并由其振动或转动运动引起偶极矩的变化，产生分子振动和转动能级从基态到激发态的跃迁,使相应于这些吸收区域的透射光强度减弱。记录红外光的百分透射比与波数或波长关系曲线，就得到红外光谱。利用物质对红外光区电磁辐射的选择性吸收的特性来进行结构分析、定性和定量的分析方法，称红外吸收光谱法。一、红外光的区划红外线：波长在0.76~500μm(1000μm)范围内的电磁波近红外区（NIR）:0.76~2.5μm（760~2500nm）-OH和-NH倍频吸收区中红外区（MIR）:2.5~25μm（4000~400cm-1）振动、伴随转动光谱远红外区（FIR）:25~500μm纯转动光谱

绝大多数有机化合物的基频吸收带出现在MIR光区。基频振动是红外光谱中吸收最强的振动，最适于进行红外光谱的定性和定量分析。中红外光谱仪最为成熟、简单，因此它是应用极为广泛的光谱区。通常,中红外光谱法又简称为红外光谱法。红外光谱是鉴别物质和分析物质化学结构的有效手段，已被广泛应用于物质的定性鉴别、物相分析和定量测定，并用于研究分子间和分子内部的相互作用。概述基本原理红外光谱仪试样的处理、制备和操作注意事项红外光谱在药品检验中应用主要内容红外分光光度法

——研究物质结构与红外光谱之间关系红外光谱

——由吸收峰位置和吸收峰强度共同描述一、红外吸收光谱的产生二、振动形式三、吸收特征峰与相关峰四、吸收峰位置与强度红外光谱主要由分子的振动能级跃迁产生分子的振动能级差0.051.0eV远大于转动能级差（0.00010.05eV）分子发生振动能级跃迁必然同时伴随转动能级跃迁双原子分子A-B→近似看作谐振子两原子间的伸缩振动→近似看作简谐振动只有当红外辐射频率等于振动量子数的差值与分子振动频率的乘积时，分子才能吸收红外辐射，产生红外吸收光谱。

一般将振动形式分成两类：伸缩振动和变形振动。（1）伸缩振动原子沿键轴方向伸缩，键长发生变化而键角不变的振动称为伸缩振动，用符号表示。它又可以分为对称伸缩振动（s）和不对称伸缩振动（

as）。对同一基团，不对称伸缩振动的频率要稍高于对称伸缩振动。

（2）变形振动（又称弯曲振动或变角振动）基团键角发生周期变化而键长不变的振动称为变形振动，用符号表示。变形振动又分为面内变形和面外变形振动。面内变形振动又分为剪式（以表示）和平面摇摆振动（以表示）。面外变形振动又分为非平面摇摆（以表示）和扭曲振动（以表示）。

分子吸收红外辐射后，由基态振动能级（=0）跃迁至第一振动激发态（=1）时，所产生的吸收峰称为基频峰。在红外吸收光谱上除基频峰外，还有振动能级由基态（=0）跃迁至第二激发态（=2）、第三激发态（=3），所产生的吸收峰称为倍频峰。在倍频峰中，二倍频峰还比较强。三倍频峰以上，因跃迁几率很小，一般都很弱，常常不能测到。倍频峰、合频峰和差频峰统称为泛频峰。注：振动自由度反映吸收峰数量并非每个振动都产生基频峰吸收峰数常少于振动自由度数吸收峰的数量与振动的自由度有关。振动的自由度指分子独立的振动数目，或基本的振动数目。红外光谱的峰位、峰数与峰强（1）峰位

化学键的力常数K越大(化学键键强越强)，原子折合质量越小，键的振动频率越大，吸收峰将出现在高波数区（短波长区）；反之，出现在低波数区（高波长区）。与氢原子相连的化学键的折合质量都小，红外吸收在高波数区。～3000cm-1弯曲振动比伸缩振动容易

