科普红外光谱的技术原理与应用 红外光谱解决方案

第第页科普红外光谱的技术原理与应用红外光谱解决方案红外光谱是分子能选择性汲取某些波长的红外线,而引起分子中振动能级和转动能级的跃迁，检测红外线被汲取的情况可得到物质的红外汲取光谱，又称分子振动光谱或振转光谱。红外光谱对样品的适用性相当广泛，固态、液态或气态样品都能应用，无机、有机、高分子化合物都可检测。此外，红外光谱还具有测试快速，操作便利，重复性好，灵敏度高，试样用量少，仪器结构简单等特点，因此，它已成为现代结构化学和分析化学zui常用和不可缺少的工具。红外光谱在高聚物的构型、构象、力学性质的讨论以及物理、天文、气象、遥感、生物、医学等领域也有广泛的应用。为了充足广阔仪器用户对红外光谱的使用需求，我总结了一些技术内容。1.什么是光谱技术？有哪些分类，红外属于哪一类？光谱分析是一种依据物质的光谱来辨别物质及确定它的化学构成，结构或者相对含量的方法。依照分析原理，光谱技术重要分为汲取光谱，发射光谱和散射光谱三种；依照被测位置的形态来分类，光谱技术重要有原子光谱和分子光谱两种。红外光谱属于分子光谱，有红外发射和红外汲取光谱两种，常用的一般为红外汲取光谱。2.红外汲取光谱的基本原理是什么？分子运动有平动，转动，振动和电子运动四种，其中后三种为量子运动。分子从较低的能级E1，汲取一个能量为hv的光子，可以跃迁到较高的能级E2,整个运动过程充足能量守恒定律E2—E1=hv。能级之间相差越小，分子所汲取的光的频率越低，波长越长。红外汲取光谱是由分子振动和转动跃迁所引起的,构成化学键或官能团的原子处于不断振动（或转动）的状态，其振动频率与红外光的振动频率相当。所以，用红外光照射分子时，分子中的化学键或官能团可发生振动汲取，不同的化学键或官能团汲取频率不同，在红外光谱上将处于不同位置，从而可获得分子中含有何种化学键或官能团的信息。红外光谱法实质上是一种依据分子内部原子间的相对振动和分子转动等信息来确定物质分子结构和辨别化合物的分析方法。分子的转动能级差比较小，所汲取的光频率低，波长很长，所以分子的纯转动能谱显现在远红外区（25～300m）。振动能级差比转动能级差要大很多，分子振动能级跃迁所汲取的光频率要高一些，分子的纯振动能谱一般显现在中红外区（2.5～25m）。（注：分子的电子能级跃迁所汲取的光在可见以及紫外区，属于紫外可见汲取光谱的范畴）值得注意的是，只有当振动时，分子的偶极矩发生变化时，该振动才具有红外活性（注：假如振动时，分子的极化率发生变化，则该振动具有拉曼活性）。3.分子的重要振动类型在中红外区，分子中的基团重要有两种振动模式，伸缩振动和弯曲振动。伸缩振动指基团中的原子沿着价键方从来回运动（有对称和反对称两种），而弯曲振动指垂直于价键方向的运动（摇摆，扭曲，剪式等）。4.红外光谱和红外谱图的分区通常将红外光谱分为三个区域：近红外区（0.75～2.5m）、中红外区（2.5～25m）和远红外区（25～300m）。一般说来，近红外光谱是由分子的倍频、合频产生的；中红外光谱属于分子的基频振动光谱；远红外光谱则属于分子的转动光谱和某些基团的振动光谱。（注：由于绝大多数有机物和无机物的基频汲取带都显现在中红外区，因此中近红外光谱仪红外区是讨论和应用zui多的区域，积累的资料也zui多，仪器技术zui为成熟。通常所说的红外光谱即指中红外光谱）按汲取峰的来源，可以将中红外光谱图（2.5～25m）大体上分为特征频率区（2.5～7.7m，即4000—1330cm—1）以及指纹区（7.7～16.7m,即1330—400cm—1）两个区域。