红外光谱分析77952
红外光谱分析
二十世纪初叶，Coblentz 发表了一百多个有机化合物的红外光谱图，给有机化学家提供了鉴别未知化合物的有力手段。到四十年代红外光谱技术得到了广泛的研究和应用。当今红外光谱仪的分辨率越来越高，检测范围扩展到10000－200cm-1，样品量少至微克级。红外光谱提供的某些信息简捷可靠，检测样品中有无羰基及属于哪一类（酸酐、酯、酮或醛）是其他光谱技术难以替代的。因此，对从事有机化合物为研究对象的化学工作者来说，红外光谱学是必需熟悉和掌握的一门重要光谱知识。
一、基本原理
1、基本知识
光是一种电磁波。可根据电磁波的波长范围分成不同类型的光谱，它们各自反映出物质的不同类型的运动形式。表1 列出这些电磁波的波长，其所在区域的光谱名称，以及对应的运动形式。
表1 常用的有机光谱及对应的微观运动
红外光谱研究的内容涉及的是分子运动，因此称之为分子光谱。通常红外光谱系指2-25 μ之间的吸收光谱，常用的为中红外区4000-650cm-1(2.5-15.4 μ) 或4000-400cm-1。
这段波长范围反映出分子中原子间的振动和变角振动，分子在振
动运动的同时还存在转动运动。在红外光谱区实际所测得的图谱是分
子的振动与转动运动的加合表现，即所谓振转光谱。
每一化合物都有其特有的光谱，因此使我们有可能通过红外光谱
对化合物作出鉴别。
红外光谱所用的单位波长μ，波数cm-1。光学中的一个基本公式是λυ= C，式中λ为波长，υ为频率，C 为光速(3
×1010cm/s) 。设υ为波数，其含义是单位长度(1cm) 中所含的波的个数，并应具有以下关系：波数(cm-1) ＝104/ 波长( μ)波长和波数都被用于表示红外光谱的吸收位置，即红外光谱图的横坐标。目前倾向于普遍采用波数为单位，而在图谱上方标以对应的
波长值。红外光谱图的纵坐标反映的是吸收强度，一般以透过率(T%) 表示。
2、红外光谱的几种振动形式
主要的基本可以分为两大类：伸缩振动和弯曲振动。
(1)伸缩振动( υ)
沿着键轴方向伸或缩的振动，存在对称与非对称两种类型。它的
吸收频率相对在高波数区。
(2)弯曲振动( δ) 包括面内、面外弯曲振动，变角振动，摇摆振动等。它的吸收频率相对在低波数区。
4000cm -1(高) 400cm -1(低)
3、红外光谱吸收峰主要的几种类型
（1）基频峰：伸缩振动，弯曲振动产生的吸收峰均为基频峰。
（2）倍频峰：出现在基频峰波数二倍处。如基频为900cm-1，倍频为
-1
1800cm-1。
4、红外光谱吸收峰的强度红外吸收强度取决于振动时偶极矩变化的大小。因此，分子中含有杂原子时，其红外吸收一般都较强；反之，两端取代基差别不大的碳－碳键的红外吸收则较弱。基团的极性越大，吸收峰越强。如羰基特征峰在整个图谱中一般总是最强峰之一。
二、红外光谱吸收频率与分子结构的关系伸缩振动和弯曲振动都是基团内部原子间化学键的振动。键的振动波数又与原子的质量成反比，与键的刚度成正比。例如，C-H 基的折合质量比C-C基小，因此
C-H伸缩振动波数高于C-C的伸缩振动波数。键的刚度即力常数的大小取决于键的性质。
单键（C-H，SP3杂化）的力常数：～5×105达因/ 厘米双键
（＝C-H，SP2杂化）的力常数：～10 ×105达因/ 厘米5
三键（≡C-H，SP杂化）的力常数：～15×105达因/ 厘米
因此当原子折合质量相同时，键的伸缩振动波数随力常数增大而（即S成份增多而增加）增加：υ ≡CH >υ=CH > υ－CH，
υC=O > υC-O 弯曲振动与伸缩振动的方向性是不相同的。同一种化学键二者振动所需能量大小刚好相反，故弯曲振动波数大小的顺序与伸缩振动波数相反：δ -CH > δ=CH >
δ≡CH
表 2 饱和碳氢、烯氢和炔氢键的波数 (cm -1)
三、影响官能团红外光谱吸收频率的因素
1、电子效应
(1) 诱导效应 推电子诱导效应(+ I) ，烷基为推电子基团。吸电子诱导效应 (-I) ， 氰基和氟为吸电子基团。
O
O O 例： CH 3CH 2 C OC 2H 5
N CCH 2 C OC 2H 5
RCF -1 υ C=O 1728cm -1 1751cm -1 -1 ～
推电子基团使得羰基氧原子上电子云密度增加，偶极增大，振动
能量下降，羰基吸收峰往低波数移动；吸电子基团使得羰基氧原子上 电子云密度降低，振动能量升高，羰基峰波数往高波数移动。
诱导效应是沿化学键直接起作用的，它与分子的几何形状无关。 (2) 中介效应
氧、氮和硫等原子有孤电子对，能与相邻的不饱和基团共轭，为了 与双健的π电子云共轭相区分，称其为中介效应 (M)。此种效应使不饱 和基团的振动波数降低，而自身连接的化学键振动波数升高。最典型
的例子是酰胺的羰基吸收。
酰胺分子由于中介效应降低了羰基的双键性，吸收频率移向低波 数。一般酰胺羰基的振动频率不超过 1690cm -1。N-H 键变成＝N-H ，
伸 缩振动波数升高。酰胺胺基的振动频率比一般胺基的振动频率要高。
R C NH 2 O
+
R C NH 2
(3)共轭效应羰基与双键共轭，π电子离域增大，使其双键性降低，亦振动频率降低，向低波数移动。酮羰基的吸收频率一般为1715cm-1。α、β不饱和酮的羰基吸收频率一般为1675cm-1，芳酮羰基的吸收频率一般为1690cm-1，均低于1715cm-1。
电子效应是一个很复杂的因素，因而判断官能团的吸收频率应该是几种效应的综合结果。前面举例的卤代酮分子中，诱导效应大于中
介效应，即诱导效应起主导作用；酰胺分子中则是共轭效应大于诱导
效应，即共轭效应起主导作用。
2、空间效应
(1)环的张力环状化合物由于碳的键角发生变化而使键长发生改变，从而使键的振动波数升高或降低。一般而言，环的张力加大时，环上基团的吸收频率上升。H H
H H H
-1 -1 υ-CH 2925cm -1 3050cm -1 环的张力对环外双键的影响：因为环的
键角越小，环外双键碳的s 成分增多，使双键伸缩振动所需能量增
加，吸收频率升高。
= CH 2 =CH 2 =CH 2 =CH 2
-1 -1 -1 -1 υC=C 1650cm -1 1660cm -1 1680cm -1 1750cm -1 环的张力对环
内双键的影响：环变小，张力增大，环内双键p 成分增加，键长变长，振动波数减小。而环外的=C-H键由于s 成分增加，键长变短，
振动波数增加。
-1 -1
υC=C 1639cm-1 1623cm -1 1566cm
-1 -1
=CH 3017cm
-1 3040cm -1 3060cm
(2) 空间障碍 分子中的大基团在空间的位阻作用，迫使邻近基团间的键角变小 或共轭体系的共平面性被偏离或被破坏时，振动波数发生变化。
-1 -1
υC=O 1663cm -1 1686cm -1 1693cm
Ⅰ为典型的α、β不饱和酮，Ⅲ的邻位均被立体位阻大的甲基取 代，羰与双键的共轭体系被破坏， 羰基的振动频率升至 1693cm ，Ⅱ介 于Ⅰ和Ⅲ之间。
