材料分析测试第十一章红外吸收光谱分析法.ppt

第十一章第十一章 红外吸收光谱分析法红外吸收光谱分析法p第一节第一节 红外光谱基本原理红外光谱基本原理p第二节第二节 红外光谱仪红外光谱仪p第三节第三节 红外光谱的实验技术红外光谱的实验技术p第四节第四节 红外光谱的应用红外光谱的应用Infrared absorption spectroscopy西南科技大学西南科技大学 张宝述张宝述spectrometry1第一节第一节 红外光谱基本原理红外光谱基本原理p一、红外光谱的形成和红外区的分类一、红外光谱的形成和红外区的分类 红外吸收光谱图（红外吸收光谱图（Infrared absorption spectrum)，简称，简称“红外光谱红外光谱”，IRp1.红外光谱的形成红外光谱的形成 红外光谱是物质对红外辐射产生共振吸收，用红外光谱是物质对红外辐射产生共振吸收，用仪器记录下来所得到的图谱。仪器记录下来所得到的图谱。22.红外区的分类红外区的分类 p不同区所用仪器不同，获得的知识各异。不同区所用仪器不同，获得的知识各异。p近红外区近红外区：主要用来研究：主要用来研究O-H、N-H及及C-H键的倍频吸收键的倍频吸收p中红外区中红外区：最为有用，分子的振动能级跃迁：最为有用，分子的振动能级跃迁p远红外区远红外区：分子的纯转动能级跃迁和晶体的晶格振动：分子的纯转动能级跃迁和晶体的晶格振动3二、二、红外红外光谱选律光谱选律p二个能级间电偶极矩改变不为零。二个能级间电偶极矩改变不为零。4三、分子的转动光谱三、分子的转动光谱 p一个分子可以围绕许多不同的轴转动。一个分子可以围绕许多不同的轴转动。p例如，一个简单的例如，一个简单的HCl分子，它可以围绕价键转动，也可以分子，它可以围绕价键转动，也可以围绕通过分子重心并垂直价键的轴转动。在后者的情况下，围绕通过分子重心并垂直价键的轴转动。在后者的情况下，分子偶极发生变化，吸收红外光并以高频率速度转动，从分子偶极发生变化，吸收红外光并以高频率速度转动，从而在红外光谱区出现吸收。而在红外光谱区出现吸收。5p非极性双原子分子非极性双原子分子转动时，因偶极不变化，故不吸收也不转动时，因偶极不变化，故不吸收也不发射光，发射光，无转动光谱无转动光谱。p极性双原子分子极性双原子分子，允许转动能量跃迁的选律是，允许转动能量跃迁的选律是 J 1，但，但在吸收光谱中，在吸收光谱中，J-1无意义无意义。p对于刚性双原子分子：对于刚性双原子分子：p1）转动能级的距离是不等的；）转动能级的距离是不等的；p2）以波数表示时，转动光谱应该是一系列等距离的谱线；）以波数表示时，转动光谱应该是一系列等距离的谱线；p3）用转动光谱可以）用转动光谱可以算出算出分子的分子的转动惯量转动惯量和和键长键长；p4）轻的分子轻的分子转动惯量小，谱线波长较短，它们的转动光转动惯量小，谱线波长较短，它们的转动光谱在谱在远红外区远红外区，重的分子重的分子转动光谱则落在转动光谱则落在微波区微波区。分子的转动光谱分子的转动光谱J-转动量子数转动量子数刚性转子模型刚性转子模型6四、分子的振动光谱四、分子的振动光谱 p振动能级跃迁时，伴随转动能级的跃迁，所以无法测得纯振动能级跃迁时，伴随转动能级的跃迁，所以无法测得纯粹的振动光谱，得到的只能是分子的粹的振动光谱，得到的只能是分子的振动振动-转动光谱转动光谱（振振-转光谱转光谱，一般直接称为，一般直接称为振动光谱振动光谱）。）。p以以HCl为例。若组成为例。若组成HCl分子的氢原子和氯原子以较小的分子的氢原子和氯原子以较小的振幅围绕其平衡位置振动，则可近似地把它看作是振幅围绕其平衡位置振动，则可近似地把它看作是一维谐一维谐振子振子。双原子分子振动双原子分子振动平衡状态平衡状态伸缩振动伸缩振动7p双原子分子谐振子模型的选律双原子分子谐振子模型的选律p1)非非极极性性的的同同核核双双原原子子分分子子在在振振动动过过程程中中偶偶极极距距不不发发生生变化，变化，n0，无振动光谱。，无振动光谱。p2)极性分子极性分子 n 1。p非谐振子的选律非谐振子的选律p量子力学证明，非谐振子的选律不再局限于量子力学证明，非谐振子的选律不再局限于 n l，它可，它可以等于任何其它整数值即：以等于任何其它整数值即：n l，2，3。p这就是为什么在红外光谱图上除了可以观察到较强的基频这就是为什么在红外光谱图上除了可以观察到较强的基频吸收外，还可以观察到弱的吸收外，还可以观察到弱的倍频倍频和和组频组频等泛音吸收的缘故等泛音吸收的缘故。