其中特征频率区中的汲取峰基本是由基团的伸缩振动产生，数目不是很多，但具有很强的特征性，因此在基团鉴定工作上很有价值，重要用于鉴定官能团。如羰基，不论是在酮、酸、酯或酰胺等类化合物中，其伸缩振动总是在5.9m左右显现一个强汲取峰，如谱图中5.9m左右有一个强汲取峰，则大致可以断定分子中有羰基。指纹区的情况不同，该区峰多而多而杂，没有强的特征性，重要是由一些单键C—O、C—N和C—X（卤素原子）等的伸缩振动及C—H、O—H等含氢基团的弯曲振动以及C—C骨架振动产生。当分子结构稍有不同时，该区的汲取就有细小的差异。这种情况就像每个人都有不同的指纹一样，因而称为指纹区。指纹区对于区分结构仿佛的化合物很有帮忙。5.红外光谱是定性分析手段还是定量分析手段？有何应用？红外汲取光谱重要用于定性分析分子中的官能团，也可以用于定量分析（较少使用，特别是多组分时定量分析存在困难）。红外光谱对样品的适用性相当广泛，固态、液态或气态样品都能应用，无机、有机、高分子化合物都可检测。常见的，对于未知产物进行分析时，红外能够给出官能团信息，结合质谱，核磁，单晶衍射等其他手段有助于确认产物的结构（应用zui广泛）；在催化反应中，红外，特别是原位红外有侧紧要的作用，可以用于确定反应的中心产物，反应过程中催化剂表面物种的吸附反应情况等；通过特定物质的吸附还可以知道材料的性质，比如吡啶吸附红外可以测试材料的酸种类和酸量等，CO吸附的红外可以依据其出峰的情况判定材料上CO的吸附状态，进而知道催化剂中金属原子是否是以单原子形式存在等。6.红外光谱的解析一般通过什么方法？有哪些紧要的数据库？光谱的解析一般首先通过特征频率确定重要官能团信息。单纯的红外光谱法鉴定物质通常采纳比较法，即与标准物质对比和查阅标准谱的方法，但是该方法对于样品的要求较高并且倚靠于谱图库的大小。假如在谱图库中无法检索到一致的谱图，则可以用人工解谱的方法进行分析，这就需要有大量的红外学问及阅历积累。大多数化合物的红外谱图是多而杂的，即便是有阅历的专家，也不能保证从一张孤立的红外谱图上得到全部分子结构信息，假如需要确定分子结构信息，就要借助其他的分析测试手段，如核磁、质谱、紫外光谱等。近红外光谱的重要技术特点近红外光谱技术之所以成为一种快速、高效、适合过程在线分析的有利工具，是由其技术特点决议的，近红外光谱分析的重要技术特点如下：1.分析速度快。由于光谱的测量过程一般可在1min内完成（多通道仪器可在1Sec之内完成），通过建立的校正模型可快速测定出样品的构成或性质。2.分析效率高。通过一次光谱的测量和已建立的校正模型，可同时对样品中的多个构成或性质进行测定。3.分析成本低。近红外光谱在分析过程中不消耗样品，自身除消耗一点电外几乎无其他消耗，测试费用可大幅度降低。4.测试重现性好。由于光谱测量的稳定性，测试结果很少受人为因素的影响，与标准或参考方法相比，近红外光谱一般显示出更好的重现性。5.样品测量一般勿需预处理，光谱测量便利。6.便于实现在线分析。由于近红外光在光纤中良好的传输特性，通过光纤可以使仪器阔别采样现场，将测量的光谱信号实时地传输给仪器，调用建立的校正模型计算后可直接显示降生产装置中样品的构成或性质结果。另外通过光纤也可以测量恶劣环境中的样品。7.典型的无损分析技术。光谱测量过程中不消耗样品，从外观到内在都不会对样品产生影响。8.现代近红外光谱分析也有其固有的弱点。一是测试灵敏度相对较低，这重要是由于近红外光谱作为分