红外光谱分析-第3节_红外光谱仪器
红外吸收光谱分析
基团频率区旳划分
分区根据：因为有机物数目庞大，而构成有
机物旳基团有限；基团旳振动频率取决于K 和
m，同种基团旳频率相近。
划分措施
氢键区 ❖基团特征频率区 叁键区和累积双键区
双键区
❖指纹区
单键区
区域名称 频率范围
基团及振动形式
氢键区 4000～2500cm-1 O－H、C－H、N－H
等旳伸缩振动
叁键和
溶剂效应，极性基团旳伸缩振动频率随溶剂旳极性增 大而降低，但其吸收峰强度往往增强，一般是因为极 性基团和极性溶剂之间形成氢键旳缘故，形成氢键旳 能力越强吸收带旳频率就越低。如丙酮在环己烷中νC=O 为1727cm-1 ，在四氯化碳中为1720cm-1 ，在氯仿中为 1705cm-1 。
分子振动旳自由度
• 电子效应
①诱导效应 ②共轭效应
• 空间效应
①空间位阻 ②环张力
• 氢键
• 二.外部原因
• ①物态效应 • ②溶剂效应
❖电子效应
（1）诱导效应 经过静电诱导作用使分子中 电子云分布发生变化引起K旳变化，从而影 响振动频率。 如 C＝O
吸电子诱导效应使羰基双键性增长，振动频 率增大。
（2）共轭效应 共轭效应使共轭体系中
Varian 680-IR
• 日本岛津： • 傅立叶变换红外光谱仪 IRAffinity-1 • 高信噪比：30,000:1 以上；配置自动除湿装
置，易于维护；外形小巧，占地面积小；标配 杂质分析程序；多种附件能够选择。 • 傅立叶变换红外光谱仪 IRPrestige-21 • 研究级傅立叶红外光谱仪。 • 岛津红外显微镜系统 AIM-8800 • 具有AIM VIEW先进控制系统；具有高敏捷度 旳不需维护旳MCT检测器；多种附件使应用范 围进一步扩展。
有机波谱解析-第三章_红外光谱
由于红外光谱吸收强度受狭缝宽度、温度和溶剂等因素影 响，故不易精确测定，在实际分析中，只是通过与羰基等强吸 收峰对比来定性研究。
谱带强度与振动时偶极矩变化有关,偶极矩变化愈 基团极性 大，谱带强度愈大；偶极矩不发生变化，谱带强度为0， 即为红外非活性。 电子效应
红外吸收强度 偶极距变化幅度 振动偶合
伸缩振动（
as
）两种形式。
弯曲振动：原子垂直于化学键方向的运动。又可以分
它们还可以细分为摇摆、卷曲等振动形式。
为面内弯曲振动（）和面外弯曲振动（ ）两种形式，
+和-表示垂直于纸面方向的前后振动。
亚甲基的振动形式
三、分子振动与红外吸收峰的关系
理论上具有特定频率的每一种振动都能吸收相应 频率的红外光，在光谱图对应位臵上出现一个吸收 峰。实际上，因种种原因分子振动的数目与谱图中
纵坐标为： 百分透过率（%） 横坐标为： 波长（µ m）或波 数（cm-1）。
环戊烷
也可用文字形式表示为：2955cm-1(s)为CH2的反对称伸缩振动 (υasCH2),2870cm-1(m)为CH2的对称伸缩振动(υsCH2) 1458cm-1(m) 为CH2的面内弯曲振动(δ面内CH2),895cm-1(m)为CH2的面外弯曲振动 (面外CH2)
诱导效应大于共轭效应， C＝O 蓝移至 1735 cm-1
三、空间效应
（1）空间位阻 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（增大）。
CH(CH3)2 O O O
CH3 CH3
CH3 CH(CH3)2
CH3
1663cm-1
1686cm-1
1693cm-1
（2）环的张力：环的大小影响环上有关基 团的频率。
IR
基团频率区 (官能团区或 特征区)
4000 cm-1- 1300 cm-1 伸 缩振动产生，比较少，容 易辨认鉴定官能团
指纹区：1300 cm-1-600 cm-1 不同分子该区的吸收有细微的 差异，并显示出分子特征。像 人的指纹，故称为指纹区。指 纹区指认结构类似的化合物很 有帮助，可作为化合物存在某 种基团的旁证
石蜡糊法
– 干燥试样研细，与液体石蜡或全氟代烃（氟化煤油）混 合，调成糊状，夹在盐片中测定
薄膜法
高分子化合物可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。
第四节 基团频率和特征吸收
一、基团频率区和指纹区 二、红外光谱的区域划分