双原子分子振动的选律双原子分子振动的选律n振动量子数振动量子数8振动光谱的用途振动光谱的用途p（1）当把双原子分子看成是一谐振子时，只要知道力常）当把双原子分子看成是一谐振子时，只要知道力常数数k，即可求出吸收位置，即可求出吸收位置v(cm-1)。反过来，可由振动光谱求价键的力常数。反过来，可由振动光谱求价键的力常数。力常数是衡量价键性质的一个重要参量力常数是衡量价键性质的一个重要参量。p（2）测定同位素的质量）测定同位素的质量。p（3）获得具有相同原子对的单键、双键和叁键的吸收位）获得具有相同原子对的单键、双键和叁键的吸收位置间的关系置间的关系。双原子分子伸缩振动频率双原子分子伸缩振动频率9如果振动频率用波数表示，则为如果振动频率用波数表示，则为 若以相对原子质量（简称若以相对原子质量（简称“原子量原子量”）代替原子质量，）代替原子质量，那么上式可简化为那么上式可简化为式中，式中，M折合原子量，折合原子量，M1和和M2分别为两原子的原子量。分别为两原子的原子量。c真空中光速，真空中光速，3 1010cm s-1N阿伏加德罗常数，阿伏加德罗常数，6.023 1023 mol-110常见化学键的伸缩力常数（常见化学键的伸缩力常数（N cm-1）键力常数以前的单位：mdyn-11dyn=10-5N，1=10-8cm11例例1 计算计算HCl的伸缩振动频率。（的伸缩振动频率。（kHCl=5.16N cm-1）p解：p实测HCl的红外吸收峰为2885.9cm-1，因此计算值与实验值较接近。12例例2 计算复杂分子中计算复杂分子中CH键的伸缩振动频率。键的伸缩振动频率。（kCH=5.0N cm-1）p解：p实际上在烯烃和芳烃中的碳氢键伸缩振动频率=CH在3030附近；在饱和碳氢化合物中，-CH3的as在2960cm-1，s在2860cm-1。-CH2的as在2930cm-1，s在2850cm-1。13例例3 计算羰基的伸缩振动频率。（计算羰基的伸缩振动频率。（kC=O=12N cm-1）p解：p实际上羰基化合物的-C=O为：羧基1760cm-1，酯基1735cm-1，醛基1725cm-1，酮基1715cm-1。14p运动自由度运动自由度：一个自由运动的原子，它运动的自由度是：一个自由运动的原子，它运动的自由度是3，因为真正独立的坐标只有，因为真正独立的坐标只有3个。个。p简正振动：简正振动：分子真实的振动是复杂的，但在一定条件下分子真实的振动是复杂的，但在一定条件下作为很好的近似，分子一切可能的任意复杂的振动方式作为很好的近似，分子一切可能的任意复杂的振动方式都可以看成是有限数量的相互独立的和比较简单的振动都可以看成是有限数量的相互独立的和比较简单的振动方式的迭加，这些比较简单的振动称为方式的迭加，这些比较简单的振动称为简正振动简正振动。p振动自由度振动自由度：分子的简正振动数目称为：分子的简正振动数目称为振动自由度。振动自由度。由由N个原子组成的分子有（个原子组成的分子有（3N-6）个个简正振动简正振动模式模式线型分线型分子为（子为（3N-5）个个。运动自由度运动自由度3N-平动自由度平动自由度3-转动自由度转动自由度3（线型（线型2）多原子分子的振动光谱多原子分子的振动光谱15多原子分子的自由度Degrees of freedom for polyatomic moleculesType of degrees of freedomLinearNon-linearTranslational33Rotational23Vibrational3N-53N-6Total3N3N16非线性分子非线性分子H2O的振动自由度的振动自由度3N-6=33-6=3水的红外光谱水的红外光谱17 线型线型CO2分子的振动自由度分子的振动自由度3N-533-54极性双原子分子极性双原子分子HCl为为32-5=1（伸缩振动）（伸缩振动）1红外非活性，拉曼活性红外非活性，拉曼活性 2、4二重简并二重简并二氧化碳的红外光谱二氧化碳的红外光谱18p在振动过程中，分子电偶极距发生改变的振动才能吸收红在振动过程中，分子电偶极距发生改变的振动才能吸收红外光子的能量，产生红外吸收谱带，这种振动称为外光子的能量，产生红外吸收谱带，这种振动称为红外活红外活性振动（性振动（infrared-active vibration），反之称为，反之称为红外非活红外非活性振动（性振动（infrared-inactive vibration），这就是振动光谱，这就是振动光谱的的红外跃迁的选择定则（红外跃迁的选择定则（selection rule）。