红外光谱法.ppt

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1、光学分析法光学分析法 Optical Analysis 光光学学分分析析法法是是根根据据物物质质发发射射、吸吸收收电电磁磁辐辐射射或或电电磁磁辐辐射射与与物物质质间间相相互互作作用用而而建建立立起起来来的的一一类类分分析析方方法法。电电磁磁辐辐射射与与物物质质相相互互作作用用的的方方式式有有发发射射、吸吸收收、反反射射、折折射射、散散射射、干干涉涉、衍衍射、偏振等。射、偏振等。电电磁磁辐辐射射（电电磁磁波波）按按其其波波长长可可分分为为不不同同的的区区域域，包包括括从从射射线线到到无无线线电电波波的的所所有有电电磁磁波波谱谱范范围围。所所有有这这些些波波长长区区域域，在在光学分析中都涉及，因而

2、光学分析的方法是很多的。光学分析中都涉及，因而光学分析的方法是很多的。射射线线x射射线线紫紫外外光光红红外外光光微微波波无无线线电电波波10-2 nm 10 nm 102 nm 104 nm 0.1 cm 10cm 103 cm 105 cm可可 见见 光光 光学分析法分为光学分析法分为光谱法光谱法和和非光谱法非光谱法两类。两类。光光谱谱法法是是电电磁磁波波与与物物质质作作时时，引引起起分分子子或或原原子子内内部部量量子子化化能能级级跃跃迁迁而而产产生生发发射射、吸吸收收、散散射射或或荧荧光光，通通过过检检测测这这些些光光谱谱的的特特征征波波长长和和强强度度来来进进行行定定性性定定量量分分析析

3、。这这类类方方法法包包括括：原原子子吸吸收收、原原子子发发射射、原原子子荧荧光光、紫紫外外可可见见、红红外外光光谱谱、分分子子荧荧光光、分分子子磷磷光光、核核磁磁共共振振等等。等等。非非光光谱谱法法则则是是通通过过测测量量电电磁磁波波与与物物质质作作用用时时，电电磁磁波波的的某某些些其其他他性性质质，如如反反射射、折折射射、散散射射、干干涉涉、衍衍射射和和偏偏振振等等变变化化而而建建立立。这这类类方方法法有有折折射射法法、干干涉涉法法、散散射射浊浊度度法法、旋旋光光法法、圆圆二二向向色色性性法法、X X射线衍射法和电子衍射法等。射线衍射法和电子衍射法等。光学分析方法分类光学分析方法分类光谱分析

4、法光谱分析法 按按照照电电磁磁辐辐射射与与物物质质相相互互作作用用形形式式的的不不同同，可分为发射、吸收和荧光及拉曼光谱。可分为发射、吸收和荧光及拉曼光谱。发射光谱法发射光谱法 吸收光谱法吸收光谱法拉曼光谱法拉曼光谱法Emission SpectroscopyAbsorptionSpectroscopyRaman Spectroscopy荧光光谱法荧光光谱法FluorescenceSpectroscopy 吸收光谱法吸收光谱法 当当辐辐射射光光通通过过固固体体、液液体体或或气气体体样样品品中中的的一一个个透透明明层层时时，样样品品的的粒粒子子(分分子子、原原于于或或离离子子)会会选选择择性性地

5、地吸吸收收某某种种频频率率的的辐辐射射能能，从从低低能能态态M(基基态态)跃跃迁迁至至高高能能态态M*(激激发发态态)，这这种种现现象象称称为为辐辐射射的的吸吸收。通常表示为：收。通常表示为：M十十hv M*为为了了使使吸吸收收现现象象发发生生，电电磁磁辐辐射射的的能能量量必必须须与与吸吸收收粒粒子子的的基基态态与与激激发发态态的的能能级级差差相相当当。由由于于各各种种粒粒子子的的结结构构不不同同，造造成成能能级级差差不不尽相同，根据普朗克关系式：尽相同，根据普朗克关系式：E=hc/所所以以各各种种粒粒子子吸吸收收线线的的波波长长或或频频率率不不同同。因因此此对对吸吸收收线线波波长长及强度的研