(3) 氢键的影响 无论是分子间或分子内形成氢键，均使化学键的力常数降低，吸 收频率向低波数移动。
醇羟基： 游离态 二聚体 多聚体
-1 -1 -1 υ-OH 3610-3640cm -1 3500-3600cm -1
3200-
3400cm -1 四、红外光谱的应用 用红外光谱鉴定化合物，其优点是简便，快速，用量少，气体、 固体、液体均可检测。
1、化合物的鉴定
(1) 同质异晶体 化学结构完全相同而晶形不同的化合物， 由于分子在不同晶体的晶 格中排列方式不一样， 因此对光的散射和折射不同， 致使同质异晶体的 固相红外光谱有差异。
(2) 几何异构体 对称反式异构体中的双键处于分子对称中心，在分子振动中键的偶 极矩变化极小， 因此在光谱中不出现双键吸收峰， 顺式异构体无对称中 心，偶极矩有改变，故有明显的双键特征峰，以此可区分顺、反异构体。
（3） 构象异构体
CH 3CH 3
CH 3 Ⅱ) CH 3
Ⅲ) COCH COCH 3
3
同一种化学键在不同的构象异构体中的振动频率是不一样的，以构象固定的六元环上的C—Y键为例，平展的C—Y 键伸缩振动频率高于直立键，原因在于直立的C—Y 键垂直于环的平面，其伸缩振动作用于碳上的复位力小；平展的C—Y 键伸缩振动使环扩张，复位力大，故振动频率高。
（4）互变异构体
有机化学中经常碰到互变异构现象，如β－双酮有酮式和烯醇式二种，红外光谱可区分。
酮式υC=O1730cm-1烯醇式υ C=O1650cm-1
2、定量分析
当入射光照射样品时，样品分子会选择性地吸收某些入射光，使透射光（或反射光）强度变弱，这是红外光谱所以能形成的依据。红外定量分析是研究样品的量（包括浓度和厚度）与吸收入射光之间的联系。利用红外光谱的谱峰强度（或面积），可计算出被测样品的含量，对一些难于用溶剂溶解的固体样品，特别是许多不溶不熔的高分子材料，红外光谱具有它的独特之处。
红外光谱仪
光源样品干涉仪检测器数据处理
五、红外光谱图解析
1、红外吸收波段
红外谱图按波数可分为以下六个区，结合最常见的基团讨论如下：（1）4000－2500cm-1
这是X-H（X包括C、N、O、S等）伸缩振动区。
a、羟基（醇和酚的羟基）
羟基的吸收于3200－3650cm-1范围。羟基可形成分子间或分子内氢键，而氢键所引起的缔合对红外吸收的位置、形状、强度都有重要影响。游离（无缔合）羟基仅存在于气态或低浓度的非极性溶剂
的溶液中，其红外吸收在较高波数（3610-3640cm-1），峰形尖锐，当羟基在分子间缔合时，形成以氢键相连的多聚体，键力常数k 值下降，因而红外吸收位置移向较低波数（3300cm-1附近），峰
形宽而钝。羟基在分子内也可形成氢键，使羟基红外吸收移向低波数，羧酸内由于羰基和羟基的强烈缔合，吸收峰的底部可延续到～2500cm－1，形成一个很宽的吸收带。
当样品或溴化钾晶体含有微量水分时，会在～3300cm-1附近出现吸收峰，如含水量较大，谱图上在～1630cm-1处也有吸收峰（羟基无此峰），若要鉴别微量水与羟基，可观察指纹区内是否有羟基的吸收峰，或将干燥后的样品用石蜡油调糊作图，或将样品溶于溶剂中，以溶液样品作图，从而排除微量水的干扰。游离羟基的吸收因在较高波数
（
～
3600cm-1），且峰形尖锐，因而不会与水的吸收混淆。
b、胺基
胺基的红外吸收与羟基类似，游离胺基的红外吸在3300—
3500cm-1范围，缔合后吸收位置降低约100cm-1。
伯胺有两个吸收峰，因NH2 有两个N-H键，它有对称和非对称两种伸缩振动，这使得它与羟基形成明显区别，其吸收强度比羟基弱，脂肪族伯胺更是这样。
仲胺只有一种伸缩振动，只有一个吸收峰，其吸收峰比羟基的要尖锐些。芳香仲胺的吸收峰比相应的脂肪仲胺波数偏高，强度较大。
叔胺因氮上无氢，在这个区域没有吸收。
c 、烃基
C-H键振动的分界线是3000cm-1。不饱和碳( 双键及苯环) 的碳氢伸缩振动频率大于3000cm-1，饱和碳( 除三元环外)的碳氢伸缩振动频率低于3000cm-1，这对分析谱图很重要。不饱和碳的碳氢伸缩振动吸收峰强度较低，往往大于3000cm-1，以饱和碳的碳氢吸收峰的小肩峰形式存在。
C=C-H 的吸收峰在～3300cm-1，由于它的峰很尖锐，不易与其它不饱和碳氢吸收峰混淆。
饱和碳的碳氢伸缩振动一般可见四个吸收峰，其中两个属
CH3：～2960(υas) 、～2870(υs) ；两个属CH2: ～
2925(υas) 、～2850(υs) 。由这两组峰的强度可大致判断CH2和
CH3的比例。
CH 3或CH2由与氧原子相连时，其吸收位置都移向较低波数。当进行未知物的鉴定时，看其红外谱图3000cm-1附近很重要，该处是否有吸收峰，可用于有机物和无机物的区分(无机物无吸收) 。(2)2500-2000cm-1
这是叁键和累积双键(-C ≡C-、-C≡N、＞C＝C＝C＜、－N＝C＝O、－N=C=S等）的伸缩振动区。在这个区域内，除有时作图未能全扣除空气背景中的二氧化碳（υCO2～2365、2335cm-1）的吸收之外，此区间内任何小的吸收峰都应引起注意，它们都能提供结构信息。
2700-2200cm -1之间还有一重要信息：铵盐。其特征为2700-2200
之间有一群峰，归属为υ NH+, υNH2+。药物中的此类化学结构所占比例不低。
（3）2000-1500cm-1 是双键的伸缩振动区，这是红外谱图中很重要的区域。
这个区域内最重要的是羰基的吸收，大部分羰基化合物集中于1650 －1900cm-1。除去羧酸盐等少数情况外, 羰基峰都尖锐或稍宽, 其强度都较大, 在羰基化合物的红外谱图中羰基的吸收一般为最强峰或次强峰。
羰基化合物：
酸酐1850cm-1-1740cm-1
酰卤～1800cm-1
酯～1740cm-1
五元环内酯1780-1750 cm-1四元环内酯1885-1820 cm-1
醛-1
～
酮-1
～1715cm
酰胺酰胺I 1670-1620cm -1伯酰胺
υC=O
-1
1680-1630cm-1
仲酰
胺
酰胺II 1650-1610cm -1伯酰胺
δNH＋υ CN -1
1570-1430cm -1仲酰胺叔酰胺υ C=O ～1650cm-1
羧酸盐在光谱中没有游离的羰基峰，代之以二个等价的 C O键，
O R C
O- [ R O ]
O有不对称和对称两种伸缩振动。
υ as COO- 1615-1540（强），υ s COO- 1420-1300（稍
弱）。碳＝碳双键的吸收出现在1600-1670cm-1范围，强度中等或较低。烯基碳氢面外弯曲振动的倍频可能出现在这一区域。
苯环的骨架振动在～1450、～1500、～1580、～1600cm-1。～1450cm-
的吸收与CH2、CH3 的吸收很靠近，因此特征不明显。后三处的吸收则表明苯环的存在。虽然这三处的吸收不一定同时存在，但只要在1500 或1600 cm-1附近有吸收，原则上即可知有苯环（或杂芳环）的存在。