p如如CO2的的 1不伴随偶极变化，无红外光谱不伴随偶极变化，无红外光谱出现在拉曼光谱出现在拉曼光谱中中p多原子分子的选择定则（判断振动是否红外活性、是否拉多原子分子的选择定则（判断振动是否红外活性、是否拉曼活性）与其对称性有关，运用曼活性）与其对称性有关，运用群论方法群论方法可以确定各种分可以确定各种分子振动红外跃迁的选择定则子振动红外跃迁的选择定则。红外光谱（振动光谱）的选择定则（选律）红外光谱（振动光谱）的选择定则（选律）19简正振动模式（简正振动模式（Normal Modes of Vibration）p伸伸缩缩振振动动：键键长长发发生生变变化化，键键角角不不变变。又又分分为为对对称称伸伸缩缩振振动动和和不不（反）对称伸缩振动反）对称伸缩振动；p弯曲振动弯曲振动（又称（又称变形振动变形振动）：键长不变，键角发生变化。）：键长不变，键角发生变化。p平面分子（或基团）的弯曲振动又分为平面分子（或基团）的弯曲振动又分为面内弯曲振动面内弯曲振动（在（在组成原子所构成的平面内振动）组成原子所构成的平面内振动）和面外弯曲振动和面外弯曲振动（振动垂（振动垂直于组成原子所构成的平面）。直于组成原子所构成的平面）。20简正振动的某些特殊叫法简正振动的某些特殊叫法p呼吸振动呼吸振动：一种完全对称的伸缩振动，通常出现在环化：一种完全对称的伸缩振动，通常出现在环化物中，例如苯环的呼吸振动。物中，例如苯环的呼吸振动。亚甲基的各种振动形式亚甲基的各种振动形式（“+”表示运动方向垂直纸面向里，表示运动方向垂直纸面向里，“”表示运动方向垂直纸面向外）表示运动方向垂直纸面向外）scissoringRockingWaggingTwisting（扭动）（扭动）symmetricasymmetricantisymmetricstretching vibration Bending(deformation,variable angle)vibration 21简并与分裂简并与分裂 p在多原子分子的简正振动中，有时两个或三个振动模式不在多原子分子的简正振动中，有时两个或三个振动模式不同的简正振动具有相同的频率，此时在红外光谱上成为一同的简正振动具有相同的频率，此时在红外光谱上成为一个吸收峰出现，这种现象称为个吸收峰出现，这种现象称为简并简并。p如如CO2的的v2和和v4，虽然振动形式不同，但振动频率相同，虽然振动形式不同，但振动频率相同，发生简并。发生简并。p简并有二重简并、三重简并等。简并有二重简并、三重简并等。p一般说来，分子（基团）的对称性愈高，简并愈多。一般说来，分子（基团）的对称性愈高，简并愈多。p某些基团处于某些结构中，因其对称性降低，简并的吸收某些基团处于某些结构中，因其对称性降低，简并的吸收带分裂开来，这种现象称为带分裂开来，这种现象称为分裂分裂。22多原子分子吸收带的数目多原子分子吸收带的数目p多原子分子的简正振动模式虽有多原子分子的简正振动模式虽有3N-6(或或3N-5)，但因，但因p（1）某些振动模式不伴随偶极矩变化（红外非活性），）某些振动模式不伴随偶极矩变化（红外非活性），没有红外吸收；没有红外吸收；p（2）某些振动频率相同，发生简并；）某些振动频率相同，发生简并；p（3）仪器的分辨度限制，一些频率很相近的吸收带，以）仪器的分辨度限制，一些频率很相近的吸收带，以及强度很弱的吸收带，无法在光谱上分开或显示；及强度很弱的吸收带，无法在光谱上分开或显示；p所以在复杂分子（或晶体）的红外光谱中，观测到的基频所以在复杂分子（或晶体）的红外光谱中，观测到的基频吸收带数目常少于根据吸收带数目常少于根据3N-6（或（或3N-5）所确定的振动数目。）所确定的振动数目。23倍频、组频、振动偶合、费米共振倍频、组频、振动偶合、费米共振p倍频峰倍频峰（或称（或称泛音峰泛音峰）：出现在强峰基频约二倍、三倍等处的吸收峰，）：出现在强峰基频约二倍、三倍等处的吸收峰，一般都是弱峰。例如羰基的伸缩振动强吸收在一般都是弱峰。例如羰基的伸缩振动强吸收在1715cm-1处，它的倍处，它的倍频出现在频出现在3430 cm-1附近（和附近（和OH伸缩振动吸收区重叠）。有二倍频、伸缩振动吸收区重叠）。有二倍频、三倍频等。三倍频等。