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(WillianHersher)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。二次世界大战期间，由于对合成橡胶的迫切需求，红外光谱才引起了化学家的重视和研究，并因此而迅速发展。随着计算机的发展，以及红外光谱仪与其它大型仪器的联用，使得红外光谱在结构分析、化学反应机理研究以及生产实践中发挥着极其重要的作用，是“四大波谱”中应用最多、理论最为成熟的一种方法。红外光谱法的特点：1•气态、液态和固态样品均可进行红外光谱测定；2•每种化合物均有红外吸收，并显示了丰富的结构信息；3•常规红外光谱仪价格低廉，易于购置；4•样品用量少：可减少到微克级；5.针对特殊样品的测试要求，发展了多种测量新技术，如：光声光谱（PAS）、衰减反射光谱（ATR），漫反射，红外显微镜等。第一节红外光谱分析基本原理一.红外吸收与振动-转动光谱1.光谱的产生：分子中基团的振动和转动能级跃迁产生振-转光谱，称红外光谱。2.所需能量：近红外（14000-4000cm-1），中红外（4000-400cm-1），远红外（400-10cm-1）3.研究对象：具有红外活性的化合物，即含有共价键、并在振动过程中伴随有偶极矩变化的化合物。4.用途:结构鉴定、定量分析和化学动力学研究等。二、分子振动方程式1.振动频率对于双原子分子，可认为分子中的原子以平衡点为中心，以非常小的振幅作周期性的振动即化学键的振动类似于连接两个小球的弹簧（如下图），可按简谐振动模式处理，由经典力学导出振动频率：双原子分子振动模拟图2.振动能级（量子化）：按量子力学的观点，当分子吸收红外光谱发生跃迁时，要满足一定的要求，即振动能级是量子化的，可能存在的能级满足下式：E振=（V+1/2）hnn：化学键的振动频率；V：振动量子数。任意两个相邻的能级间的能量差为：（用波数表示）其中：K为化学键的力常数，与键能和键长有关；m为双原子的折合质量。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。化学键键强越强（即键的力常数K越大）原子折合质量越小，化学键的振动频率越大，吸收峰将出现在高波数区。键类型-C≡C--C=C--C-C-力常数15-179.5-9.94.5-6.6峰位4.5m6.0m7.0m三、分子的振动形式两类基本振动形式：变形振动和伸缩振动以甲烷为例：弱吸收（W）中等强度吸收（M）甲烷的变形振动强吸收（S）甲烷的伸缩振动四.红外光谱产生的条件1.红外光的频率与分子中某基团振动频率一致；2.分子振动引起瞬间偶极矩变化完全对称分子，没有偶极矩变化，辐射不能引起共振，无红外活性，如：N2、O2、等；非对称分子有偶极矩，属红外活性，如HCl。偶极子在交变电场中的作用可用下图表示：偶极子在交变电场中的作用示意图五.红外光谱峰的位置、峰数与强度1.位置：由振动频率决定，化学键的力常数K越大，原子折合质量m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）；2.峰数：分子的基本振动理论峰数，可由振动自由度来计算，对于由n个原子组成的分子，其自由度为3n3n=平动自由度+振动自由度+转动自由度分子的平动自由度为3，转动自由度为：非线性分子3，线性分子2振动自由度=3n-平动自由度-转动自由度非线性分子:振动自由度=3n-6线性分子:振动自由度=3n-5绝大多数化合物红外吸收峰数远小于理论计算振动自由度，其原因有：无偶极矩变化的振动不产生红外吸收；吸收简并；吸收落在仪器检测范围以外；仪器分辨率低，谱峰重叠等。3．强度:红外吸收的强度与跃迁几率的大小和振动偶极矩变化的大小有关，跃迁几率越大、振动偶极矩越大，则吸收强度越大。4．红外光谱图：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，可以用峰数，峰位，峰形，峰强来描述六.常用的红外光谱术语1.频峰：由基态跃迁到第一激发态，产生的强吸收峰，称为基频峰(强度大)；2.倍频峰：由基态直接跃迁到第二、第三等激发态，产生弱的吸收峰，称为倍频峰；3.合频峰：两个基频峰频率相加的峰;4．Fermi共振:某一个振动的基频与另外一个振动的倍频或合频接近时,由于相互作用而在该基频峰附近出现两个吸收带,这叫做Fermi共振,例如苯甲酰氯只有一个羰基,却有两个羰基伸缩振动吸收带,即1731cm-1和1736cm-1,这是由于羰基的基频(1720cm-1)与苯基和羰基的变角振动(880—860cm-1)的倍频峰之间发生Fermi共振而产生的.Fermi共振的产生使红外吸收峰数增多,峰强加大.5.振动偶合:两个化学键的振动频率相等或接近时,常使这两个化学键的基频吸收峰裂分为两个频率相差较大的吸收峰,这种现象叫做振动偶合.第二节红外光谱的应用一、红外光谱一般解析步骤1.检查光谱图是否符合要求;2.了解样品来源、样品的理化性质、其他分析的数据、样品重结晶溶剂及纯度;3.排除可能的“假谱带”;4.