杂芳环和苯环有相似之处，如呋喃在～1600、～1500、～1400 cm-1 三处均有吸收谱带，吡啶在～1600、～1570、～1500、～1435cm-1处有吸收。
这个区域除上述碳＝氧、碳＝碳双键吸收之外，尚有C＝N、N＝O 等基团的吸收。含-NO2基团的化合物（包括硝基化合物、硝酸酯等），因两个氧原子连在同一氮原子上因此具有对称、非对称两种伸缩振动，但只有反对称伸缩振动出现在这一区域。
硝基基团在红外光谱中具有很特征的吸收：
υas NO2 ～1565cm（强、宽），υs NO2 ～1360cm（稍弱）4）1500－1300cm-1
除前面已讲到苯环（其中～1450、～1500cm-1的红外吸收可进入此区）、杂芳环（其吸收位置与苯环相近）、硝基的υ s等的吸收可能进入此区之外，该区域主要提供了C-H弯曲振动的信息。
甲基在～1380、～1460cm 同时有吸收，当前一吸收峰发生分叉时表示偕二甲基（二甲基连在同一碳原子上）的存在，这在核磁氢谱尚未广泛应用之前，对判断偕二甲基起过重要作用，现在也可以作为一个鉴定偕二甲基的辅助手段。偕三甲基的红外吸收与偕二甲基相似。
CH 2仅在～1470cm-1处有吸收。
（5）1300-910cm-1 所有单键的伸缩振动频率、分子骨架振动频率都在这个区域。部分含氢基团的一些弯曲振动和一些含重原子的双键（P＝O，P＝S 等）的伸缩振动频率也在这个区域。弯曲振动的键力常数k是小的, 但含氢基团的折合质量μ也小, 因此某些含氢官能团弯曲振动频率出现在此区域。虽然双键的键力常数k 大，但两个重原子组成的基团的折合质量μ也大，所以使其振动频率也
出现在这个区域。由于上述诸原因，这个区域的红外吸收频率信息十分丰富。
酯υ
C-O
-1 ～1200cm-1
醇υ
C-O
-1 ～1100cm-1
酚υ
C-O
-1 ～1230cm-1
脂肪醚υC-O-
C
1150cm-1-1060cm-1
芳香醚υ=C-
O-C
1280cm-1-1220cm-1芳香部分，强吸收1055cm -1-1000cm-1脂肪部分，强度略逊
砜(SO 2) υas 1350-1290cm -1
强 υs 1160-1120cm -1 强
δ 610-525cm -1
强度略逊 亚砜 (SO) υ1000-1100cm -1
6)910cm -1 以下 苯环因取代而产生的吸收 (900--650cm -1) 是这个区域很重要的内
容。这是判断苯环取代位置的主要依据 ( 吸收源于苯环 C--H 的弯曲振 动) ，当苯环上有强极性基团的取代时，常常不能由这一段的吸收判断 取代情况。
芳环的孤立氢( δ=CH cm -1)
芳环二个相邻氢 (δ=CH cm -1
) 磺酸及盐 RSO 2·OH (无水) RSO 2·OH ·H 2O CH 3SO 2OH υas SO2
1350-1342cm -1
-1 1230-1120cm -1
1190 1050
υ a SO2 1165-1150cm -1 -1 1080-1010cm -1 有机磷化合物 P=O P-O-C (RO)2(R)P=O 1265-1230cm 1050-1030cm
(RO)3P=O 1286-1258cm
1050-950cm
800(s) 800(s) 800(s)
芳环三个相邻氢( δ=CH cm )
芳环四个相邻氢(δ=CH) 在770-735cm-1出现强吸收。芳环五个相邻氢( δ=CH) 在～750 和～690cm-1同时出现强吸收。烯的碳氢弯曲振动频率处于本区及前一区(1300—900cm-1) 。
2、指纹区和官能团区
从前面六个区的讨论我们可以看到，由第1--4 区( 即从4000 到1300cm-1范围) 的吸收都有一个共同点：每一红外吸收峰都和一定的官能团相对应。因此，就这个特点而言，我们称这个大区为官能团区。第5 和第6 区与官能团区不同。虽然在这个区域内的一些吸收也对应着某些官能团，但大量的吸收峰仅显示了化合物的红外特征，犹如人的指纹，故称为指纹区。
官能团区指纹区的存在是容易理解的。含氢的官能团由于折合质量小；含双键或三键的官能团因其键力常数大；这些官能团的振动受其分子剩余部分影响小，它们的振动频率较高．因而易于与该分子中的其它振动相区别。这个高波数区域中的每一个吸收，都和某一含氢官能团或含双键、三键的官能团相对应，因此形成了官能团区。另一方面，分子中不连氢原子的单键的伸缩振动及各种键的弯曲振动由于
折合质量大或键力常数小，这些振动的频率相对于含氢官能团的伸缩
振动及部分弯曲振动频率或相对于含双键、三键的官能团的伸缩振动
频率都处于低波数范围，且这些振动的频率差别不大；其次是在指纹
区内各种吸收频率的数目多；再则是在该区内各基团间的相互连接易
产生各种振动间较强的相互耦合作用；第四是化合物分子存在骨架振动。基于上述诸多原因，因此在指纹区内产生了大量的吸收峰，且结
构上的细微变化都可导致谱图的变化，即形成了该化合物的指纹吸收。
由上述可知, 红外吸收的六个波段归纳为指纹区和官能团区。存在着这两个大区,既有上述的理论解释,也是实验数据的概括：波数大于1300cm-1的区域为官能团区,波数小于1300cm-1的区域是指纹区。官能团区的每个吸收峰表示某官能团的存在（强度和峰形）, 原则上每个吸收峰均可找到归属。指纹区的吸收峰数目较多, 往往其中的大部分不能找到归属, 但这大量的吸收峰表示了有机化合物分子的具体特征, 犹如人的指纹。虽然有上述情况, 某些同系物的
指纹吸收可能相似,不同的制样条件也可能引起指纹区吸收的变化, 这两点都是需要注意的。
指纹区中650－910cm-1区域又称为苯环取代区，苯环的不同取代位置会在这个区域内有所反映。
指纹区和官能团区的不同功用对红外谱图的解析很理想。从官能
团区可找出该化合物存在的官能团；指纹区的吸收则宜于用来与标准谱图（或已知物谱图）进行比较，得出未知物与已知物结构相同或
不同
的确切结论。官能团区和指纹区的功用正好相互补充。
3、红外谱解析要点及注意事项
（1）红外吸收谱的三要素（位置、强度、峰形）在解析红外谱时，要同时注意红外吸收峰的位置、强度和峰形。吸收峰的位置（即吸收峰的波数值）无疑是红外吸收最重要的特点，因此各红外专著都充分地强调了这点。然而，在确定化合物分子结构时，必须将吸收峰位置辅以吸收峰强度和峰形来综合分析，可是这后两个要素往往则未得到应有的重视。
每种有机化合物均显示若干红外吸收峰, 因而易于对各吸收峰强度进行相互比较。从大量的红外谱图可归纳出各种官能团红外吸收的强度变化范围。所以, 只有当吸收峰的位置及强度都处于一定范围时才能准确地推断出某官能团的存在。以羰基为例, 羰基的吸收是比较强的, 如果1680—1780cm-1（这是典型的羰基吸收区）有吸收峰, 但其强度低，这并不表明所研究的化合物存在有羰基，而是说明该化合物中存在着羰基化合物的杂质。吸收峰的形状也决定于官能固的种类，从峰形可辅助判断官能团。以缔合羟基、缔合伯胺基及炔氢为例，它们的吸收峰位置只略有差别，但主要差别在于吸收峰形不一样：缔合羟基峰圆滑而钝；缔合伯胺基吸收峰有一个小或大的分岔；炔氢则显示尖锐的峰形。