C-H：伸缩振动吸收位于～3000cm-1

弯曲振动吸收位于～1340cm-1例水分子（非对称分子）（2）峰数

与分子自由度有关。无瞬间偶极距变化时，无红外吸收。不同的分子振动方式在不同的峰位会表现出不同的吸收峰

（3）峰强红外吸收谱带的吸收峰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。振动的对称性越高，振动中分子偶极矩变化越小，谱带强度也就越弱。一般地，极性较强的基团（如C=0，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。红外光谱的吸收强度一般定性地用很强（vs）、强（s）、中（m）、弱（w）和很弱（vw）等表示。物质的红外光谱是其分子结构的反映，谱图中的吸收峰与分子中各基团的振动形式相对应。

实验表明，组成分子的各种基团，如O-H、N-H、C-H、C=C、C=O和CC等，都有自己的特定的红外吸收区域，分子的其它部分对其吸收位置影响较小。

通常把这种能代表及存在、并有较高强度的吸收谱带称为基团频率，其所在的位置一般又称为特征吸收峰。

红外光谱区可分成4000cm-1

~1300cm-1、

1300cm-1

~600cm-1两个区域。

4000cm-1~1300cm-1之间，称为基团频率区、官能团区或特征区。区内的峰是由伸缩振动产生的吸收带，比较稀疏，容易辨认，常用于鉴定官能团（最有分析价值）。

1300cm-1~600cm-1区域内，除单键的伸缩振动外，还有因变形振动产生的谱带。这种振动与整个分子的结构有关。当分子结构稍有不同时，该区的吸收就有细微的差异，并显示出分子特征。这种情况就像人的指纹一样，因此称为指纹区。（作为化合物存在某种基团的旁证）┕━━━━━━━━━━━━┙4000～2500cm-1

端H结构┕━━━┙2500～2000cm-1

叁键、连双键┕━━━━━━┙1300～400cm-1

单键┕━━┙1900～1500cm-1

双键特征区指纹区（1）4000~2500cm-1X-H伸缩振动区（X可以是O、C或S等原子）

O-H基的伸缩振动出现在3650~3200cm-1范围内，它可以作为判断有无醇类、酚类和有机酸类的重要依据。羟基化合物产生缔合现象，O-H基的伸缩振动吸收峰向低波数方向位移，在3400~3200cm-1出现一个宽而强的吸收峰。胺和酰胺的N-H伸缩振动也出现在3500~3100cm-1，因此，可能会对O-H伸缩振动有干扰。

C-H的伸缩振动可分为饱和和不饱和的两种。饱和的C-H伸缩振动出现在3000cm-1以下，约3000~2800cm-1，取代基对它们影响很小；不饱和的C-H伸缩振动出现在3000cm-1以上，以此来判别化合物中是否含有不饱和的C-H键；苯环的C-H键伸缩振动出现在3030cm-1附近，它的特征是强度比饱和的C-H浆稍弱，但谱带比较尖锐。

（2）2500~2000

为叁键和累积双键区

主要包括-CC、-CN等叁键的伸缩振动，以及-C=C=C、-C=C=O等累积双键的不对称性伸缩振动。对于炔烃类化合物，可以分成R-CCH和R-CC-R两种类型，R-CCH的伸缩振动出现在2100~2140cm-1附近；R-CC-R出现在2190~2260cm-1附近；

-CN基的伸缩振动在非共轭的情况下出现在2240~2260cm-1附近，当与不饱和键或芳香核共轭时，该峰位移到2220~2230cm-1附近。（3）1900~1500cm-1为双键伸缩振动区该区域主要包括三种伸缩振动：

①C=O伸缩振动：出现在1900~1650cm-1，是红外光谱中很特征的且往往是最强的吸收，以此很容易判断酮类、醛类、酸类、酯类以及酸酐等有机化合物。酸酐的羰基吸收带由于振动耦合而呈现双峰。

②C=C伸缩振动：烯烃的C=C伸缩振动出现在1680~1620

cm-1，一般很弱；单核芳烃的C=C伸缩振动出现在1600cm-1和1500cm-1附近，有两个峰，这是芳环的骨架结构，用于确认有无芳核的存在。

③苯的衍生物的泛频谱带：出现在2000~1650cm-1范围，是C-H面外和C=C面内变形振动的泛频吸收，虽然强度很弱，但它们的吸收面貌在表征芳核取代类型上是有用的。1、1300~900cm-1区域