p组（合）频峰组（合）频峰：也是弱峰，它出现在两个或多个基频之和或差附近，：也是弱峰，它出现在两个或多个基频之和或差附近，例如，基频为例如，基频为Xcm-1和和Ycm-1的两个峰，它们的组频峰出现在的两个峰，它们的组频峰出现在(XY)cm-1（和频和频）或）或(XY)cm-1（差频差频）附近。）附近。p振动耦合振动耦合：当相同的两个基团在分子中靠得很近时，其相应的特征吸：当相同的两个基团在分子中靠得很近时，其相应的特征吸收峰常发生分裂，形成两个峰，这种现象称振动耦合。收峰常发生分裂，形成两个峰，这种现象称振动耦合。p费米共振费米共振：当倍频峰或组频峰位于某强的基频吸收峰附近时，弱的倍：当倍频峰或组频峰位于某强的基频吸收峰附近时，弱的倍频峰或组频峰的吸收强度常常被大大强化，这种倍频峰或组频峰与基频峰或组频峰的吸收强度常常被大大强化，这种倍频峰或组频峰与基频峰之间的耦合，称费米共振。频峰之间的耦合，称费米共振。24五、分子的振五、分子的振-转光谱转光谱 p在振动能级跃迁时，总是伴随着转动能级的跃迁发生。因在振动能级跃迁时，总是伴随着转动能级的跃迁发生。因此当用红外光照射分子时，测不到单根的纯振动谱线，而此当用红外光照射分子时，测不到单根的纯振动谱线，而是由多根相隔很近的谱线是由多根相隔很近的谱线(转动吸收转动吸收)所组成的吸收带。所组成的吸收带。p利用高分辨的红外光谱来测定利用高分辨的红外光谱来测定低压简单气体分子低压简单气体分子的红外光的红外光谱可以很清楚地看到这种精细结构。谱可以很清楚地看到这种精细结构。p对于大多数多原子分子来说，由于分子的转动惯量较大，对于大多数多原子分子来说，由于分子的转动惯量较大，它们的转动能级间距都比较小，气态测定时将看不到这种它们的转动能级间距都比较小，气态测定时将看不到这种转动精细结构，得到的只是不易分辨的谱线包封。转动精细结构，得到的只是不易分辨的谱线包封。p如果是以液态或溶液或固态进行测定，则由于分子间的碰如果是以液态或溶液或固态进行测定，则由于分子间的碰撞，分子的转动受到了很大妨碍，那就连转动谱线的包封撞，分子的转动受到了很大妨碍，那就连转动谱线的包封也消失了。也消失了。25甲烷气体的振甲烷气体的振-转吸收光谱转吸收光谱氯化氢气体的振氯化氢气体的振-转吸收光谱转吸收光谱非极性分子，出现非极性分子，出现Q支支极性分子，不出现极性分子，不出现Q支支26甲醇蒸气在甲醇蒸气在10001100cm-1区的吸收区的吸收液态甲醇在液态甲醇在10001100cm-1区的吸收区的吸收转动谱线包封转动谱线包封转动谱线的包封也消失了转动谱线的包封也消失了27六、红外光谱峰位（吸收带位置）的影响因素六、红外光谱峰位（吸收带位置）的影响因素 p分子中一个特定的基团（或化学键）只有在和周围环境完分子中一个特定的基团（或化学键）只有在和周围环境完全没有力学或电学偶合的情况下全没有力学或电学偶合的情况下，它的键力常数，它的键力常数k值才固值才固定不变。定不变。一切能引起一切能引起k值改变的因素都会影响峰位变化。值改变的因素都会影响峰位变化。p归纳起来主要有归纳起来主要有两类：与测定状态有关的外因和与分子结两类：与测定状态有关的外因和与分子结构本身有关的内因。构本身有关的内因。p外因外因：同一物质的气体、液体（纯液体、溶液）和固体样：同一物质的气体、液体（纯液体、溶液）和固体样品的同一振动模式的红外吸收的峰位不同。气体的压力不品的同一振动模式的红外吸收的峰位不同。气体的压力不同、溶液的浓度不同、测试时的温度不同等也会影响到峰同、溶液的浓度不同、测试时的温度不同等也会影响到峰位。位。p内因内因：组成基团（化学键）的原子质量、离子电价、配位：组成基团（化学键）的原子质量、离子电价、配位数、原子间距、空间构型、基团所处的化学环境（与之相数、原子间距、空间构型、基团所处的化学环境（与之相连的原子的半径、电负性、电价等）等。连的原子的半径、电负性、电价等）等。28p对于无机物（矿物）中的基团（化学键）来说：对于无机物（矿物）中的基团（化学键）来说：p离子电价离子电价：阴离子和阳离子的电价升高，使键强相对增大，：阴离子和阳离子的电价升高，使键强相对增大，从而分子从而分子(基团）振动频率增高。这里起主要作用的是阳基团）振动频率增高。这里起主要作用的是阳离子，其电价变化为离子，其电价变化为16。阳离子电价与伸缩频率阳离子电价与伸缩频率(cm-1)的关系的关系29p配位数配位数：阳离子配位数增加后，离子间距加大，键强减：阳离子配位数增加后，离子间距加大，键强减弱，从而使振动频率降低。