红外光谱 Infrared Spectra , IR
第一节 概述 第二节 红外光谱基本原理 第三节 IR的实验仪器及样品处理技术 第四节 基团频率和特征吸收 第五节 红外光谱法的应用
第一节 概述
– 一、分子光谱的产生 – 二、红外光区的划分 – 三、红外光谱的测定过程 – 四、红外光谱法的特点
实际上，绝大多数化合物在红外光谱图上 出现的峰数远小于理论上计算的振动数，这是 由如下原因引起的：
（1）没有偶极矩变化的振动，不产生红外吸收； （2）相同频率的振动吸收重叠； （3）仪器不能区别频率十分接近的振动，或吸收带很 弱，仪器无法检测； （4）有些吸收带落在仪器检测范围之外。
以HCl为例：
基频峰（ν0→1） 二倍频峰（ ν0→2 ） 三倍频峰（ ν0→3 ） 四倍频峰（ ν0→4 ） 五倍频峰（ ν0→5 ）
2885.9 cm-1 5668.0 cm-1 8346.9 cm-1 10923.1 cm-1 13396.5 cm-1
红外光谱分析 红外吸收光谱法
υ=
1
2
（1）
1
105 N
= 2c = 2c
Cm-1 (2)
K为键力常数，其含义是两个原子由平衡位置伸长0.1nm(lA0) 后的回复力，单位是 dyn/cm。
μ’ 为折合质量。 μ’=m1m2/（m1+m2） (m为原子质量)
原子质量用相对原子量代替:
m1=M1/N, m2=M2/N 。
举例：
例：由元素分析某化合物的分子式为 C其4H结6构O2。，测得红外光谱如图，试推测
解： 由分子式计算不饱和度U = 4－6/2＋1= 2
特征区：3 070cm-1有弱的不饱和C—H伸缩振动吸收， 与1 650cm-1的vc=c 谱带对应表明有烯键存在，谱带较 弱，是被极化了的烯键。
1 76பைடு நூலகம்cm-1强吸收谱带表明有羰基存在，结合最强吸收 谱带1 230cm-1和1 140cm-1的C-O-C吸收应为酯基。
跃迁的几率与振动方式有关: 基频(V0→V1)跃迁几率大，所以吸收较强； 倍频(V0→V2)虽然偶极矩变化大，但跃率几率很低， 使峰强反而很弱。
3、振动的量子化处理
根据量子力学，其分子的振动能 E＝(υ+1/2)h v振
在光谱学中，体系从能量E变到能量E1＇，要遵循 一定的规则，即选择定则，谐振子振动能级的选择定则 △υ＝±1。由选择定则可知，振动能级跃迁只能发生在 相邻的能级间 。
2.基本概念
a..偶极矩：当化学键两端的电子电负性不同时，电中性的 分子便产生负电中心的分离，成为极性分子，极性大小用 偶极矩μ衡量，μ＝r×q，即正、负电荷中心间的距离r和 电荷中心所带电量q的乘积。
b.基频：常温下分子处于最低振动能级，此时叫基态，V=0。 从基态V0跃迁到第一激发态V=1，V0V1产生的吸收带
第三章 红外和近红外光谱分析技术
4）. 检测器及记录仪
红外光能量低，因此常用热电偶、测热辐射计、 热释电检测器和碲镉汞检测器等。
以光栅为分光元件的红外光谱仪不足之处： 1）需采用狭缝，光能量受到限制； 2）扫描速度慢，不适于动态分析及和其它仪 器联用； 3）不适于过强或过弱的吸收信号的分析。
2、傅立叶变换红外光谱仪 它是利用光的相干性原理而设计的干涉型红 外分光光度仪。 仪器组成为：光源、迈克尔逊干涉仪、探测 器和计算机
（二）图谱分析 红外图谱主要用于物质定性分析。 1. 已知物的鉴定 将试样谱图与标准谱图对照或与相关文献上的谱 图对照。 2. 未知物结构分析 如果化合物不是新物质，可将其红外谱图与标准 谱图对照（查对）； 如果化合物为新物质，则须进行光谱解析，其步 骤为：
1）该化合物的信息收集：试样来源、熔点、 沸点、折光率、旋光率等； 2）不饱和度的计算： 通过元素分析得到该化合物的分子式，并 求出其不饱和度Ω。
条件二：辐射与物质之间必须有耦合作用： 振动过程中须有偶极距的改变才能吸收红 外辐射
• 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：有偶极矩，红外活性。
2）分子振动决定吸收峰
A.双原子分子振动 分子的两个原子以其平衡点为中心，以很小的振 幅（与核间距相比）作周期性“简谐”振动，其 振动可用经典刚性振动描述：