C-O、C-N、C-F、C-P、C-S、P-O、Si-O等单键的伸缩振动和C=S、S=O、P=O等双键的伸缩振动吸收。其中1375cm-1的谱带为甲基的C-H对称弯曲振动，对识别甲基十分有用，C-O的伸缩振动在1300~1000cm-1，是该区域最强的峰，也较易识别。

2、900~650cm-1区域某些吸收峰可用来确认化合物的顺反构型。烯烃的=C-H面外变形振动出现的位置，很大程度上决定于双键的取代情况。对于RCH=CH2结构，在990cm-1和910cm-1出现两个强峰；对于RC=CRH结构，其顺、反构型分别在690cm-1和970cm-1出现吸收峰，可以共同配合确定苯环的取代类型。

指纹区出现的频率有基团频率和指纹频率。指纹频率不是某个基团的振动频率，而是整个分子或分子的一部分振动产生的。分子结构的微小变化会引起指纹频率的变化。指纹频率没有特征性，但对特定分子是特征的。不能企图将全部指纹频率进行指认。概述基本原理红外光谱仪试样的处理、制备和操作注意事项红外光谱在药品检验中应用主要内容Bruker公司：BrukerTensor27、Tensor37、Vertex70型傅里叶变换型中/近红外分光光度计Bio-Rad公司：FTS-135型、FTS-165型、FIS-7R型傅里叶变换红外分光光度计PE公司：PE-Two型、Frontier型红外分光光度计Nicolet公司：IS系列、NEXUS型红外分光光度计岛津公司：IRPrestige-21型、FT\IR8101型、FTIR-8201PC型傅里叶变换红外分光光度计天光TJ270-30型红外分光光度计（国产）红外分光光度计分为色散型和付里叶变换型两种。色散型主要由光源、单色器（通常为光栅）、样品室、检测器、记录仪、控制和数据处理系统组成。

目前主要有Fourier变换红外光谱仪（FTIR）

Fourier变换红外光谱仪没有色散元件，主要由光源（硅碳棒、高压汞灯）、Michelson干涉仪、检测器、计算机和记录仪组成。核心部分为Michelson干涉仪，它将光源来的信号以干涉图的形式送往计算机进行Fourier变换的数学处理，最后将干涉图还原成光谱图。它与色散型红外光度计的主要区别在于干涉仪和电子计算机两部分。IR光源干涉仪样品检测器光频率和吸收红外光干涉光干涉图FT变换单通道图强度变化透过图T()=S()/R()FT变换T()=S()/R()红外吸收光谱的特点优点：（1）特征性高。几乎很少有两个不同的化合物具有相同的红外光谱。（2）无机、有机、高分子等气体、液体、固体均可测定。（3）所需样品少，几毫克到几微克。（4）操作方便、速度快、重复性好。（5）已有的标准图谱较多，便于查阅。缺点：（1）灵敏度和精度不够高，含量小于1％难于测出。（2）多用于定性分析，定量分析的准确度和灵敏度低于可见和紫外吸收光谱。（3）有些物质不能产生红外吸收光谱。例如原子（Ar、Ne、He等），单原子离子（K+、Na+、Ca2+等），同质双原子分子（H2、O2、N2等）。（4）有些吸收峰的理论解释难度大。应对仪器定期进行校正检定色散型应符合JJG681-90有关规定付里叶变换型应参照药典和JJG681-90有关规定主要指标:波数准确度、波数重现性、分辨率，另外有100%线平直度,杂散光,透光率准确度等用聚苯乙烯薄膜（50μm）对仪器进行波长准确度、重现性和分辨率校正检定波数准确度常用聚苯乙烯膜光谱特定吸收峰:3027.12850.7