弱，从而使振动频率降低。四面体及八面体配位的金属四面体及八面体配位的金属-氧伸缩频率范围（氧伸缩频率范围（cm-1）30p原子质量原子质量 组成原子(包括阳离子和阴离子)的质量大，振动频率低。原子间距原子间距 XOn基团内X-O原子间距增大，键强减弱，于是振动频率降低。周围的化学环境周围的化学环境等31p对于有机化合物来说，主要有：对于有机化合物来说，主要有：诱导效应诱导效应 共轭效应共轭效应 键应力的影响键应力的影响 氢键的影响氢键的影响 偶合效应偶合效应 物态变化的影响物态变化的影响32诱导效应诱导效应 在具有一定极性的共价键中，或组成共价键的两个原子在具有一定极性的共价键中，或组成共价键的两个原子上带有高电负性取代基时，会产生静电诱导作用，引起分子上带有高电负性取代基时，会产生静电诱导作用，引起分子中电荷分布的变化，从而改变振动的键力常数，使得峰位移中电荷分布的变化，从而改变振动的键力常数，使得峰位移动。动。使振动的化学键电子密度降低的诱导效应，会使峰位移使振动的化学键电子密度降低的诱导效应，会使峰位移向低波数方向。向低波数方向。共轭效应共轭效应 这一效应使共轭体系中的电子云密度平均化，双键略伸这一效应使共轭体系中的电子云密度平均化，双键略伸长，单键略缩短，单键键力常数增大，双键键力常数减长，单键略缩短，单键键力常数增大，双键键力常数减小小，从而使相应谱带位移向高波数或低波数方向。从而使相应谱带位移向高波数或低波数方向。33键应力的影响键应力的影响例如，脂环上的羰基振动受环张力大小的影响，三元环比四元环上的羰例如，脂环上的羰基振动受环张力大小的影响，三元环比四元环上的羰基的峰位波数高。基的峰位波数高。氢键的影响氢键的影响当分子中有当分子中有O、N、F等原子时能形成氢键，氢键的形成往往使基团的等原子时能形成氢键，氢键的形成往往使基团的吸收频率降低，谱峰变宽。如含吸收频率降低，谱峰变宽。如含-OH的化合物在低浓度时伸缩振动的峰的化合物在低浓度时伸缩振动的峰位在位在3640cm-1，当浓度提高时，由于形成氢键而缔合，使峰位移到，当浓度提高时，由于形成氢键而缔合，使峰位移到3300cm-1，且峰变宽。，且峰变宽。偶合效应偶合效应当两个频率相同或相近的基团相关联时会发生偶合作用，分裂成两个，当两个频率相同或相近的基团相关联时会发生偶合作用，分裂成两个，一个频率比原来的谱带高一点，另一个低一点。一个频率比原来的谱带高一点，另一个低一点。如酸酐类化合物，在它的如酸酐类化合物，在它的CO伸缩振动频率区出现两条谱带。伸缩振动频率区出现两条谱带。34第二节第二节 红外光谱仪红外光谱仪p一、红外光谱仪分类一、红外光谱仪分类p二、红外光谱仪的发展简史二、红外光谱仪的发展简史p三、色散型红外分光光度计三、色散型红外分光光度计p四、干涉型傅里叶变换红外光谱仪（四、干涉型傅里叶变换红外光谱仪（FTIR）35一、红外光谱仪分类一、红外光谱仪分类p测量和记录红外光谱的仪器称为测量和记录红外光谱的仪器称为红外光谱仪（红外光谱仪（Infrared spectrometer）。p按分光原理，可分为两大类：按分光原理，可分为两大类：色散型色散型和和干涉型干涉型。p色散型仪器，按分光元件不同，又分为色散型仪器，按分光元件不同，又分为棱镜式棱镜式和和光栅式光栅式红红外分光光度计外分光光度计(Infrared spectrophotometer)；按光束可为；按光束可为分分单光束单光束和和双光束双光束红外分光光度计。红外分光光度计。p干涉型红外光谱仪称为干涉型红外光谱仪称为傅里叶变换红外光谱仪傅里叶变换红外光谱仪（FTIR）。）。Fourier-transform infrared spectrometer 36二、红外光谱仪的发展二、红外光谱仪的发展简史简史p20世世纪纪50年年代代，第第一一代代红红外外光光谱谱仪仪棱棱镜镜色色散散型型红红外外分分光光度计；光光度计；p20世世纪纪60年年代代，第第二二代代红红外外光光谱谱仪仪光光栅栅色色散散型型红红外外分分光光度计和计算机化光栅色散型红外分光光度计；光光度计和计算机化光栅色散型红外分光光度计；p20世世纪纪7080年年代代，第第三三代代红红外外光光谱谱仪仪完完善善光光栅栅型型红红外外分分光光光光度度计计和和干干涉涉型型付付里里叶叶变变换换红红外外光光谱谱仪仪，激激光光红红外外分光光度计；分光光度计；p20世纪世纪90年代，多功能联机干涉型付里叶变换红外光谱仪。