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紅外光譜(一):基本原理
编辑 :

天津市能譜科技有限公司

时间: 2018-08-09 浏览量: 113

前言:

紅外其實已經是一種比較成熟的測試手段了,在很多教科書中都能找到。鑒于有很多朋友希望我們能夠進行一些簡單的總結歸納,這裏我們分爲五個部分對紅外光譜進行簡單的分享。今天是第一期,按照慣例,我們將進行一些基本原理的介紹。



1. 什么是光谱技术?有哪些分类,红外属于哪一类?

光譜分析是一種根據物質的光譜來鑒別物質及確定它的化學組成,結構或者相對含量的方法。按照分析原理,光譜技術主要分爲吸收光譜,發射光譜和散射光譜三種;按照被測位置的形態來分類,光譜技術主要有原子光譜和分子光譜兩種。紅外光譜屬于分子光譜,有紅外發射和紅外吸收光譜兩種,常用的一般爲紅外吸收光譜。


2. 红外吸收光谱的基本原理是什么?

分子運動有平動,轉動,振動和電子運動四種,其中後三種爲量子運動。分子從較低的能級E1,吸收一個能量爲hv的光子,可以躍遷到較高的能級E2,整個運動過程滿足能量守恒定律E2-E1=hv。能級之間相差越小,分子所吸收的光的頻率越低,波長越長。


紅外吸收光譜是由分子振動和轉動躍遷所引起的, 组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吸收,不同的化学键或官能团吸收频率不同,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。


紅外光譜法實質上是一種根據分子內部原子間的相對振動和分子轉動等信息來確定物質分子結構和鑒別化合物的分析方法。


分子的轉動能級差比較小,所吸收的光頻率低,波長很長,所以分子的純轉動能譜出現在遠紅外區(25~300 μm。振動能級差比轉動能級差要大很多,分子振動能級躍遷所吸收的光頻率要高一些,分子的純振動能譜一般出現在中紅外區(2.5~25 μm。(注:分子的電子能級躍遷所吸收的光在可見以及紫外區,屬于紫外可見吸收光譜的範疇


值得注意的是,只有當振動時,分子的偶極矩發生變化時,該振動才具有紅外活性(注:如果振動時,分子的極化率發生變化,則該振動具有拉曼活性)


3. 分子的主要振动类型

在中紅外區,分子中的基團主要有兩種振動模式,伸縮振動和彎曲振動。伸縮振動指基團中的原子沿著價鍵方向來回運動(有對稱和反對稱兩種),而彎曲振動指垂直于價鍵方向的運動(搖擺,扭曲,剪式等),如上圖所示。


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(0.75~2.5 μm)、中红外区(2.5~25 μm)和远红外区(25~300 μm)。一般说来,近红外光谱是由分子的倍频、合频产生的;中紅外光譜屬于分子的基頻振動光譜;遠紅外光譜則屬于分子的轉動光譜和某些基團的振動光譜。(注:由于絕大多數有機物和無機物的基頻吸收帶都出現在中紅外區,因此中近紅外光譜儀

紅外區是研究和應用最多的區域,積累的資料也最多,儀器技術最爲成熟。通常所說的紅外光譜即指中紅外光譜)


按吸收峰的来源,可以将中紅外光譜图(2.5~25 μm)大体上分为特征頻率區(2.5~7.7 μm,即4000-1330 cm-1)以及指紋區(7.7~16.7μm,即1330-400 cm-1)两个区域。其中特征頻率區中的吸收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,主要用于鑒定官能團。如羰基,不論是在酮、酸、酯或酰胺等類化合物中,其伸縮振動總是在5.9μm左右出現一個強吸收峰,如譜圖中5.9μm左右有一個強吸收峰,則大致可以斷定分子中有羰基。


指紋區的情况不同,该区峰多而复杂,没有强的特征性,主要是由一些单键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,该区的吸收就有细微的差异。这种情况就像每个人都有不同的指纹一样,因而称为指紋區。指紋區对于区别结构类似的化合物很有帮助


下表所示爲一些特征基團的振動頻率,後面幾期我們會結合實例進行具體分享。



5. 红外光谱是定性分析手段还是定量分析手段?有何应用?

紅外吸收光譜主要用于定性分析分子中的官能團,也可以用于定量分析(較少使用,特別是多組分時定量分析存在困難)。紅外光譜對樣品的適用性相當廣泛,固態、液態或氣態樣品都能應用,無機、有機、高分子化合物都可檢測。


常見的,對于未知産物進行分析時,紅外能夠給出官能團信息,結合質譜,核磁,單晶衍射等其他手段有助于確認産物的結構(應用最廣泛);在催化反應中,紅外,特別是原位紅外有著重要的作用,可以用于確定反應的中間産物,反應過程中催化劑表面物種的吸附反應情況等;通過特定物質的吸附還可以知道材料的性質,比如吡啶吸附紅外可以測試材料的酸種類和酸量等,CO吸附的紅外可以根據其出峰的情況判斷材料上CO的吸附狀態,進而知道催化劑中金屬原子是否是以單原子形式存在等。


6. 红外光谱的解析一般通过什么方法?有哪些重要的数据库?

光譜的解析一般首先通過特征頻率確定主要官能團信息。單純的紅外光譜法鑒定物質通常采用比較法,即與標准物質對照和查閱標准譜的方法,但是該方法對于樣品的要求較高並且依賴于譜圖庫的大小。如果在譜圖庫中無法檢索到一致的譜圖,則可以用人工解譜的方法進行分析,這就需要有大量的紅外知識及經驗積累。大多數化合物的紅外譜圖是複雜的,即便是有經驗的專家,也不能保證從一張孤立的紅外譜圖上得到全部分子結構信息,如果需要確定分子結構信息,就要借助其他的分析測試手段,如核磁、質譜、紫外光譜等。


重要的紅外譜圖數據庫主要有:

Sadtler紅外光譜數據庫:http://www.bio-rad.com/zh-cn/product/ir-spectral-databases

日本NIMC有機物譜圖庫:http://sdbs.db.aist.go.jp/sdbs/cgi-bin/direct_frame_top.cgi

上海有機所紅外譜圖數據庫:http://chemdb.sgst.cn/scdb/main/irs_introduce.asp

ChemExper化學品目錄CDD:http://www.chemexper.com/

FTIRsearch:http://www.ftirsearch.com/

 NIST Chemistry WebBook:http://webbook.nist.gov/chemistry


僅列出部分,歡迎大家補充,謝謝!





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