1944.01801.61601.41583.11154.31028.0906.7cm-1付里叶变换型波长准确度3000cm-1为±5cm-11000cm-1为±1cm-1色散型波长准确度3000cm-1为±8cm-11000cm-1为±4cm-1波数重现性用聚苯乙烯膜测定3～5次,应符合规定分辨率试验3110～2870cm-1范围内有7个峰;分辨率不低于2cm-1概述基本原理红外光谱仪试样的处理、制备和操作注意事项红外光谱在药品检验中应用主要内容

要获得一张高质量红外光谱图，除了仪器本身的因素外，还必须有良好的红外光谱测定技术。红外光谱测定技术分为两类。一类是指检测方法如透射、衰减全反射、漫反射、光声光谱及红外发射等。通常测定的都是透射光谱一类是指制样技术采用的制样技术主要有压片法、糊法、膜法、溶液法、衰减全反射和气体吸收池法等。红外光谱的试样可以是液体、固体或气体，一般应要求：（1）单一组份的纯物质，纯度应>98%或符合药典规格（多组分抗生素不列入红外光谱鉴别）（2）试样应适当干燥，不应含游离水。水本身有红外吸收，会严重干扰样品谱，而且会侵蚀吸收池的盐窗。（3）试样的浓度和测试厚度应选择适当，以使光谱图中的大多数吸收峰的透射比处于10%~80%范围内。环境条件：红外实验室的室温应控制在15～30℃，相对湿度应小于65%，适当通风换气，以避免积聚过量的二氧化碳和有机溶剂蒸汽。压片模具及液体吸收池等红外附件，使用完后应及时擦拭干净，必要时清洗，保存在干燥器中，以免锈蚀。任何气态、液态、固态样品均可进行红外光谱测定，这是其它仪器分析方法难以做到的。红外光谱样品制样方法气体－用气体吸收池，测气相光谱，低温下测其液相光谱液体液膜法—适用一般液体样品液池法—用密封液体池装样，适用于低沸点液体样品涂膜法—流动性差的粘液样品气相法—蒸气压高或沸点低的液样,气化后灌入气体池测定溶液法—溶解后用液池法测定ATR法（衰减全发射法）—适用一般液体样品固体压片法—适用不会潮解、分解的全部固样糊状法—加入液态介质，磨细后调成糊状溶液法—溶解后用液池法测定熔融法—加热熔化呈液态测定其他多种方法，如：漫反射法、光声光谱法、显微镜反射法等1.压片法

将1~2mg试样与200mg纯KBr研细均匀，置于模具中，用（5~10）107Pa压力在油压机上压成透明薄片，即可用于测定。油压机模具固体样品稀释剂有溴化钾、氯化钠、碘化铯、高压聚乙烯，最常用的是溴化钾。采用压片法时，以溴化钾最常用。若供试品为盐酸盐，可比较氯化钾压片和溴化钾压片法的光谱，若二者没有区别，则使用溴化钾。供试品研磨应适度，通常以粒度2～5μm为宜。粒度过大而引起强烈散射，使谱图基线发生漂移，吸收谱带畸变。过度研磨有时会导致晶格结构的破坏或晶型的转化。固体样品溴化钾必须干燥溴化钾研磨很细，样品与KBr粉混合均匀（操作应在红外干操箱内进行）。控制溴化钾与样品的比例。溴化钾对钢制模具表面的腐蚀性很大，模具用过后必须及时清洗干净。此法适用于可以研细的样品，但对于不稳定的化合物，如发生分解、异构化、升华等变化的化合物不宜使用压片法，和稀释剂起反应或进行离子交换的样品不能使用压片法。压片法注意事项固体样品主要用于高分子材料，可通过加热或压延的方法制备成薄膜。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。薄膜法要求膜的厚度为10-30μm，且厚薄均匀。薄膜样品会由于薄膜两表面的反射而产生干涉条纹，与样品吸收谱叠加而造成定量分析的误差。2.薄膜法固体样品常用的成膜法有4种：熔融成膜适用熔点低、熔融时不分解、无化学变化的样品。热压成膜适用热塑性聚合物，将样品在膜具中加热至软化点以上压成薄膜。溶液成膜适用可溶性聚合物，将样品溶于适当的溶剂中，滴在玻璃板上使溶剂挥发得到薄膜。液膜法适用液体样品。两基片之间的薄膜一般将几滴样品滴在两片薄透明窗片之间（如三明治），再固定在样品架上。切记使用KBr时样品不得有水。固体样品热压成膜法1)热压装置由液压膜机、加热模具及温控装置组成。2)制样方法