总之，只有同时注意吸收峰的位置、强度、峰形，综合地与已知谱图进行比较，才能得出较为可靠的结论。
2）同一基团的几种振动的相关峰是同时存在的对任意一个官能团来讲，由于存在伸缩振动( 某些官能团同时存在对称和反对称伸缩振动) 和多种弯曲振动，因此，任何一种官能团会在红外图的不同区域显示出几个相关的吸收峰。所以，只有当几处应该出现吸收峰的地方都显示吸收峰时，方能得出该官能团存在的结论。以甲基为例，在2960、2870、1460、1380cm-1处都应有C－H的吸收峰出现。以长链CH2为例，2920、2850、1470、720cm-1处都应出现吸收峰。当分子中存在酯基时，能同时见到羰基吸收和C-O-C的吸收。
(3)红外光谱图解析顺序
在解析红外光谱图时，可先观察官能团区，找出该化合物存在的官能团，然后再查看指纹区。
六、红外光谱的相关技术
1、GC-FTIR
混合物的分离、鉴定。
2、TGA-FTIR
不同温度、不同时间放出气体成分的定性、定量信息。残留溶剂的定性、定量测定。
3、全反射方法
用于高分子材料的鉴定。
4、拉曼光谱与红外光谱互为补充。极性基团检测红外吸收明显，非极性基团检测则求助于拉曼光谱。
5、显微红外有机化合物晶型的混合物的分析，在显微镜下逐粒进行
红外摄谱，
从而获得混合物中各个单晶的晶型信息。
七、红外光谱小结
1、红外光谱主要有两种振动形式a、伸缩振动b 、弯曲振动
2、红外光谱吸收峰的强度取决于振动时偶极矩变化的大
基团的极小。
性越大，吸收峰越强。
3、影响官能团红外光谱吸收频率的因素a、电子效应b 、空间效应
4、红外光谱吸收波段的划分
近红外光谱分析及其应用简介
近红外光谱分析及其应用简介 1、近红外光谱分析及其在国际、国内分析领域的定位 近红外光谱分析是将近红外谱区（800-2500nm）的光谱测量技术、化学计量学技术、计算机技术与基础测试技术交叉结合的现代分析技术，主要用于复杂样品的直接快速分析。近红外分析复杂样品时，通常首先需要将样品的近红外光谱与样品的结构、组成或性质等测量参数（用标准或认可的参比方法测得的），采用化学计量学技术加以关联，建立待测量的校正模型；然后通过对未知样品光谱的测定并应用已经建立的校正模型，来快速预测样品待测量。 近红外光谱分析技术自上世纪60年代开始首先在农业领域应用，随着化学计量学与计算机技术的发展，80年代以来逐步受到光谱分析学家的重视，该项技术逐渐成熟，90年代国际匹茨堡会议与我国的BCEIA等重要分析专业会议均先后把近红外光谱分析与紫外、红外光谱分析等技术并列，作为一种独立的分析方法；2000年PITTCON 会议上近红外光谱方法是所有光谱法中最受重视的一类方法，这种分析方法已经成为ICC（International Association for Cereal Science and Technology国际谷物科技协会）、AOAC(American Association of Official Analytical Chemists美国公职化学家协会)、AACC （American Association of Cereal Chemists美国谷物化学家协会）等行业协会的标准；各发达国家药典如USP(United States Pharmacopoeia美国药典)均收入了近红外光谱方法；我国2005年版的药典也将该方法收入。在应用方面近红外光谱分析技术已扩展到石油化工、医药、生物化学、烟草、纺织品等领域。发达国家已经将近红外方法做为质量控制、品质分析和在线分析等快速、无损分析的主要手段。 我国对近红外光谱技术的研究及应用起步较晚，上世纪70年代开始，进行了近红外光谱分析的基础与应用研究，到了90年代，石化、农业、烟草等领域开始大量应用近红外光谱分析技术，但主要是依靠国外大型分析仪器生产商的进口仪器。目前国内能够提供完整近红外光
第四章 振动光谱
第四章振动光谱 一、教学目的 理解掌握震动光谱分析的基本理论，掌握红外光谱图的分析处理，了解红外光谱实验技术。 二、重点、难点 重点：震动光谱分析的基本理论，红外光谱图的分析处理。 难点：震动光谱分析的基本理论。 三、教学手段 多媒体教学 四、学时分配 4学时 引言： ●1900～1910年间，科布伦茨（W．W．C。blentz）首先用红外光测量了一些有 机物液体的吸收光谱而建立起一种新的分析方法——红外光谱法。他发现分子中的一定原子群可以吸收特定的频率，这些特定的频率犹如人类的指纹，可以用来辨认分子中特定原子群的存在。 ●它主要可以用作分子结构的基础研究和物质化学组成（物相）的分析（包括定性和 定量）。红外光谱法作分子结构的研究可以测定分子的键长、键角大小，并推断分子的立体构型，或根据所得的力常数，间接得知化学键的强弱，也可以从正则振动频率来计算热力学函数等。 ●不过红外光谱法更多的用途是根据谱的吸收频率的位置和形状来判定本知物，并按 其吸收的强度来测定它们的含量。因此红外光谱法在目前已成为十分方便而有效的分析方法之一。 ●红外光谱法应用得较多的是在有机化学领域，对无机化合物和矿物的红外鉴定开始 较晚。红外光谱法对测定矿物的结构或组分虽不如X射线衍射分析那么成熟，却也有其独特长处。 所谓振动光谱是指物质因受光的作用，引起分子或原子基团的振动，从而产生对光的吸收。如果将透过物质的光辐射用单色器加以色散，使波长授长短依次排列，同时测量在不同波长处的辐射强度，得到的是吸收光谱。如果用的光源是红外光波，即0.78～1000μm，就是红外吸收光谱。如果用的是强单色光，例如激光，产生的是激光拉曼光谱。本章主要介绍红外光谱的原理及其在无机非金属材料中的应用，对拉曼光谱只作简单的介绍。
红外图谱分析方法大全