6、究，可以提供样品的性质，结构及含量的信息。及强度的研究，可以提供样品的性质，结构及含量的信息。根根据据吸吸收收光光谱谱所所在在的的光光谱谱区区域域及及吸吸收收粒粒子子的的差差别别，主主要要可可分分为为：紫紫外外可可见见吸吸收收光光谱谱法法、原原子子吸吸收收光光谱谱法法及及红红外外光光谱谱法法，此此外外还还有有核磁共振波谱法及核磁共振波谱法及X射线吸收光谱法。射线吸收光谱法。各类吸收光谱法的主要特点各类吸收光谱法的主要特点 方法名称方法名称 辐辐射能射能 作用物作用物质质 检测检测信号信号紫外、可紫外、可见见分光光度法分光光度法紫外、可紫外、可见见光光分子外分子外层层的的电电子子吸收后的紫外、可

7、吸收后的紫外、可见见光光原子吸收光原子吸收光谱谱法法紫外、可紫外、可见见光光气气态态原子外原子外层层的的电电子子吸收后的紫外、可吸收后的紫外、可见见光光红红外光外光谱谱法法红红外光（外光（1.52.5）分子的振分子的振动动吸收后的吸收后的红红外光外光X射射线线吸收光吸收光谱谱法法X射射线线放射性同位素放射性同位素辐辐射射z1O的重元素的重元素原子的内原子的内层电层电子子吸收后的吸收后的X射射线线穆斯堡穆斯堡尔尔光光谱谱法法射射线线原子核原子核吸收后的吸收后的射射线线激光吸收光激光吸收光谱谱法法激光激光分子分子(溶液溶液)吸收吸收核磁共振波核磁共振波谱谱法法射射频频（0.1100MHz）原子核磁

8、量子原子核磁量子有机化合物分子的有机化合物分子的质质子子吸收吸收 当当粒粒子子(分分子子、原原子子或或离离子子)吸吸收收能能量量后后，从从低低能能态态跃跃迁迁至至高高能能态态，处处于于高高能能态态的的粒粒子子是是不不稳稳定定的的，在在短短暂暂的的时时间间内内(约约10-8s)，又又从从高高能能态态返返回回低低能能态态或或基基态态，在在此此过过程程中中，将将吸吸收收的的能能量量释释放放出出来来，若若以以光光的的形形式式释释放能量，则得到发射光谱。通常表示为：放能量，则得到发射光谱。通常表示为：M*M十十hv 由由于于各各种种元元素素的的原原子子结结构构或或化化合合物物的的分分子子结结构构不不同同

9、，造造成成能能级级差差不不同发射光谱的特征波长也各不相同。同发射光谱的特征波长也各不相同。根根据据发发射射光光谱谱所所在在的的光光谱谱区区和和激激发发方方法法的的不不同同以以及及待待测测物物质质粒粒子子的的差差别别主主要要可可分分为为：原原子子发发射射光光谱谱法法、原原子子荧荧光光光光谱谱法法及及分分子子荧荧光光光光谱谱法，此外还有法，此外还有X X射线荧光分析法、磷光光谱法及化学发光分析法等。射线荧光分析法、磷光光谱法及化学发光分析法等。发射光谱法发射光谱法各类发射光谱法的主要特点各类发射光谱法的主要特点 方法名称方法名称 激激发发方式方式作用物作用物质质或机理或机理 检测检测信号信号原子原