将样品放在两片铝箔间，再放在模具芯中，把上模块放上后将模具放在压片机上，升温到选定的温度，保持1min左右，即可缓慢加压，压力一般控制1000~3000kg/cm2。加热控制的温度及加压时间，应以不会发生热分解和其他化学变化为依据。加压时间约为1min。然后从压片机上取下模具（注意戴上保温手套以免烫伤）。冷至室温后，脱模取出样品片。溶液成膜法注意事项要得到均匀和纯净的薄膜是不容易的，其关键在于溶剂的选择和配置的样品浓度。

选择溶剂的原则：避免使用沸点高、极性强的溶剂，应选择较低沸点、在低温下可从薄膜中挥发、清除的溶剂。尽量不用对人体有害的溶剂，否则对操作者的健康和环境都不利。选择的溶剂不能与样品产生化学反应或其他相互作用，否则会引起聚集态结构的变化。（1）根据实验所需的透明范围、溶液性质等选择液体池的窗片种类，最常用的是KBr、NaCl盐片，如果样品是水溶液则可选用CaF2、BaF2、KRS-5等水不溶性窗片。（2）避免水汽侵蚀易溶于水、吸湿性强的窗片。（3）液体池要及时清洗干净，不使其被污染。（4）尽可能选用极性小的溶剂，避免极性溶质与极性溶剂间会产生“溶剂效应”，使谱图失真。（5）水溶液样品应先设法脱除全部水分或部分脱水浓缩，然后进行红外测定。液膜法注意事项3.石蜡糊法：将样品研磨细后与液体石蜡或全氟代烃混合，调成糊状，夹在盐片间分析。4.溶液法：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。5.显微切片：有一定强度的高聚物6.对于无机固体样品还可以通过测定红外反射光谱的方式获得红外特征吸收信息。固体样品气体池法

气态样品可在玻璃气槽内进行测定，它的两端粘有红外透光的NaCl或KBr窗片密封。先将气槽抽真空，再将试样注入。将气体池放在气体池架上即可，要特别注意防止盐片受潮。气体样品气体样品采用气体池，直接测试；浓度高的样品，采用光程短的气体池，或者减小压力，或者用氮气或氦气进行稀释；对于浓度低至PPM或PPB量级的样品，采用光程长的气体池以及更高灵敏度的MCT检测器。将气体样品注入一个（抽真空的）气体池进行分析。测量得到峰的强度受气体池的光程、气体的压力以及摩尔吸收系数的影响。气体样品会由于吸收池总压不同而引起吸收谱带强度变化。气体样品（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0.01~1mm。（2）液膜法沸点较高的试样，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，当用调整厚度仍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。常用的红外光谱溶剂应在所测光谱区内没有强烈的吸收，不侵蚀盐窗，有CCl4

、CCl3、CS2、C6H14、环己烷等。液体样品谱图质量判断标准一般来说，谱图中最大吸收峰在10%T左右，基线在80%T左右，且基线保持平直，没有杂峰的干扰，这样的图就是好图。在某些情况下，即使没有得到很好红外谱图，OPUS软件也具有很好的谱图处理功能。红外谱图质量的判断谱图信噪比太差样品量大，有干涉条纹压片太薄基线倾斜背景不好概述基本原理红外光谱仪试样的处理、制备和操作注意事项红外光谱在药品检验中应用主要内容（1）定性鉴别：

对于已有结构，判断峰的归属是否与结构相一致，用简单的方法与对照光谱或对照品光谱比较（谱带的有与无、各谱带的相对强弱）。若供试品的光谱图与对照光谱图一致，通常可判定两化合物为同一物质（只有少数例外，如有些光学异构体或大分子同系物等）；若两光谱不同，则可判定两化合物不同。（2）结构确证：