红外光谱图解析 一、分析红外谱图 （1）首先依据谱图推出化合物碳架类型，根据分子式计算不饱和度。 公式：不饱和度＝F+1+(T-O)/2 其中： F：化合价为4价的原子个数（主要是C原子）； T：化合价为3价的原子个数（主要是N原子）； O：化合价为1价的原子个数（主要是H原子）。 F、T、O分别是英文4,3 1的首字母，这样记起来就不会忘了 举个例子：例如苯（C6H6），不饱和度＝6+1+（0-6）/2＝4，3个双键加一个环，正好为4个不饱和度。 （2）分析3300~2800cm^-1区域C-H伸缩振动吸收，以3000 cm^-1为界，高于3000cm^-1为不饱和碳C-H伸缩振动吸收，有可能为烯、炔、芳香化合物吗，而低于3000cm^-1一般为饱和C-H伸缩振动吸收。 （3）若在稍高于3000cm^-1有吸收，则应在2250~1450cm^-1频区，分析不饱和碳碳键的伸缩振动吸收特征峰，其中： 炔—2200~2100 cm^-1 烯—1680~1640 cm^-1 芳环—1600、1580、1500、1450 cm^-1 若已确定为烯或芳香化合物，则应进一步解析指纹区，即1000~650cm^-1的频区，以确定取代基个数和位置（顺反，邻、间、对）。 （4）碳骨架类型确定后，再依据其他官能团，如C=O，O-H，C-N 等特征吸收来判定化合物的官能团。 （5）解析时应注意把描述各官能团的相关峰联系起来，以准确判定官能团的存在，如2820、2720和1750~1700cm^-1的三个峰，说明醛基的存在。解析的过程基本就是这样吧，至于制样以及红外谱图软件的使用，一般的有机实验书上都有比较详细的介绍的。 二、记住常见常用的健值 1.烷烃 3000-2850 cm-1C-H伸缩振动 1465-1340 cm-1C-H弯曲振动 一般饱和烃C-H伸缩均在3000 cm-1以下，接近3000 cm-1的频率吸收。 2.烯烃 3100~3010 cm-1烯烃C-H伸缩 1675~1640 cm-1C=C伸缩 烯烃C-H面外弯曲振动（1000~675cm^1）。 3.炔烃 2250~2100 cm-1C≡C伸缩振动 3300 cm-1附近炔烃C-H伸缩振动 4.芳烃 3100~3000 cm-1芳环上C-H伸缩振动 1600~1450 cm-1C=C 骨架振动 880~680 cm-1C-H面外弯曲振动) 芳香化合物重要特征：一般在1600，1580，1500和1450 cm-1可能出现强度不等的4
红外光谱总结
第2章红外光谱 通常红外光谱(infrared spectroscopy, IR)就是指波长2~25 μm的吸收光谱(即中红外区),这段波长范围反映出分子中原子间的振动与变角运动。分子在振动的同时还会发生转动运动,虽然分子的转动所涉及的能量变化较小,处在远红外区域,但转动运动影响振动的偶极矩变化,因而在红外光谱区实际所测的谱图就是分子的振动与转动运动的加与表现,因此红外光谱又称为分子振转光谱。 红外光谱可以应用于化合物分子结构的测定、未知物鉴定以及混合物成分分析。 2、1 红外光谱的基本原理 2、1、1 红外吸收光谱 1、当一束具有连续波长的红外光通过物质,物质分子中某个基团的振动频率或转动频率与红外光的频率一样时,分子就吸收能量由原来的基态振(转)动能级跃迁到能量较高的振(转)动能级,分子吸收红外辐射后发生振动与转动能级的跃迁,该处波长的光就被物质吸收。 波谱区近红外光中红外光远红外光 波长/m 0、75~2、5 2、5~50 50~1000 波数/cm-113333~4000 4000~200 200~10 跃迁类型分子振动分子转动 中红外区:绝大多数有机与无机化合物的基频吸收所在,主要就是振动能级的跃迁; 远红外区:分子纯转动能级跃迁及晶体的晶格振动。 3、波数()单位就是cm-1。波长与波数的关系就是: 4、胡克定律: 其中:——折合质量,,单位为kg; ——化学键力常数,与化学键的键能呈正比,单位为N·m-1; ——波数; ——真空中的光速。 (1)因为,红外频率。 (2)与碳原子城建的其她原子,随着其原子质量的增大,折合质量也增大,则红外波数减小。 (3)与氢原子相连的化学键的折合质量都小,红外吸收在高波数区。 (4)弯曲振动比伸缩振动容易,弯曲振动的K均较小,故弯曲振动吸收在低波数区。 5、光谱选律:原子与分子与电磁波作用发生能级跃迁就是要服从一定的规律的,这些规律由量子化学解释。量子化学解得与体系振动量子数(v)相对应的体系能量(E)为: (v = 0, 1, 2, 3…) 简谐振动光谱选律为:,即跃迁必须在相邻震动能级之间进行。
近红外光谱技术在药物分析中的应用
近红外光谱技术在药物分析中的应用 1·前言 近红外光谱分析技术是分析化学领域迅猛发展的高新分析技术，越来越引起国内外分析专家的注目，在分析化学领域被誉为分析“巨人”，它的出现可以说带来了又一次分析技术的革命。 近红外（NIR）谱区是人类认识最早的非可见光谱区，波长范围在0.75—2.5 m之间，用波数表示时则在13330—4000cm-1之间。由于近红外的吸收谱带复杂，谱峰重叠，信号弱，在分析上难以应用，长期以来没有受到人们的重视。近十多年来，随着近红外仪器的改良，新的光谱理论和光度分析方法的建立，特别是计算机技术和化学计量学的广泛应用和迅速发展，使近红外光谱技术成为目前发展最快、最引人注目的分析技术，并以其简单快速、实时在线、无损伤无污染分析等特点，在复杂物质的分析上得到广泛应用。在包括制糖和制药的许多与化学分析和品质管理有关的行业中的应用前景极其广阔。 关于近红外光谱技术在制药行业中应用的文献报道越来越多，显示了近红外光谱技术在制药领域中越来越受到人们的重视。近红外光谱分析具有的快速实时、操作简单、无损伤测定、不受样品状态影响的特点很符合药物分析的要求。因此，在制药业中原料药的分析、药物制剂中水分、有效成分的分析、药物生产品质的过程控制等方面近红外光谱技术得到了十分广泛的应用。 2·光谱介绍 近红外光是介于可见光和中红外光之间的电磁波，根据ASTM（美国试验和材料检测协会）定义是指波长在780～2526nm范围内的电
磁波，习惯上又将近红外区划分为近红外短波（780~1100nm）和近红外长波（1100~2526nm）两个区域。 近红外光谱属于分子振动光谱的倍频和主频吸收光谱，主要是由于分子振动的非谐振性使分子振动从基态向高能级跃迁时产生的，具有较强的穿透能力。近红外光主要是对含氢基团X－H（X=C、N、O）振动的倍频和合频吸收，其中包含了大多数类型有机化合物的组成和分子结构的信息。由于不同的有机物含有不同的基团，不同的基团有不同的能级，不同的基团和同一基团在不同物理化学环境中对近红外光的吸收波长都有明显差别，且吸收系数小，发热少，因此近红外光谱可作为获取信息的一种有效的载体。近红外光照射时，频率相同的光线和基团将发生共振现象，光的能量通过分子偶极矩的变化传递给分子；而近红外光的频率和样品的振动频率不相同，该频率的红外光就不会被吸收。因此，选用连续改变频率的近红外光照射某样品时，由于试样对不同频率近红外光的选择性吸收，通过试样后的近红外光线在某些波长范围内会变弱，透射出来的红外光线就携带有机物组分和结构的信息。通过检测器分析透射或反射光线的光密度，就可以确定该组分的含量。 3·近红外光谱技术在制药业中的应用 3·1 原料和活性组分的测定 药物加工过程中第一步就是原料的鉴定，其质量的好坏直接决定后续加工过程的成败于否，而同一类型的原料中多变因素主要是湿度和颗粒大小，近红外光谱在湿度测定中的灵敏度及其适于固体表面的表征的特性，使他能够很快地得到样品的湿度和颗粒大小的信息，然
现代近红外光谱分析仪工作原理