10、子发发射光射光谱谱法法电电弧、火花、等离子炬等弧、火花、等离子炬等气气态态原子的外原子的外层电层电子子紫外、可紫外、可见见光光原子原子荧荧光光光光谱谱法法高高强强度紫外、可度紫外、可见见光光气气态态原子的外原子的外层电层电子子原子原子荧荧光光分子分子荧荧光光光光谱谱法法紫外、可紫外、可见见光光分子分子荧荧光（紫外、可光（紫外、可见见光）光）分子磷光光分子磷光光谱谱法法紫外、可紫外、可见见光光分子分子磷光（紫外、可磷光（紫外、可见见光）光）化学化学发发光法光法化学能化学能分子分子可可见见光光X射射线荧线荧光分析光分析X射射线线（0.012.5nm）原子内原子内层电层电子的逐出，外子的逐出，外层层

11、能能级电级电子子跃跃入空位（入空位（电电子子跃跃迁）迁）特征特征X射射线线（X射射线荧线荧光）光）荧光光谱法荧光光谱法 当当一一种种吸吸收收物物质质吸吸收收电电磁磁辐辐射射后后跃跃迁迁到到高高能能态态，它它的的寿寿命命约约为为10-1010-9秒秒，在在一一般般情情况况下下，受受光光激激发发的的粒粒子子与与系系统统中中的的其其它它粒粒子子有有一一系系列列碰碰撞撞并并将将激激发发能能转转化化为为热热，此此为为无无辐辐射射跃跃迁迁。某某些些情情况况下下，被被电电磁磁辐辐射射激激发发到到高高激激发发态态的的粒粒子子很很快快通通过过碰碰撞撞失失去去振振动动能能到到达达第第一一电电子子激激发发态态的的最

12、最低振动能级，然后发射电磁辐射回到基态。低振动能级，然后发射电磁辐射回到基态。通通过过光光激激发发物物质质再再发发光光的的现现象象为为荧荧光光。由由此此方方式式得得到到的光谱为的光谱为荧光光谱荧光光谱。荧光是一种光致发光现象。荧光是一种光致发光现象。拉曼散射光谱法拉曼散射光谱法 当当用用单单色色光光照照射射到到透透明明样样品品时时，大大部部分分光光按按照照原原来来方方向向透透射射，而而一一小小部部分分光光则则按按照照不不同同的的角角度度散散射射开开来来，这这种种现现象象称称为为光光的的散散射射。如如果果由由于于辐辐射射与与待待测测物物质质分分子子相相互互作作用用时时发发生生能能量量交交换换、引

13、引起起分分子子振振动动能能级级的的变变化化并并有有辐辐射射能能量量的的增增加加或或减减小小，因因而而产产生生与与入入射射光光波波长长不不同同的的散散射射光光，这这种种散散射射称称为为拉拉曼曼散散射射。根根据据拉拉曼曼散散射射光光谱谱而而建建立立起起来来的的分析方法称为拉曼光谱法。分析方法称为拉曼光谱法。光谱法的仪器光谱法的仪器 尽尽管管各各种种光光谱谱法法所所依依据据的的原原理理不不同同但但它它们们均均包包含含3个个主主要要过过程程：光光源源提提供供能能量量；能能量量与与待待测测物物质质发发生生相相互互作作用用；检检测测相相互互作作用用时时产产生生的的信信号号。因因此此，各各类类光光谱谱法法所

14、所用用仪仪器器的的基基本本部部件件大大致致相相同同，但但部部件的结构、布局及光路稍有不同。件的结构、布局及光路稍有不同。三三种种光光谱谱仪仪结结构构示示意意如如图图，由由5部部分分组组成成（1）光光源源（2）单单色色器器（3）样样品品池池（4）检测器（检测器（5）信号显示和记录系统）信号显示和记录系统。a 发射光谱仪发射光谱仪 b 吸收光谱仪吸收光谱仪 c 荧光和散射光谱仪荧光和散射光谱仪 红外吸收光谱分析红外吸收光谱分析Infrared Absorption Spectroscopy,IR 红红外外吸吸收收光光谱谱又又称称分分子子转转动动振振动动光光谱谱。红红外外吸吸收收光光谱谱分分析析是是