• 1690 cm-1：醛基－C=O伸缩振动吸收（1735 cm-1～1715cm-1，由于与苯环发生共轭向低频 率方向位移）。 • 2820 cm-1和2730 cm-1：醛基的C-H伸缩振动 （2820 cm-1和2720 cm-1）。 • 1465 cm-1和1395 cm-1：甲基的弯曲振动 （1460 cm-1和1380 cm-1）。 • 1260 cm-1和1030 cm-1：C-O-C反对称和对称伸 缩振动（1275 cm-1～1010 cm-1）。 • 由以上信息可知化合物的结构为
红外光谱原理及仪器剖析
红外光谱原理及仪器剖析红外光谱是研究物质分子结构、官能团及分子间相互作用的重要方法之一、它通过测量物质在红外辐射下的吸收、散射、透射等现象得到的信息，来揭示物质的化学、物理性质。
红外光谱的原理是基于物质吸收和发射红外辐射的现象。
在物质的红外光谱图谱中，吸收峰对应着物质分子中不同官能团振动状态的特征，通过对标准物质的红外光谱图谱进行比对，可以确定待测样品的化学成分和结构。
红外光谱仪是用于测量物质红外光谱的专用仪器，主要由光源、样品室、光学系统和检测器等部分组成。
光源可以采用红外灯、光电导、红外激光等，它会发射红外光，在光学系统中被聚焦后通过样品室中的待测样品。
样品室是红外光谱仪的核心部件，通常包括样品支架和透明窗口。
待测样品经过样品支架放置在样品室中，透明窗口能够让红外光通过并与样品发生作用。
样品室的设计还考虑了对样品温度和气氛的控制，以保证测量的准确性和可靠性。
光学系统是将从光源发出的红外光聚焦到样品上，并将样品经过红外光照射后产生的信号转换为电信号。
它主要包括光栅、透镜、反射镜等光学元件，通过精确的光学调节，可以将红外光的信息传递到检测器上。
检测器是红外光谱仪的另一个重要部件，它将从样品中散射或透射出来的红外光信号转换为电信号。
常用的检测器有热电偶、半导体探测器和光电二极管等。
这些检测器对不同波段的红外光有不同的响应特性，可以适应不同光谱测量的需求。
红外光谱仪的工作过程通常包括样品的准备、测量条件的设定和数据分析等步骤。
首先，将待测样品制备成适当形式，如固体样品经过研磨、液体样品经过稀释等。
然后，设定红外光谱仪的测量条件，包括光源的选择、采集光线的范围和速度等。
最后，将测量到的红外光谱数据进行分析，通常通过与标准物质光谱图谱的比对来确定样品的组成和结构。
红外光谱在有机化学、生化分析、材料科学等领域有着广泛的应用。
通过红外光谱技术，可以快速、准确地确定复杂化学物质的结构和官能团。
此外，红外光谱还可以用于研究物质的溶解、聚合、脱附等过程，为新材料的设计和开发提供参考。
仪器分析红外光谱法
仪器分析红外光谱法红外光谱法是一种常用的仪器分析方法，可以用于分析物质的组成和结构。
本文将详细介绍红外光谱法的原理、仪器设备和应用领域，并对其中的一些关键技术进行探讨。
红外光谱法是一种基于化学键振动的分析技术。
通过测量样品在红外辐射下的吸收光谱，可以获得有关样品分子的信息。
红外辐射的波长范围为0.78-1000微米，对应的频率范围为12.82-3000THz。
在这个频率范围内，物质的分子会吸收特定波长的辐射能量，这些吸收峰对应着不同的化学键振动。
通过比较样品的吸收光谱和标准库中的光谱，可以确定样品的组分或结构。
红外光谱仪是进行红外光谱分析的关键设备。
它主要由光源、样品室、光谱分束系统和探测器组成。
常见的光源有红外灯、光纤波导和测量系统本体产生的光源，它们的特点是辐射能量可见、红外或拉曼光谱区域。
光谱分束系统可以将样品吸收的红外光谱分解为连续光的波长与光强分布的结果，常用的分束器有棱镜和光栅两种。
光谱分束系统将被分解的光聚集到一个探测器上进行测量，常见的探测器有热电偶、焦平面阵列、差分红外探测器等。
根据实际需要，还可以配备测光计、计算机等辅助设备，以提高测量的准确性和效率。
红外光谱法在实际应用中有广泛的用途。
它可以用于各种领域的研究和分析，如化学、材料科学、制药、食品科学等。
红外光谱法可以用于分析有机化合物、无机物质、生物大分子等类型的样品。
在有机化合物分析中，红外光谱法可以确定化学键的类型、鉴别不同的功能基团、判断化学结构等。