现代近红外光谱分析仪工作原理 现代近红外光谱分析仪工作原理 2011年02月08日 20世纪90年代初,外国厂商开始在我国销售近红外光谱分析仪器产品,但在很长时间内，进展不大，其原因主要是：首先，近红外光谱分析要求光谱仪器、光谱数据处理软件（主要是化学计量学软件）和应用样品模型结合为一体，缺一不可。但被分析样品会由于样品产地的不同而不同，国内外的样品通常有差异，因此，进口仪器的应用模型一般不适合分析国内样品。如果自己建立模型，就需要操作人员了解和熟悉化学计量学知识和软件，而外商在中国的代理机构缺乏这方面的专业人才，不能有效地根据用户的需要组织培训，因此，用户对这项技术缺乏全面了解，影响到了它的推广使用。其次，进口仪器价格昂贵，售后技术服务费用也往往超出大多数用户的承受能力。 现代近红外光谱分析技工作原理 近红外光谱主要是由于分子振动的非谐振性使分子振动从基态向高能级跃迁时产生的。近红外光谱记录的是分子中单个化学键的基频振动的倍频和合频信息，它常常受含氢基团X-H（X-C、N、O）的倍频和合频的重叠主导，所以在近红外光谱范围内，测量的主要是含氢基团X-H振动的倍频和合频吸收。 由于倍频和合频跃迁几率低，而有机物质在NIR光谱区为倍频与合频吸收，所以消光系数弱，谱带重叠严重。因此从近红外光谱中提取有用信息属于弱信息和多元信息，需要充分利用现有的光机技术、电子技术和计算机技术进行处理。计算机技术主要包括光谱数据处理和数据关联技术。光谱数据处理是消除仪器因素（灯及测量方式等）环境因素（如温度等）和样品物态（如颜色、形态等）等对光谱的影响。常采用的方法有平滑、微分、基线漂移扣减、多元散射校正（MSC）和有限脉冲响应滤波（FIR）等也可以用小波变换来进行部分处理。数据关联技术主要是化学计量学方法。化学计量学的发展使多组分分析中多元信息处理理论和技术日益成熟，解决了近红外光谱区重叠的问题。通过关联技术可以实现近红外光谱的快速分析。在近红外光谱的应用中我们所关心的是被测样品的组成或各种物化性质，因此，如何提取这些有用信息是近红外光谱分析的技术核心。现在的许多研究与应用表明，
红外光谱分析(2020年10月整理).pdf
红外光谱分析 序言 二十世纪初叶，Coblentz发表了一百多个有机化合物的红外光谱图，给有机化学家提供了鉴别未知化合物的有力手段。到四十年代红外光谱技术得到了广泛的研究和应用。当今红外光谱仪的分辨率越来越高，检测范围扩展到10000－200cm-1，样品量少至微克级。红外光谱提供的某些信息简捷可靠，检测样品中有无羰基及属于哪一类（酸酐、酯、酮或醛）是其他光谱技术难以替代的。因此，对从事有机化合物为研究对象的化学工作者来说，红外光谱学是必需熟悉和掌握的一门重要光谱知识。 一、基本原理 1、基本知识 光是一种电磁波。可根据电磁波的波长范围分成不同类型的光谱，它们各自反映出物质的不同类型的运动形式。表1列出这些电磁波的波长，其所在区域的光谱名称，以及对应的运动形式。
红外光谱研究的内容涉及的是分子运动，因此称之为分子光谱。 通常红外光谱系指2-25μ之间的吸收光谱，常用的为中红外区4000-650cm-1(2.5-15.4μ)或4000-400cm-1。 这段波长范围反映出分子中原子间的振动和变角振动，分子在振动运动的同时还存在转动运动。在红外光谱区实际所测得的图谱是分子的振动与转动运动的加合表现，即所谓振转光谱。 每一化合物都有其特有的光谱，因此使我们有可能通过红外光谱对化合物作出鉴别。 红外光谱所用的单位波长μ，波数cm-1。光学中的一个基本公式是λυ= C，式中λ为波长，υ为频率，C为光速(3×1010cm/s)。设υ为 波数，其含义是单位长度(1cm)中所含的波的个数，并应具有以下关系：波数(cm-1)＝104/波长(μ) 波长和波数都被用于表示红外光谱的吸收位置，即红外光谱图的横坐标。目前倾向于普遍采用波数为单位，而在图谱上方标以对应的波长值。红外光谱图的纵坐标反映的是吸收强度，一般以透过率(T%)表示。 2、红外光谱的几种振动形式 主要的基本可以分为两大类：伸缩振动和弯曲振动。 (1)伸缩振动(υ) 沿着键轴方向伸或缩的振动，存在对称与非对称两种类型。它的吸收频率相对在高波数区。 (2)弯曲振动(δ) 包括面内、面外弯曲振动，变角振动，摇摆振动等。它的吸收频率相对在低波数区。 4000cm-1（高） 400cm-1（低）
近红外光谱分析技术及发展前景
近红外光谱分析技术及发展前景 陈丽菊 刘 巍 近红外光(near infrared,N IR)是介于可见光(VL S)和中红外光(M IR)之间的电磁波,美国材料检测协会(ASTM)将波长780～2526nm的光谱区定义为近红外光谱区。近红外光谱主要应用两种技术获得:透射光谱技术和反射光谱技术。透射光谱波长一般在780～1l00nm范围内;反射光谱波长在1100～2526nm范围内。近红外光谱区(N IR)是由赫歇尔(Herschel)在1800年发现的。卡尔?诺里斯(Karl Norris)等人首先用近红外光谱区测定谷物中的水分、蛋白质。但是由于分子在该谱区倍频和合频吸收弱,且谱带重叠严重,难以分析和鉴定,以致N IR分析技术的研究曾一度陷入低谷,甚至处于停滞。20世纪80年代,随着计算机技术、仪器硬件的迅速发展,以及化学计量学方法在解决光谱信息提取和消除背景干扰方面取得的良好效果,使得近红外分析技术不仅用于农产品、食品和生物科学,而且还应用到石油化工、烟草、纺织、环保等行业。 近红外光谱分析的原理 近红外光谱是由于分子振动能级的跃迁(同时伴随转动能级跃迁)而产生的。近红外分析技术是依据被检测样品中某一化学成分对近红外光谱区的吸收特性而进行定量检测的一种方法。它记录的是分子中单个化学键的基频振动的倍频和合频信息,它的光谱是在700～2500nm范围内分子的吸收辐射。这个事实与常规的中红外光谱定义一样,吸收辐射导致原子之间的共价键发生膨胀、伸展和振动。中红外吸收光谱中包括有C-H键、C-C键以及分子官能团的吸收带。然而在N IR测量中显示的是综合波带与谐波带,它是R-H分子团(R是O、C、N和S)产生的吸收频率谐波,并常常受含氢基团X-H(C-H、N-H、O-H)的倍频和合频的重叠主导,所以在近红外光谱范围内,测量的主要是含氢基团X-H振动的倍频和合频吸收。使用N IR技术是因为它与样品相互作用时输出的能量效率比中红外光更为实用。N IR的辐射源(仪器上的灯)要比用在中红外的能量高得多,而且它的检测器也具有更高检测效率。这些因素意味着N IR仪器的信噪比值远高于中红外仪器。较高的信噪比意味着样品的观测时间可比中红外仪器短得多。近红外辐射对于样品的穿透性也较高,因此样品的前处理常较中红外简单。近红外光谱根据其检测对象的不同分成近红外透射光谱(N IT)和近红外反射光谱(N IR)两种。N IT是根据透射光与入射光强的比例关系来获得在近红外区的吸收光谱。N IR根据反射光与入射光强的比例获得在近红外光谱区的吸收光谱。近红外分析技术是综合多学科(光谱学、化学计量学和计算机等)知识的现代分析技术,使用包括N IR 分析仪、化学计量学光谱软件和被测物质的各种性质或浓度分析模型成套近红外分析技术等。经过对这种模型的校正,就可以根据被测样品的近红外光谱,快速计算出各种数据。