15、以以研研究究物物质质对对红红外外辐辐射射的的吸吸收收特特性性，而而建建立立起起来来的的一一种种定定性性、定量分析方法。定量分析方法。红红外外光光谱谱在在化化学学领领域域中中的的应应用用大大体体分分两两个个方方面面：用用于于分分子子结结构构的的基基础础研研究究和和用用于于化化学学组组成成的的分分析析。但但最最广广泛泛的的应应用用还还在在于于对对物物质质的的化化学学组组成成进进行行分分析析。即即根根据据光光谱谱中中吸吸收收峰峰位位置置、形形状来推断结构；依照特征吸收峰强度测定各组分含量。状来推断结构；依照特征吸收峰强度测定各组分含量。红外吸收光谱的产生红外吸收光谱的产生 红红外外光光谱谱是是由由于

16、于分分子子振振动动转转动动能能级级跃跃迁迁（同同时时伴伴有有转转动动能能级级跃跃迁）而产生的。迁）而产生的。物物质质吸吸收收辐辐射射应应满满足足两两个个条条件件：辐辐射射具具有有刚刚好好跃跃迁迁所所需需能能量量；辐辐射射与与物物质质间间有有偶偶合合作作用用。当当一一定定频频率率的的红红外外光光照照射射分分子子时时，若若分分子子中中某某个个基基团团振振动动频频率率和和它它一一致致，二二者者产产生生共共振振，此此时时光光的的能能量量通通过过分分子子偶偶极极矩矩变变化化传传递递给给分分子子，该该基基团团就就吸吸收收这这一一频频率率的的红红外外光光，产产生生跃跃迁迁。用用连连续续改改变变频频率率的的红

17、红外外光光照照射射某某样样品品，用用仪仪器器记记录录吸吸收收情况，就得到该试样的红外吸收光谱图。情况，就得到该试样的红外吸收光谱图。复复杂杂分分子子中中存存在在许许多多原原子子基基团团，各各基基团团（化化学学键键）在在分分子子被被激激发后，都会产生特征振动。发后，都会产生特征振动。近近红红外外区区：O-H,N-H,C-H键键的的倍倍频频吸吸收收。中中红红外外：分分子子中中基基团团振动、分子转动。远红外：分子转动，晶格振动。振动、分子转动。远红外：分子转动，晶格振动。定性分析定性分析 红红外外光光谱谱对对有有机机化化合合物物的的定定性性分分析析具具有有鲜鲜明明的的特特征征性性。因因为为每每一一化

18、化合合物物都都具具有有特特异异的的红红外外吸吸收收光光谱谱，其其谱谱带带数数目目、位位置置、形形状状和和强强度度均均随随化化合合物物及及聚聚集集态态不不同同而而不不同同，因因此此根根据据其其光光谱谱，可可确确定定该该化合物或官能团是否存在。化合物或官能团是否存在。红外光谱的定性分析可分为红外光谱的定性分析可分为官能团定性官能团定性和和结构分析结构分析两方面。两方面。官官能能团团定定性性：根根据据光光谱谱的的特特征征基基团团频频率率来来检检定定物物质质含含有有哪哪些些基基团，以确定化合物类别。团，以确定化合物类别。结结构构分分析析：需需要要由由化化合合物物的的红红外外光光谱谱并并结结合合其其它它

19、资资料料（如如相相对对分分子子质质量量、物物理理常常数数、紫紫外外光光谱谱、核核磁磁共共振振波波谱谱、质质谱谱等等）来来推推断断具有的化学结构。具有的化学结构。定量分析定量分析 和和其其它它吸吸收收光光谱谱分分析析（紫紫外外、可可见见吸吸光光光光度度法法）一一样样，红红外外光光谱谱定定量量分分析析时时根根据据物物质质组组分分的的吸吸收收峰峰强强度度来来进进行行的的。它它的的依依据据是是朗朗伯伯比比尔尔定定律律（lambert-Beers Law）。各各种种气气体体、液体和固态物质，均可用红外光谱法进行定量分析。液体和固态物质，均可用红外光谱法进行定量分析。红外光谱仪红外光谱仪 目前目前有光栅色