在材料科学中，红外光谱法可以用于表面分析、结构表征、聚合物反应动力学等研究。
在制药和食品科学中，红外光谱法可以用于药物质量控制、药物配方优化、食品成分分析等。
为了提高红外光谱法的测量精度和灵敏度，一些关键技术被引入到了仪器分析中。
其中，ATR技术（全反射红外光谱技术）是一种常用的技术。
它通过将样品直接置于晶体表面进行测量，避免了传统方法中液体制备和气体膜片制备的麻烦。
此外，荧光红外光谱技术也是一项重要的技术。
第三节 红外光谱
影响谱带位置（位移）因素
诱导效应
原子电负性的影响：一定极性的共价键中，不同电负性原子取代产生 振动频率发生变化。 无机化合物中，相同阴离子团与不同阳离子结合时，阴离子团的基本 频率受到影响。
键应力的影响
Si-O结合时，Si位于正四面体的中心，键角为109°28‘，但Si-O四面 体结合时，Si-O键角改变，引起键能变化，产生振动频率的位移。 孤立的Si-O结构中，伸缩振动频率小于1000cm-1 ，当两个Si-O四面 体结合时，形成Si-O-Si键，伸缩振动频率增大至1080cm-1 。
当红外辐射光照射到薄片上时，引起温度升高，TGS极化度 改变，表面电荷减少，相当于“释放”了部分电荷，经放大， 转变成电压或电流方式进行测量。 碲镉汞检测器（MCT检测器）是由宽频带的半导体碲 碲镉汞检测器 化镉和半金属化合物碲化汞混合形成，其组成为Hg1-xCdx Te ， x≈0.2，改变x值，可获得测量波段不同灵敏度各异的各种 MCT检测器。 5. 记录系统
红外光谱实验技术
发展历史
19世纪初发现红外线 20世纪初，单光束手动式仪器 1947，第一代以棱镜做色散元件的双光束红外光谱仪 问世 1960，第二代以光栅做色散元件的双光束红外光谱仪 投入使用 1978，第三代干涉型傅立叶变换红外光谱仪投入使用 近年，第四代激光红外光谱仪问世
红外光谱仪
测绘物质红外光谱的仪器称为红外光谱仪，又称红 外分光光度计，主要包括红外辐射源、色散元件、 检测器、放大器和记录系统。色散元件大致演变过 程为棱镜、光栅、干涉型傅立叶变换、激光器等阶 段。
高分子材料的研究分析和鉴别高聚物不同类型的高聚物及结构相近的高聚物定量测定聚合物的链结构聚合物反应的研究高聚物结晶过程的研究高聚物物理老化的研究高分子共混相溶性研究高聚物取向研究材料表面的研究红外附件技术??有机物方面有机物方面红外光谱红外光谱88个重要区段与有机物官能团特征频率个重要区段与有机物官能团特征频率特征频率区特征频率区区区段段波数波数cmcm11振动类型振动类型伸缩振动区2不饱和ch伸缩振动区33003010烯烃和芳环3饱和ch伸缩振动区30002800区区段段波数波数cmcm11振动类型振动类型5羰基19001650伸缩振动区6双键16751500伸缩振动区烯烃和芳环7饱和ch面内弯曲振动区14751300指纹区指纹区区区段段波数波数cmcm11振动类型振动类型8不饱和ch面外弯曲振动区1000650
红外光谱仪器的应用及原理
红外光谱仪器的应用及原理简介红外光谱是一种常用的分析技术，广泛应用于化学、物理、生物等领域。
红外光谱仪器是实现红外光谱分析的关键设备，本文将介绍红外光谱仪器的应用领域以及其工作原理。
应用领域红外光谱仪器在许多领域都有广泛应用，包括但不限于以下几个方面：1. 化学分析红外光谱仪器可以用于化学物质的鉴定和定量分析。
由于每种物质在红外光谱上都具有独特的吸收特征，因此可以通过比对样品的红外光谱图与已知物质的光谱图进行对比，确定样品的成分和结构。
2. 生物医学在生物医学领域，红外光谱仪器常用于检测和分析生物分子，如蛋白质、核酸等。
通过红外光谱技术，可以了解生物分子的结构、功能和变化，为疾病的早期诊断和治疗提供依据。
3. 材料研究红外光谱仪器在材料科学和工程领域具有广泛应用。
通过对材料样品的红外光谱进行分析，可以研究材料的组成、结构和性质，为材料的制备和改性提供指导和依据。
4. 环境监测红外光谱仪器在环境监测中发挥着重要的作用。
例如，可以利用红外光谱技术监测大气中的气体成分，检测空气污染物的浓度。
此外，红外光谱仪器还可以用于土壤分析、水质监测等环境领域的研究和监测。
工作原理红外光谱仪器的工作原理基于物质对红外辐射的吸收和散射特性。