建立被测样品成分的模型时,主要用到的校正方法有多元线性回归法(ML R)、主成分分析法(PCA)、偏最小二乘法(PL S)、人工神经网络法(ANN)。 近红外光谱分析方法的特点 近红外光谱分析方法有下列特点。 可采用光学方法进行。鉴于近红外具有较大的散射效应和较强的穿透性,近红外光谱的分析方法比较独特,可根据样品物态和透光能力的强弱采用透射、漫反射和散射等多种测谱技术进行物质检测。 近红外光子的能量比可见光低,不会对人体造成伤害,而且整个分析过程不会对环境造成任何污染,属于绿色分析技术。 近红外分析技术可在数分钟内完成多项参数的测定,分析速度可提高上百倍,分析成本可降低数十倍。用于传输近红外辐射光的光纤可长达200m, 新结构的固态电子和光电子器件。半导体低维结构已成为推动整个半导体科学技术迅猛发展的主要动力。低维材料不同于自然界中的物质,具有各种量子效应和独特的光、电、声、力、化学和生物性能,在未来的各种功能器件的应用中将发挥重要作用,并随理论和技术的发展得到更加广泛的应用。 (上海市东华大学理学院应用物理系 200051) ? 1 ?现代物理知识
第六章 红外光谱法
1.下列羰基化合物中，C=O伸缩振动频率出现最高的是：（） （A）RCOF （B）RCOCl （C）RCOH （D）RCOR 2.在醇类化合物中，O-H伸缩振动频率随溶液C上升，向低波数方向移动的原因是（）（A）溶液极性增加（B）诱导效应增加（C）分子间氢键的增加（D）易产生振动偶合 3.一种氯苯的红外谱图在900cm-1~690cm-1间无吸收带，它的可能结构为：（） （A）对二氯苯（B）间三氯苯（C）六氯苯（D）四取代氯苯 4.CO2的平动、转动、振动的自由度分别为：（） （A）324 （B）234 （C）342 （D）423 5.乙炔分子的平动、转动、振动自由度为（） A. 2, 3, 3 B. 3, 2, 8 C. 3, 2, 7 D. 2, 3, 7 6.分子式为C7H11N2OSCl的不饱和度Ω为：（） （A）1 （B）2 （C）3 （D）4 7.下面四种气体无红外吸收光谱的为（） （A）H2O （B）CO2（C）HCl （D）N2 8. 红外光谱法中的红外吸收带的波长位置与吸收谱带的强度, 可以用来（） A. 鉴定未知物的结构组成或确定其化学基团及进行定量分析与纯度鉴定; B. 确定 配位数; C. 研究化学位移; D. 研究溶剂效应. 9. 下列哪种方法是由外层电子跃迁引起的？( ) A. 原子发射光谱和紫外吸收光谱 B. 原子发射光谱和核磁共振谱 C. 红外光谱和Raman光谱 D. 原子光谱和分子光谱 10. 同时具有红外活性和拉曼活性的是：( ) A. O2对称伸缩振动 B.CO2的不对称伸缩振动 C. H2O的弯曲振动 D. CS2的弯曲振动 11. 分子不具有红外活性的者,必须是：( ) Ａ：分子的偶极矩为零Ｂ：分子没有振动Ｃ：非极性分子Ｄ：分子振动时没有偶极矩变化Ｅ：双原子分子 12 .试比较以下五个化合物,羰基伸缩振动的红外吸收波数最大者是:( ) A: B: C: D: E: 13．以下五个化合物羰基伸缩振动的红外吸收波数最小的是：( ) A: B: C: D: E:
近红外光谱(NIR)分析技术的应用
近红外光谱(NIR)分析技术的应用 近红外光谱分析是近20年来发展最为迅速的高新技术之一，该技术分析样品具有方便、快速、高效、准确和成本较低，不破坏样品，不消耗化学试剂，不污染环境等优点，因此该技术受到越来越多人的青睐。 一、近红外光谱的工作原理 有机物以及部分无机物分子中各种含氢基团在受到近红外线照射时，被激发产生共振，同时吸收一部分光的能量，测量其对光的吸收情况，可以得到极为复杂的红外图谱，这种图谱表示被测物质的特征。不同物质在近红外区域有丰富的吸收光谱，每种成分都有特定的吸收特征。因此，NIR能反映物质的组成和结构信息，从而可以作为获取信息的一种有效载体。 二、近红外光谱仪的应用 NIR分析技术的测量过程分为校正和预测两部分（如图一所示），(1)校正：①选择校正样品集，②对校正样品集分别测得其光谱数据和理化基础数据，③将光谱数据和基础数据，用适当的化学计量方法建立校正模型；(2)预测：采集未知样品的光谱数据，与校正模型相对应，计算出样品的组分。由此可知，建立一个准确的校正模型是近红外光谱分析技术应用中的重中之重。 图一 2.1定标建模
2.1.1 为什么要建立近红外校正模型 2.1.1.1 建立近红外校正模型的最终目标是获得一个长期稳定的和可预测的模型。 2.1.1.2 近红外光谱分析是间接的（第二手）分析方法，所以①需要定标样品集；②利用定标样品集的参比分析数据与近红外光谱建立校正模型；③近红外分析准确度与参比方法数据准确度高度相关；④近红外分析精度一般优于参比方法分析精度。 2.1.2 模型的建立与验证步骤 2.1.2.1 扫描样品近红外光谱 准确扫描校正样品集中各个样品规范的近红外光谱：为了克服近红外光谱测定的不稳定性的困难，必须严格控制包括制样、装样、测试条件、仪器参数等测量参数在内的测量条件。利用该校正校品集建立的数学模型，也只能适用于按这个的测量条件所测量光谱的样品。 2.1.2.2 测定样品成分（定量） 按照标准方法（如饲料中的粗蛋白GB/T6432、水分GB/T6435、粗脂肪GB/T6433）准确测定样品集中每个样品的各种待测成分或性质(称为参考数据)。这些值测定的精确度是近红外光谱运用数学模型进行定量分析精确度的理论极限。 2.1.2.3 建立数据对应关系 通过2.1.2.1所得光谱与2.1.2.2所得不同性质参数的参考数据相关联，使光谱图和其参考数据之间形成一一对应映射的关系，从而建立一个带参考数据的光谱文件。 2.1.2.4 剔除异常值 2.1.2.3建立的光谱文件中，样品参考值与光谱有可能由于各种随机的原因而有较严重的失真，这些样品的测定值称为异常值。为保证所建数学模型的可靠性，在建立模型时应当剔除这些异常值。 2.1.2.5 建立模型 选择算法、确定模型的参数、建立、检验与评价数字模型：常用的算法有逐步回归分析、偏最小二乘法、主成分回归分析等。这些算法的基本思想
红外光谱谱图质量影响因素汇总