年代，多功能联机干涉型付里叶变换红外光谱仪。p现代红外光谱仪朝着高精度、多功能以及同其它测试方法现代红外光谱仪朝着高精度、多功能以及同其它测试方法（如热分析、气相色谱、液相色谱等）联机的方向发展。（如热分析、气相色谱、液相色谱等）联机的方向发展。37三、色散型红外分光光度计三、色散型红外分光光度计p双光束色散型红外分光光双光束色散型红外分光光度计由五部分组成：度计由五部分组成：1）光源）光源 2）单色器）单色器 3）检测器）检测器 4）电子放大器）电子放大器 5）记录显示装置）记录显示装置色散型双光束红外分光光度计方块图色散型双光束红外分光光度计方块图38美国美国PE公司公司983G 红外分光光度计红外分光光度计环境与资源学院中心实验室环境与资源学院中心实验室39红外分光光度计红外分光光度计 主要技术指标：主要技术指标：波长范围波长范围 4000-400cm-1 波数精度波数精度 4cm-1（4000-2000cm-1）2cm-1（2000-400cm-1）分辨能力分辨能力 1.5cm-1(1000cm-1)附近附近 透过率精度透过率精度 0.2%T(不含噪声电平不含噪声电平)Io线平直度线平直度 2%T 杂散光杂散光 0.5%T（4000-650cm-1）1%T（650-400cm-1）天津港东科技发展有限公司天津港东科技发展有限公司 40组成组成:p光学测量系统：测量收集数据光学测量系统：测量收集数据p计算机数据处理系统：处理数据和控制仪器运行计算机数据处理系统：处理数据和控制仪器运行p计算机接口及电子线路系统等。计算机接口及电子线路系统等。Basic components of an FTIR spectrometer.四、傅里叶变换红外光谱仪（四、傅里叶变换红外光谱仪（FTIR）Fourier-transform infrared spectrometer41Schematic of a Michelson interferometer.From Stuart,B.,Modern Infrared Spectroscopy,ACOL Series,Wiley,Chichester,UK,1996.University of Greenwich,and reproduced by permission of the University of Greenwich.未调制的入射束光源调制后的出射束定镜动镜激光白光参比干涉仪检测器检测器样品分束器42Interferograms（干涉图）obtained for(a)monochromatic radiation（单色辐射）and(b)polychromatic radiation（多色辐射）.A.J.and Orville-Thomas,W.J.(Eds),Vibrational Spectroscopy Modern Trends,Elsevier,Amsterdam,Figure 2,p.55(1977).经经Fourier-transformation将干将干涉图转换成我们熟悉的光谱图涉图转换成我们熟悉的光谱图43色散型与色散型与FTIR光谱仪性能比较表光谱仪性能比较表与色散型仪器相比，与色散型仪器相比，FTIR最突出的最突出的特点特点是：是：波数范波数范围宽，检测灵敏度高，扫描速度快，可与围宽，检测灵敏度高，扫描速度快，可与TA、GC、LC等联机。等联机。44美国Thermo Nicolet380 傅里叶变换红外光谱仪材料学院实验室材料学院实验室45学校分析测试中心学校分析测试中心美国美国Thermo Nicolet5700 傅里叶变换红外光谱仪傅里叶变换红外光谱仪 46学校分析测试中心学校分析测试中心美国美国PE Spectrum One 傅里叶变换红外光谱仪傅里叶变换红外光谱仪红外显微镜红外显微镜主要技术指标：光谱范围：7800350cm-1分辨率：优于0.5cm-1 波数精度：优于0.01 cm-1信噪比：100000:1 RMS 47Nicolet 6700/8700 智能傅立叶红外光谱仪智能傅立叶红外光谱仪 技术参数技术参数 1.数字化干涉仪，动态调整达数字化干涉仪，动态调整达130,000次次/秒；秒；2.高达高达50000:1信噪比（峰峰值，信噪比（峰峰值，1分钟分钟扫描）扫描）3.光谱范围：光谱范围：27,000-15cm-1；4.分辨率：分辨率：0.09cm-1；0.4cm-1；48第三节第三节 红外光谱的实验技术红外光谱的实验技术p一、样品制备一、样品制备p红外光谱可分析气、液、固样品。