红外光谱仪器由以下几个主要部分组成：1. 光源红外光谱仪器中常用的光源包括红外灯泡或者红外激光器。
光源发出的红外辐射穿过样品后被检测器接收。
2. 样品室样品室用于容纳待测样品，并保持样品的稳定位置。
样品室一般有透明的窗口，使得红外辐射可以穿过样品。
3. 光谱仪光谱仪是红外光谱仪器中的核心部件。
它负责对红外辐射进行分光，将红外辐射按照不同波长进行分离，然后通过检测器进行信号检测。
4. 检测器检测器用于将光谱仪分光后的红外辐射信号转化为电信号。
常用的检测器包括热电偶、半导体探测器等。
5. 数据处理系统数据处理系统负责接收并处理检测器输出的电信号，并将其转化为红外光谱图。
通常，数据处理系统还可以对红外光谱图进行进一步处理和分析。
第3章红外光谱法
Rayleigh散射：
激发虚态
弹性碰撞；无能
E1 + h0
h(0 - )
量交换，仅改变方向
Raman散射：
h0
非弹性碰撞；方
向改变且有能量交换 E1
E0 + h0
h0 h0 V=1
h0 +
E0
V=0
Rayleigh散射
Raman散射
h
E0基态， E1振动激发态； E0 + h0 ， E1 + h0 激发虚态；
发生振动能级跃迁需要能量的大小取决于键两端原子 的折合质量和键的力常数，即取决于分子的结构特征。
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分析化学研究所
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分子中基团的基本振动形式
1．两类基本振动形式
伸缩振动
弯曲振动
亚甲基
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亚甲基
分析化学研究所
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伸缩振动
甲基的振动形式
弯曲振动
对称 υ s(CH3) 2870 ㎝-1
频峰
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分析化学研究所
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官能团区和指纹区
• 官能团区 4000~1300cm-1是基团伸缩振动出现的区域，对鉴定 基团很有价值
• 指纹区 1300~600cm-1是单键振动和因变形振动产生的复杂光 谱区，当分子结构稍有不同时，该区的吸收就有细微 的差异，对于区别结构类似的化合物很有帮助。
共轭效应：使共轭体系中的电子云密度平均化，使双键略有伸 长，因此，双键的吸收频率向低波数方向位移。
中介效应:当含有孤对电子的原子（如：O, N, S等）与具有多 重键的原子相连时，也可起类似的共轭作用，使吸收频率向低 波数方向位移。
红外光谱分析
红外光谱分析红外光谱分析是一种重要的分析技术，广泛应用于化学、生物、材料等领域。
通过测量物质在红外光谱范围内的吸收和发射特性，可以得到物质分子的结构信息，实现物质的鉴定、定量分析和质量控制等目的。
本文将从红外光谱的基本原理、仪器设备、样品制备和数据解析等方面介绍红外光谱分析的相关知识。
一、基本原理红外光谱分析基于物质对红外辐射的吸收特性。
红外辐射是电磁波谱中的一部分，波长范围在0.78μm至1000μm之间，对应的频率范围在3000GHz至0.3THz之间。
物质分子由原子组成，原子核围绕电子运动，当受到外界的电磁波激发时，分子内部的键振动和转动将发生改变，导致物质吸收特定波长的红外辐射。
不同物质的分子结构和化学键在红外光谱图上表现出特征性的吸收峰，通过观察这些吸收峰的位置和强度可以确定物质的成分和结构。
二、仪器设备进行红外光谱分析需要使用红外光谱仪。
常见的红外光谱仪包括傅立叶变换红外光谱仪（FTIR）和光散射式红外光谱仪（IR）。
FTIR光谱仪通过傅立叶变换技术将红外辐射转换为光谱图，具有高灵敏度和快速测量的优点，适用于定性和定量分析。
光散射式红外光谱仪则通过散射光信号进行检测，适用于固态样品和表面分析。
三、样品制备在进行红外光谱分析前，需要对样品进行适当的制备处理。