20、散型红外光谱仪和傅立叶变换红外光谱仪两种有光栅色散型红外光谱仪和傅立叶变换红外光谱仪两种.光栅色散型红外光谱仪：光栅色散型红外光谱仪：与紫外可见分光光度计类似，也是由光源、单色器、与紫外可见分光光度计类似，也是由光源、单色器、吸收池、检测器和记录系统等部分组成。但红外光吸收池、检测器和记录系统等部分组成。但红外光 与紫外可见的工作波段范围不同，因此，光源、透与紫外可见的工作波段范围不同，因此，光源、透 光材料及检测器等有很大差异。光材料及检测器等有很大差异。傅立叶变换红外光谱仪：傅立叶变换红外光谱仪：20世纪世纪70年代出现的新一代红外光谱测量技术及年代出现的新一代红外光谱测量技术及 仪器。没

21、有色散元件，主要由光源、迈克尔逊干仪器。没有色散元件，主要由光源、迈克尔逊干 涉仪、探测器和计算机等组成。特点是：分辨率涉仪、探测器和计算机等组成。特点是：分辨率 高、波数精度高、扫速快、光谱范围宽、灵敏度高、波数精度高、扫速快、光谱范围宽、灵敏度 高等，将取代色散型红外光谱仪。高等，将取代色散型红外光谱仪。色散型红外光谱仪工作原理图色散型红外光谱仪工作原理图单色器单色器光源光源检测器检测器参比池参比池试样池试样池记录器记录器放大器放大器机械装置机械装置 从从光光源源发发出出的的红红外外辐辐射射，分分成成二二束束，一一束束进进试试样样池池，一一束束进进参参比比池池，先先经经斩斩光光器器周周期期

22、地地切切割割进进入入单单色色器器,即即试试样样光光束束和和参参比比光光束束交交替替进进入入单单色色器器的的色色散散光光栅栅，若若某某波波数数的的单单色色光光不不被被试试样样吸吸收收，二二束束光光的的强强度度相相等等，检检测测器器不不产产生生信信号号；若若有有吸吸收收，在在检检测测器器上上产产生生一一定定频频率率的的信信号号。经经放放大大器器放放大大，进进入入带带动动记记录录笔笔和和光光楔楔的的机机械械装装置置。光光楔楔的的作作用用是是进进行行补补偿偿，即即减减弱弱参参比比光光强强，使使与与试试样样光光强强相相等等，致致二二束束光光重重新新处处于于平平衡衡。试试样样对对各各不不同同波波数数红红外

23、外辐辐射射吸吸收收有有多多有有少少，则则光光楔楔相相应应按按比比例例移移动动补补偿偿。因因而而光光楔楔改改变变相相当当于于试试样样的的透透射射比比，以以纵纵坐坐标标被被记记录录在在纸纸上上，单单色色光光的的波波数数连连续续改改变变，并并与与记记录录纸纸移移动动同同步步，这这是是横横坐坐标标。最最后后得得到到透透视视比比对对波波数（波长）的红外光谱吸收曲线（光谱图）。数（波长）的红外光谱吸收曲线（光谱图）。光楔光楔傅立叶变换红外光谱仪工作原理图傅立叶变换红外光谱仪工作原理图数模转换器数模转换器 光谱图光谱图外部设备外部设备键盘键盘干涉图干涉图计算机计算机模数转换器模数转换器 滤光器滤光器定镜定镜动动镜镜 探测器探测器放大器放大器试样试样光光源源干涉仪干涉仪 光光源源发发出出的的红红外外辐辐射射，经经干干涉涉仪仪转转变变成成干干涉涉图图，通通过过试试样样后后得得到到含含试试样样信信息息的的干干涉涉图图，由由计计算算机机采采集集，并并经经过过快快速速傅傅立立叶叶变变换换，得得到到强强度度或或透透光光度度随随频频率率或或波波数数变化的红外光谱图。变化的红外光谱图。