红外光谱可分析气、液、固样品。p气体：气体池（槽）气体：气体池（槽）p液体：各规格的液体池（槽）液体：各规格的液体池（槽）p固体样品固体样品：压片法：压片法 糊状法糊状法 薄膜法薄膜法 切片法等。切片法等。49气体池气体池50液体池液体池51压片机压片机压模压模简易压片装置简易压片装置52分散介质和窗片材料分散介质和窗片材料53KBr压片法压片法 p优点优点p（1）背景吸收很小，且无选择性。p（2）样片可以方便地保存，可用于重复研究。p（3）很容易将此技术用于微量研究而不过分增加样品处理的难度。p缺点：缺点：p（1）KBr易吸潮，很难消除吸附水（H2O）的影响。p（2）300cm-1以后产生强烈的吸收。54pKBr压片法的一般操作步骤压片法的一般操作步骤n将样品粉末（约1mg）在玛瑙研钵中磨细，直到无颗粒感为止。n取200mg左右的KBr粉末，放入研钵中与样品一起混合研磨，至无颗粒感为止。n将磨好的样品装入压模中。n将装好样品的压模置于压片机上，加8T左右的压力，保持2分钟左右，减压，取出压模。n将压制好的圆样片（直径13mm）装在样品支架里，即可放入仪器上进行测谱。55p注意事项注意事项pKBr的预处理的预处理 KBr磨细并通过磨细并通过200目筛子，装入坩埚内置于烘箱中在目筛子，装入坩埚内置于烘箱中在200 C左右烘约左右烘约34小时，然后用瓶子装好放在干燥器内备用，这样小时，然后用瓶子装好放在干燥器内备用，这样可基本排除吸附水。可基本排除吸附水。pKBr的用量的用量 KBr的用量不等，直径的用量不等，直径13毫米的压模一般用量为毫米的压模一般用量为100200mg左右，只要压片透明和不破碎即可。定量分析时，则要准左右，只要压片透明和不破碎即可。定量分析时，则要准确称量。确称量。p样品用量样品用量 样品用量要合适，太多，透过率太低，记录的只是宽大的样品用量要合适，太多，透过率太低，记录的只是宽大的钝峰，无法分出细节；太少，吸收带强度太小，弱峰甚至没有。样品钝峰，无法分出细节；太少，吸收带强度太小，弱峰甚至没有。样品用量与样品的种类有关，如，磷酸盐、碳酸盐及硫酸盐矿物，一般用量与样品的种类有关，如，磷酸盐、碳酸盐及硫酸盐矿物，一般0.5mg即可，岛状及链状硅酸盐矿物约即可，岛状及链状硅酸盐矿物约1mg，层状及架状硅酸盐矿物，层状及架状硅酸盐矿物则需则需11.5mg。如果要研究。如果要研究OH-1带，一般几带，一般几mg，甚至，甚至10mg以上，如以上，如各种石棉。各种石棉。p粒度大小粒度大小 为了减少散射，颗粒直径应小于入射光最短波长，故为了减少散射，颗粒直径应小于入射光最短波长，故KBr和样品粒径均应小于和样品粒径均应小于2m。有些样品硬度大，不易磨细，最好加。有些样品硬度大，不易磨细，最好加12滴无水乙醇，研磨滴无水乙醇，研磨1015分钟即可。分钟即可。p样品与样品与KBr应混合均匀，研磨时用力要适度。应混合均匀，研磨时用力要适度。p压片时所加压力要合适。压片时所加压力要合适。p不要污染样品。不要污染样品。p样品不能与样品不能与KBr起反应。起反应。p制样的好坏直接影响到图谱的质量，如质量不好，需重做。制样的好坏直接影响到图谱的质量，如质量不好，需重做。56p红外光谱的送样要求红外光谱的送样要求n送样要明确做红外光谱的目的，要解决什么问题，以送样要明确做红外光谱的目的，要解决什么问题，以及测试的要求和条件。及测试的要求和条件。n试样的精制和前处理试样的精制和前处理 一般对试样中微量不纯物不需要一般对试样中微量不纯物不需要进行精制处理，其主要原因是红外灵敏度较低。如果进行精制处理，其主要原因是红外灵敏度较低。如果不纯物含量超出不纯物含量超出0.11%，就需要精制除去杂质。而，就需要精制除去杂质。而对混合物的定性分析，亦应尽可能地减少组分数。对混合物的定性分析，亦应尽可能地减少组分数。