液态样品可以直接涂覆在透明吸收的样品基底上进行测试，固态样品通常需要将样品捣碎并与适当的载体混合后进行测试。
在取样和制备过程中需要避免空气和水分的干扰，避免发生氧化和水解反应，影响测试结果的准确性。
四、数据解析红外光谱分析得到的数据通常以吸收光谱图的形式呈现。
吸收光谱图的横轴表示波数或波长，纵轴表示吸收强度，吸收峰的位置和形状反映了物质的分子结构。
数据解析是红外光谱分析的关键步骤，需要借助专业的光谱库和软件进行分析和比对，以确定样品的成分和结构信息。
在实际应用中，红外光谱分析可用于鉴定有机化合物、无机物质、生物大分子等多种样品，广泛应用于医药、食品、环境、材料科学等领域。
仪器分析教程第3章 红外光谱
一. 基本振动的类型 伸缩振动和弯曲振动。
1. 伸缩振动（Stretching Vibration)
用 v 表示。 特点：成键原子沿键轴方向伸缩，键长发生周 期性的变化，其键角不变。 当分子中原子数 >＝3 时，可产生对称伸缩振动
键或官能团的吸收频率，这种现象叫诱导效应。
诱导效应的影响沿着分子中的化学键而传递，
与分子的几何形状无关。
羰基碳上的 电负性基团使羰基伸缩振动吸收峰
向高频方向移动（蓝移）。
O R－C－R O R－C－Cl O F－C－F O CH3－C－O－CH＝CH2 为什么 ？ vC=O 1770cm－1 1928cm-1 1800cm-1 1715cm-1 O R－C－H O R－C－F O R－C－NH2 1680cm-1 O CH3－C－O－CH2CH3 1734cm－1 1920cm-1 1730cm -1
例：水分子（非线性分子）。 振动自由度数 ＝ 3 × 3 － 6 ＝ 3
3600～3000cm－1
1647cm－1
990~400cm－1
例:
CO2分子（线性分子）。 振动自由度＝ 3×3－5 ＝ 4
2349 cm－1
667 cm-1
3.1.3 红外吸收峰强度
intensity of Infrared absorption band （一）红外吸收峰强度的表示方法
O R－ C
H－ NH C－ R O
1690 cm－1 3500 cm－1 1650 cm－1
HN－ H
游离：
vC＝O vN－H
红外光谱分析
红外光谱分析红外光谱与分子的结构密切相关，是研究表征分子结构的一种有效手段，与其它方法相比较，红外光谱由于对样品没有任何限制，它是公认的一种重要分析工具。
在分子构型和构象研究、化学化工、物理、能源、材料、天文、气象、遥感、环境、地质、生物、医学、药物、农业、食品、法庭鉴定和工业过程控制等多方面的分析测定中都有十分广泛的应用。
红外光谱可以研究分子的结构和化学键，如力常数的测定和分子对称性等，利用红外光谱方法可测定分子的键长和键角，并由此推测分子的立体构型。
根据所得的力常数可推知化学键的强弱，由简正频率计算热力学函数等。
分子中的某些基团或化学键在不同化合物中所对应的谱带波数基本上是固定的或只在小波段范围内变化，因此许多有机官能团例如甲基、亚甲基、羰基，氰基，羟基，胺基等等在红外光谱中都有特征吸收，通过红外光谱测定，人们就可以判定未知样品中存在哪些有机官能团，这为最终确定未知物的化学结构奠定了基础。
由于分子内和分子间相互作用，有机官能团的特征频率会由于官能团所处的化学环境不同而发生微细变化，这为研究表征分子内、分子间相互作用创造了条件。
分子在低波数区的许多简正振动往往涉及分子中全部原子，不同的分子的振动方式彼此不同，这使得红外光谱具有像指纹一样高度的特征性，称为指纹区。
利用这一特点，人们采集了成千上万种已知化合物的红外光谱，并把它们存入计算机中，编成红外光谱标准谱图库，人们只需把测得未知物的红外光谱与标准库中的光谱进行比对，就可以迅速判定未知化合物的成份。
下面将对红外光谱分析的基本原理做一个简单的介绍。
红外吸收光谱是物质的分子吸收了红外辐射后，引起分子的振动- 转动能级的跃迁而形成的光谱，因为出现在红外区，所以称之为红外光谱。
利用红外光谱进行定性定量分析的方法称之为红外吸收光谱法。
红外辐射是在1800年由英国的威廉.赫谢(Willian Hersher) 尔发现的。
一直到了1903 年，才有人研究了纯物质的红外吸收光谱。
第6章 红外分光光度法(第3节光谱图).