若可以根据其他分析数据写出分子式，则应先算出分子的不饱和度U∪=（2+2n4+n3–n1）/2n4，n3，n1分别为分子中四价，三价，一价元素数目;5.确定分子所含基团计划削减的类型（官能团区4000-1330和指纹区1330-650cm-16.结合其他分析数据，确定化合物的结构单元，推出可能的结构式;7.已知化合物分子结构的验证;8.标准图谱对照;9.计算机谱图库检索。二、定性分析定性分析大致可分为官能团定性和结构定性两个方面定性分析的一般过程：1.试样的分离和精制2.了解与试样性质有关的其它方面的材料3.谱图的解析4.和标准谱图进行对照5.计算机红外光谱谱库及其检索系统6.确定分子的结构三定量分析定量分析的依据是郎伯-比尔定律。红外光谱图中吸收带很多，因此定量分析时,特征吸收谱带的选择尤为重要，除应考虑ε较大之外，还应注意以下几点：（1）谱带的峰形应有较好的对称性性;（2）没有其他组分在所选择特征谱带区产生干扰;（3）溶剂或介质在所选择特征谱带区域应无吸收或基本没有吸收；（4）所选溶剂不应在浓度变化时对所选择特征谱带的峰形产生影响;（5）特征谱带不应在对二氧化碳、水蒸气有强吸收的区域。谱带强度的测量方法主要有峰高（即吸光度值）测量和峰面积测量两种，而定量分析方法很多，视被测物质的情况和定量分析的要求可采用直接计算法、工作曲线法、吸收度比法和内标法等。1.直接计算法这种方法适用于组分简单，特征吸收谱带不重叠。且浓度与吸收成线性关系的样品。直接从谱图上读取吸光度A值，再按朗伯-比尔定律算出组分含量C。这一方法的前提是应先测出样品厚度L及摩尔吸光系数ε值，分析精度不高时，可用文献报道ε值。2．工作曲线法这种方法适用于组分简单，样品厚度一定（一般在液体样品池中进行），特征吸收谱带重叠较少，而浓度与吸光度不成线性关系的样品。3．吸光度比法该发适用于厚度难以控制或不能准确测定其厚度的样品，例如厚度不均匀的高分子膜，糊状法的样品等。这一方法要求各组分的特征吸收谱带相互不重叠，且服从于郎伯—比尔定律。如有二元组分X和Y，根据朗伯-比尔定律，应存在以下关系；由于是在同一被测样品中，故厚度是相同的，其吸光度比R为：式中的K称为吸收系数比。前提是不允许含其他杂质。吸光度比法也适合于多元体系。4．内标法此法适用于厚度难以控制的糊状法、压片法等的定量工作，可直接测定样品中某一组分的含量。具体做法如下：首先，选择一个合适的纯物质作为内标物。用待测组分标准品和内标物配制一系列不同比例的标样，测量它们的吸光度，并用公式计算出吸收系数比k。根据郎伯—比尔定律，待测组分s的吸光度As=εsCsLs内标物I的吸光度AI=εICILI因内标物与待测组分的标准品配成标样后测定，故Ls=LI在配置的标样中Cs、CI都是已知的，As、AI可以从图谱中得到，因此可求得k值。然后在样品中配入一定量的内标物，测其吸光度，即可计算出待测组分的含量Cs。式中，k由标样求得，CI是配入样品中的内标物量，As、AI可以从谱图中得到。如果被测组分的吸光度与浓度不成线性关系，即k值不恒定时，应先做出As/AI与Cs/CI工作曲线。在未知样品中测定吸光度比值后，就可以从工作曲线上得出响应的浓度比值。由于加入的内标物量是已知的，因此就可求得未知组分的含量。第三节红外光谱仪（1）傅里叶变换红外光谱法（FTIR）的基本原理当不同能量的各种光线照射到物体上时都会相互作用而发生能量交换，频率越高的光线能量越大，与物质相互作用也越强烈，根据光线频率由高到低顺序，可把光线分为x射线、紫外线、可见光、红外线、微波、无线电波等波段。当频率最高的x射线与物质相互作用时可使其分子的化学键断裂，紫外线、可见光则使物质分子中的电子发生能级跃迁，而能量较低的红外线只能使分子中的共价键发生振动，能量更低的微波和无线电波只能使分子发生转动或原子核、电子的自旋运动。由于物体发生上述分子内的结构变化时只吸收特定波长的光波，因此把透过物体的光线经过色散，分成不同波长组成的谱带，即可得到吸收光谱图，可以对不同波长光线被物体吸收情况进行研究。常用的吸收光谱有紫外、可见和红外三种。红外光谱仪是利用光的色散原理制成的，当通过物体后的入射光经棱镜、光栅等单色器使光波色散，把复合光分为单色光，并按波长顺序排列到狭缝平面上并由检测器接收其信号，依次对单色光的强度进行测定，即得到样品的吸收光谱图。以前使用的红外光谱仪由于扫描的每一瞬间，只有极窄的一段光波落在检测器上，灵敏度和检测速度均受到限制，而傅立叶变换红外光谱仪利用迈克耳逊干涉仪，使光谱信号作到“多路传输”，并将干涉信号经傅立叶数学变换转换成普通光谱信号，因此能在同一时刻收集光谱中所有频率的信息，在一分钟内能对全部光谱扫描近千次，因此大大提高了灵敏度和工作效率。（2）傅里叶变换红外光谱仪的发展概况1880年迈克耳孙（Michelson）发明了干涉仪，由于检测仪的灵敏度和傅里叶变换（FT）的计算问题，并未投入实际应用。20世纪上叶，WilliamWebberCoblentz领导的美国国家标准技术研究所辐射测量部门率先发表“原子和分子基团在红外波长范围有特征吸收峰”，开始了对红外光谱仪的研究。第二次世界大战对合成橡