57二、测试模式二、测试模式p测试模式测试模式 透射式（透射式（Transmission Methods）反射式（反射式（Reflectance Methods）p衰减全反射衰减全反射 Attenuated total reflectance(ATR)spectroscopyp镜面反射镜面反射 Specular Reflectance Spectroscopyp漫反射漫反射 Diffuse reflectance(infrared)technique(DRIFT)p微量分析方法（微量分析方法（Microsampling Methods）红外显微镜：透射、反射、成像（红外显微镜：透射、反射、成像（FTIR imaging）等）等58Schematic of a typical attenuated total reflectance cell.From Stuart,B.,Modern Infrared Spectroscopy,ACOL Series,Wiley,Chichester,UK,1996.衰减全反射衰减全反射59Illustration of specular reflectance镜面反射镜面反射60Illustration of diffuse reflectance.漫反射漫反射61高温漫反射附件高温漫反射附件62联机技术联机技术p色谱色谱-红外光谱红外光谱ChromatographyInfrared Spectroscopypgas chromatographyinfrared spectroscopy(GCIR)pliquid chromatography infrared spectroscopy(LC-IR)p热分析热分析-红外光谱红外光谱Thermal AnalysisInfrared pectroscopypThe most common approach is to combine FTIR spectroscopy with a thermal method such as thermogravimetric analysis(TGA，热重分析，热重分析)to obtain an evolved gas analysis(EGA，逸出气体分析，逸出气体分析).63p其它技术（其它技术（Other Techniques）p变温光谱变温光谱Variable-temperature cells,which are controlled to 0.1 C in the range 180 to 250 C,may be used in infrared spectrometers.p发射光谱发射光谱Infrared emission spectroscopy may be carried out by using a heated sample located in the emission port of the FTIR spectrometer as the radiation source.p运程光谱运程光谱Optical fibres may be used in conjunction with infrared spectrometers to carry out remote measurements.The fibres transfer the signal to and from a sensing probe and are made of materials that are flexible and infrared-transparent.p偏振光谱偏振光谱For some samples,dipole moment changes may be in a fixed direction during a molecular vibration and,as such,can only be induced when the infrared radiation is polarized in that direction.Polarized infrared radiation can be produced by using a polarizer consisting of a fine grating of parallel metal wires.This approach is known as linear infrared dichroism.64第四节第四节 红外光谱的应用红外光谱的应用 一、特征振动频率一、特征振动频率 二、矿物（晶体）的红外光谱特点二、矿物（晶体）的红外光谱特点 三、红外光谱图三、红外光谱图 四、红外定性分析四、红外定性分析 五、红外定量分析五、红外定量分析 六、六、其它其它应用实例应用实例 65红外光谱法的特点红外光谱法的特点p主要优点主要优点：（1）应用面广，提供信息多且具有特征性，故把红外光谱称为）应用面广，提供信息多且具有特征性