例题6-6 N,N-二丙氰基胺(liquid film )
cm-1 T% 3331 18 2950 17 2930 13 2248 7 1674 8 1477 15 1421 6 1364 18 1134 5 765 22 官能团 振动形式 N-H vN-H 伸缩振动 C-H C≡N N-H C-H C-N N-H vC-H 伸缩振动 vC≡N 伸缩振动 βN-H 面内变形振动
βC-H 面内变形振动
vC-N 伸缩振动 γN-H 面外变形振动
H C C N H C H H H H N C H H C C N H
例题6-7 苯乙酮(liquid film)
泛频峰 φ-H
3006
1150 1181 1430 1025 1583 956 1450 1599 761 588 1360 691 1686 1257
例题6-7 苯乙酮(liquid film)
σ/cm-1 3006 泛频峰 1686 1599,1583 1450,1430, 1360 1257 1180,1150,1025,956 761,691, 588 官能团 C-H 苯环 C=O 共轭φC=C CH3 φ-C φ-H φ-H 振动形式 伸缩振动 复合振动 伸缩振动 骨架振动 剪式振动(对称、反称) 伸缩振动 面内变形振动 面外变形振动
CH3 CH2 OH
6.3.3 醚醇酚类：己醇-1
CH3 (CH2)5
OH
6.3.3 醚醇酚类：辛醇-1
CH3 (CH2)7
OH
6.3.3 醚醇酚类：环己醇
6.3.3 醚醇酚类：苯酚
6.3.4 羰基化合物：丙酮
6.3.4 羰基化合物：苯乙酮
6.3.4 羰基化合物：3-丁烯酮-2
红外光谱法(仪器分析课件)
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目录
Contents
1 红外光谱法基本原理 2 红外光谱仪 3 红外光谱实验技术 4 红外光谱仪虚拟仿真训练 5 红外光谱法在结构分析中的应用
红外光谱法
能力目标
• 能够熟练的操作傅立叶红外光谱仪； • 能够根据样品的状态、性质选择合适
的样品处理方法； • 能够根据谱图确定常见有机化合物的
—NH2，—NH（游离） —NH2，—NH（缔合）
—SH
C—H伸缩振动
一
不饱和C—H
≡C—H（叁键） ═C—H（双键） 苯环中C—H
区
饱和C—H
域
—CH3 —CH3
—CH2
—CH2
吸收频率 （cm-1）
3650—3580 3400—3200 3500—3300 3400—3100 2600—2500
近红外、中红外、远红外区域。
概述
红外谱图的表示法
样品的红外吸收曲线称为红外吸收光谱，多用百分透射比与波数或百分透
射比与波长曲线来描述。
纵坐标为吸收强度，横坐标为波长λ （μm）和波数1/λ，单位：cm-1
有机化合物的结构解析；定性（基团的特征吸收频率）；定量（特征峰的强度）
红外光谱法原理 红外吸收光谱产生的条件
C=O、C=C、C=N、NO2、苯环等的伸缩振动
1500~400cm-1
C－C、C－O、C－N、C－X等的伸缩振动及含氢基团的弯曲振动
• 基团特征频率区的特点和用途
• 吸收峰数目较少，但特征性强。不同化合物中的同种基团振动吸收 总是出现在一个比较窄的波数范围内。
• 主要用于确定官能团。
• 指纹区的特点和用途
振动形式
伸缩 伸缩 伸缩 伸缩 伸缩
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热检测器最常见的是热电偶。
将两片金属铋熔融到另一不同金属如锑的两端，就有了两个 连 接点。两接触点的电位随温度变化而变。检测端接点做成黑色置 于真空舱内，有一个窗口对红外光透明。参比端接点在同一舱内 并不受辐射照射，则两接点间产生温差。热电偶可检测10-6K的温 度变化。
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红外光谱仪的组成
红外光谱仪与紫外-可见分光光度计的组成基本相同，由光源、样 品室、单色器以及检测器等部分组成。两种仪器在各元件的具体材 料上有较大差别。色散型红外光谱仪的单色器一般在样品池之后。
光源 一般分光光度计中的氘灯、钨灯等光源能量较大，要观察分子
的振动能级跃迁，测定红外吸收光谱，需要能量较小的光源。黑体 辐射是最接近理想光源的连续辐射。满足此要求的红外光源是稳定 的固体在加热时产生的辐射，常见的有如下几种。
第七章
红外吸收光谱
分析法
一、仪器类型与结构
infrared absorption spec-
types and structure of instruments
troscopy，IR
二、制样方法
第三节 红外分光光度计
infrared absorption spectrometer
sampling methods
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红外光谱仪的组成
检测器 红外检测器有热检测器、热电检测器和光电导检测
器三种。前两种用于色散型仪器中，后两种在傅立叶变 换红外光谱仪中多见。 热检测器 热检测器依据的是辐射的热效应。辐射被一小