对于未知结构，判断峰的归属是否为某官能团。特点：1、基本与对照光谱比较，少数与对照品光谱比较；2、多为原料鉴别，制剂很少（在考虑扩大鉴别方法

专属性不强的品种）；3、谱段：4000～400cm-1；4、制样方法：压片法、糊法、溶液法、液膜法、薄膜法、ATR法、气体池法；5、光谱集：收有药品、辅料、对照品等，不包括药品包装材料6、无效晶型的控制：如甲苯咪唑。1995年第一卷，收载了药品红外光谱图共685幅，由光栅型红外分光光度计绘制2000年第二卷，收载药品红外光谱图208幅，并全部改由傅立叶红外光谱仪绘制2005年第三卷，收载药品红外光谱图210幅，其中172个为新增品种，38个老品种重新绘制了图谱2010年第四卷，共收载药品红外光谱图124幅红外光谱集是中华人民共和国药典的配套丛书，是药品质量检验的法定依据之一。（1）凡《中华人民共和国药典》、国家药品标准已收载用红外光谱法作为鉴别的原料药，本光谱集中收载的相应光谱图供比对用。对于制剂的红外鉴别，由于可能存在辅料干扰，本光谱集收载的光谱图仅作参考，参照原料药的标准光谱在指纹区选择3～5个辅料无干扰的待测成分的特征吸收峰，列出他们的波数位置作为鉴别的依据。（2）固体药品在测定时，可能由于晶型的影响，致使录制的光谱图与本光谱图集所收载的光谱图不一致，如无晶型要求，应按本光谱集中个相应光谱图中备注的方法或该品种正文中规定的方法进行预处理后，再进行录制。

马来酸依索拉定---不同生产厂结晶溶剂不同，红外光谱有差异，甲醇重结晶后，各生产厂红外光谱一致

固体药品在测定时，如有晶型要求，应用IR对有效晶型进行鉴别，并对无效晶型进行控制检查。一般不采用研磨压片法，多采用糊法，但要对矿油（石蜡油）峰与样品峰甑别。氯沙坦钾---糊法(如石蜡油峰明显,应增加样品量或与对照品一并测定)（3）由于图谱的质量或供试品的多晶型等原因，有些化合物的光谱图作了重新绘制，并收入后续卷中。若同一化合物的光谱图在不同卷中均有收载，用于鉴别时以后卷光谱图作为比对依据，前卷光谱图仅作为参考。

二氟尼柳----乙醇重结晶药物的多晶型——不同重结晶溶剂产生不同晶型多晶现象——药物的同质异晶。不同晶型对药物的影响因素：溶解度、溶出速率、熔点、密度、硬度、外观以及生物有效性、药物的稳定性、生物利用度及疗效的发挥。药物多晶型现象的研究已经成为日常控制药品生产及新药剂型确定前设计所不可缺少的重要组成部分。了解药物的晶型及其性质后，将有助于保证药物制剂的物理化学稳定性，提高药物的生物利用度，减少毒性，增进治疗效果，保证每批生产的药物间的等效性，改善药物粉末的压片性能，防止在制备或储藏中产生晶型转变而影响质量。同时，可以通过一定的转晶手段，寻求药物新的晶型，新的疗效。加热：达到某一特定的转变温度，可能发生晶型转变。如联苯双酯。熔融物冷却时，可能析出多晶型物，其类型因冷却方式及速度而异。如无味氯霉素，无效晶型A经过熔融和快速冷却，可转变为有效的B晶型。研磨对晶型转变有一定的影响。如头孢菌素、氯霉素棕榈酸酯及消炎痛在研磨过程中均发生晶型转变，并会加速甲氰咪胍的多晶型转化。磺胺-5-甲氧嘧啶结晶Ⅱ型经研磨，能转变成Ⅲ型。不同的结晶条件采用溶剂法，通过改变药物结晶时溶剂