的黑体吸收后，黑体温度升高，测量升高的温度可检 测红外吸收。以热检测器检测红外辐射时，最主要的 是要防止周围环境的热噪声。一般使用斩光器使光源 辐射断续照射样品池。
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光电导检测器 光电导检测器采用半导体材料薄膜，如Hg-
Cd-Te或PbS或InSb，将其置于非导电的玻璃表面密闭于真空舱内。 则吸收辐射后非导电性的价电子跃迁至高能量的导电带，从而降低 半导体的电阻，产生信号。Hg-Cd-Te缩写为MCT，该检测器用于中 红外区及远红外区，需冷至液氮温度(77K)以降低噪声。这种检测器 比热电检测器灵敏，在FT-IR及GC/FT-IR仪器中获得广泛应用。 此外，PbS检测器用于近红外区室温下的检测。
碳化硅棒 尺寸为50x5mm,工作温度1300-1500K。与能斯特灯相反, 碳化硅棒具有正的电阻温度系数,电触点需水冷以防放电。其辐射 能量与能斯特灯接近,但在>2000cm-1区域能量输出远大于能斯特 灯。
白炽线圈 用镍铬丝螺旋线圈或铑线做成。工作温度约1100K。其辐 射能量略低于前两种，但寿命长。一般近红外区的光源用钨灯即 可，远红外区用水银放电灯作光源。
单色器由色散元件、准直镜和狭缝构成。 色散元件常用复制的闪耀光栅。由于闪耀光栅存在次级光谱的干 扰，因此，需要将光栅和用来分离次光谱的滤光器或前置棱镜结合起来使用。 4 . 检测器
常用的红外检测器有 高真空热电偶、热释电检测器和碲镉汞检测器。 5.记录系统
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2. 傅里叶变换红外光谱仪结构框图
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2 . 吸收池 因玻璃、石英等材料不能透过红外光，红外吸收池要用 可透过红
外光的NaCl、KBr、CsI、KRS-5（TlI 58%，TlBr42%）等材料制成窗片。 用NaCl、KBr、CsI等材料制成的窗片需注意防潮。固体试样常与纯KBr 混匀压片，然后直接进行测定。 3 . 单色器
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。
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右图为Fourier变换 红外光谱仪 工作原理示意图：
仪器中的Michelson 干涉仪的作用是将光源发出 的光分成两光束后，再以不 同的光程差重新组合，发生 干涉现象。当两束光的光程 差为/2的偶数倍时，则落在 检测器上的相干光相互叠加， 产生明线，其相干光强度有 极大值；相反，当两束光的 光程差为/2的奇数倍时，则
三、联用技术
hyphenated technology
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一、仪器类型与结构
types and structure of instruments
两种类型：色散型 干涉型（傅立叶变换红外光谱仪）
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1. 内部结构
Nicolet公司的 AVATAR 360 FT-IR
干涉仪
样品室
检测器
光源
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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
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能斯特灯 能斯特灯的材料是稀土氧化物，作成圆筒状(20x2 mm)， 两端为铂引线。其工作温度为1200-2200K。此种光源具有很大的 电阻负温度系数，需要预先加热并设计电源电路能控制电流强度， 以免灯过热损坏。它的特点是发射强度高，使用寿命长，稳定性较好。
缺点是价格比硅碳棒贵，机械强度差，操作不如硅碳棒方便。
热电检测器 热电检测器使用具有特殊热电性质的绝缘体，
一般采用热电材料的单晶片，如硫酸三甘氨酸酯TGS (triglycine sulfate, (NH2CH2COOH)3·H2SO4。氘代或部分甘氨酸被丙氨酸代替)。 在电场中放一绝缘体会使绝缘体产生极化，极化度与介电常数成正 比。但移去电场，诱导的极化作用也随之消失。而热电材料即使移 去电场，其极化也并不立即消失，极化强度与温度有关。当辐射照 射时，温度会发生变化，从而影响晶体的电荷分布，这种变化可以 被检测。热电检测器通常作成三明治状。将热电材料晶体夹在两片 电极间，一个电极是红外透明的，容许辐射照射。辐射照射引起温 度变化，从而晶体电荷分布发生变化，通过外部连接的电路可以测 量。电流的大小与晶体的表面积、极化度随温度变化的速率成正比。 当热电材料的温度升至某一特定值时极化会消失，此温度称为居里 点。TGS的居里点为47 ℃。热电检测器的响应速率很快，可以跟踪 干涉仪随时间的变化，故多用于傅立叶变换红外光谱仪中。