红外光谱谱图质量影响因素汇总 1、扫描次数对红外谱图的影响：傅里叶变换红外光谱仪测量物质的光谱时, 检测器在接受样品光谱信号的同时也接受了噪声信号, 输出的光谱既包括样品的信号也包括噪声信号。 信噪比:与扫描次数的平方成正比。增加扫描次数可以减少噪声、增加谱图的光滑性。 2、扫描速度对红外谱图的影响：扫描速度减慢, 检测器接收能量增加; 反之, 扫描速度加快, 检测器接收能量减小。当测量信号小时( 包括使用某些附件时) 应降低动镜移动速度, 而在需要快速测量时,提高速度。扫描速度降低, 对操作环境要求更高, 因此应选择适当的值。 采用某一动镜移动速度下的背景, 测定不同扫描速度下样品的吸收谱图, 随扫描速度的加快, 谱图基线向上位移。用透射谱图表示时,趋势相反。所以在实验中测量背景的扫描速度与测量样品的扫描速度要一致。 3、分辨率对红外谱图的影响：红外光谱的分辨率等于最大光程差的倒数, 是由干涉仪动镜移动的距离决定的, 确切地说是由光程差计算出来的。分辨率提高可改善峰形, 但达到一定数值后, 再提高分辨率峰形变化不大, 反而噪声增加。分辨率降低可提高光谱的信噪比, 降低水汽吸收峰的影响, 使谱图的光滑性增加。 样品对红外光的吸收与样品的吸光系数有关,如果样品对红光外有很强的吸收, 就需要用较高的分辨率以获得较丰富的光谱信息;如果样品对红光外有较弱的吸收, 就必须降低光谱的分辨率、提高扫描次数以便得到较好的信噪比。 4、数据处理对红外谱图质量的影： (1)平滑处理：红外光谱实验中谱图常常不光滑,影响谱图质量。不光滑的原因除了样品吸潮以外还有环境的潮湿和噪声。平滑是减少来自各方面因素所产生的噪声信号, 但实际是降低了分辨率, 会影响峰位和峰强, 在定量分析时需特别注意。 (2)基线校正：在溴化钾压片制样中由于颗粒研磨得不够细或者不够均匀, 压出的锭片不够透明而出现红外光散射, 所以不管是用透射法测得的红外光谱,还是用反射法测得的光谱, 其光谱基线不可能在零基线上, 使光谱的基线出现漂移和倾斜现象。需要基线校正时,首先判断引起基线变化的原因, 能否进行校正。基线校正后会影响峰面积, 定量分析要慎重。 (3)样品量的控制对谱图的影响：在红外光谱实验中, 固体粉末样品不能直接压片, 必须用稀释剂稀释、研磨后才能压片。稀释剂溴化钾与样品的比例非常重要, 样品太少不行,样品太多则信息太丰富而特征峰不突出, 造成分析困难或吸收峰成平顶。对于白色样品或吸光系数小的样品, 稀释剂溴化钾与样品的比例是100：1; 对于有色样品或吸光系数大的样品稀释剂溴化钾与样品的比例是150：1。 5、影响吸收谱带的因素还有分子外和分子内的因素：如溶剂不同, 振动频率不同, 溶剂的极性不同, 介电常数不同, 引起溶质分子振动频率不同, 因为溶剂的极性会引起溶剂和溶 质的缔合, 从而改变吸收带的频率和强度。氢键的形成使振动频率向低波数移动、谱带加宽和强度增强(分子间氢键可以用稀释的办法消除, 分子内氢键不随溶液的浓度而改变)。 6、影响吸收谱带的其他因素还有：共轭效应、张力效应、诱导效应和振动耦合
第二章红外光谱习题
第二章红外光谱 一、判断题 [1] 红外光谱不仅包括振动能级的跃迁，也包括转动能级的跃迁，故又称为振转光谱。（√） [2] 同核双原子分子N≡N、Cl-Cl、H-H等无红外活性。（√） [3] 由于振动能级受分子中其他振动的影响，因此红外光谱中出现振动耦合谱带。（√） [4] 确定某一化合物骨架结构的合理方法是红外光谱分析法。（×） [5] 对称结构分子，如H2O分子，没有红外活性，水分子的H-O-H对称伸缩振动不产生吸收峰。（×） [6] 红外光谱图中，不同化合物中相同基因的特征频率峰总是在特定波长范围内出现，故可以根据红外光谱图中的特征频率峰来确定化合物中该基团的存在。（√） [7] 不考虑其他因素的影响，下列羰基化合物υc=0伸缩频率的大小顺序为：酰卤>酰胺>酸>醛>酯。（×） [8] 醛基中υC=H伸缩频率出现在2720cm-1。（√） [9] 红外光谱与紫外光谱仪在构造上的差别是检测器不同。（×） [10] 当分子受到红外光激发，其振动能级发生跃迁时，化学键越强吸收的光子数目越多。（×） [11] 游离有机酸C=O伸缩振动υc=0频率一般出现在1760cm-1，但形成多聚体时，吸收频率会向高波数移动。（×） [12] 醛、酮、羧酸等的羰基的伸缩振动在红外光谱中的吸收峰频率相同。（×） [13] 红外吸收峰的数目一般比理论振动数目少，原因之一是有些振动是非红外活性的。（√） [14] 红外光谱的特点是一方面官能团的特征吸收频率的位置基本上是固定的，另一方面它们又不是绝对不变的，其频率位移可以反映分子的结构特点。（√） [15] Fermi共振是一个基频振动与倍频(泛频)或组频之间产生耦合作用。（√） 二、选择题（单项选择） [1] 红外光可引起物质的能级跃迁是（C）。 A. 分子的电子能级的跃迁，振动能级的跃迁，转动能级的跃迁； B. 分子内层电子能级的跃迁； C. 分子振动能级及转动能级的跃迁； D. 分子转动能级的跃迁。 [2] H2O在红外光谱中出现的吸收峰数目为（A）。 A. 3 B. 4 C. 5 D. 2 [3] 在红外光谱中，C=O的伸缩振动吸收峰出现的波数(cm-1) 范围（A ）。 A. 1900~1650 B. 2400~2100 C. 1600~1500 D. 1000~650 [4] 在下列分子中，不能产生红外吸收的是（D ）。 A. CO B. H2O C. SO2 D. H2 [5] 下列化学键的伸缩振动所产生的吸收峰波数最大的是（D）。 A. C=O B. C-H C. C=C D. O-H [6] 表示红外分光光度法通常是（C）。 A. HPLC B. GC C. IR D. TLC [7] 羰基化合物①RCOR、②RCOCl、③RCOH、④RCOF中，C=O伸缩振动频率最高的是（D ）。 A. ① B. ② C. ③ D. ④ [8] 在醇类化合物中，O-H伸缩振动频率随溶液浓度增加而向低波数移动，原因是（B ）。
红外光谱的吸收
红外光谱的吸收
第六章红外吸收光谱法 基本要点： 1. 红外光谱分析基本原理； 2. 红外光谱与有机化合物结构； 3. 各类化合物的特征基团频率； 4. 红外光谱的应用; 5. 红外光谱仪. 学时安排：3学时 第一节概述 分子的振动能量比转动能量大，当发生振动能级跃迁时，不可避免地伴随有转动能级的跃迁，所以无法测量纯粹的振动光谱，而只能得到分子的振动-转动光谱，这种光谱称为红外吸收光谱。 红外吸收光谱也是一种分子吸收光谱。 当样品受到频率连续变化的红外光照射时，分子吸收了某些频率的辐射，并由其振动或转动运动引起偶极矩的净变化，产
生分子振动和转动能级从基态到激发态的跃迁,使相应于这些吸收区域的透射光强度减弱。记录红外光的百分透射比与波数或波长关系曲线，就得到红外光谱。 一、红外光区的划分 红外光谱在可见光区和微波光区之间，波长范围约为 0.75 ~ 1000μm，根据仪器技术和应用不同，习惯上又将红外光区分为三个区：近红外光区（0.75 ~ 2.5μm ），中红外光区（2.5 ~25μm ），远红外光区（25 ~ 1000μm ）。 近红外光区（0.75 ~ 2.5μm ） 近红外光区的吸收带主要是由低能电子跃迁、含氢原子团（如O—H、N—H、C—H）伸缩振动的倍频吸收等产生的。该区的光谱可用来研究稀土和其它过渡金属离子的化合物，并适用于水、醇、某些高分子化合物以及含氢原子团化合物的定量分析。中红外光区（2.5 ~ 25μm ） 绝大多数有机化合物和无机离子的基频吸收带出现在该 光区。由于基频振动是红外光谱中吸收最强的振动，所以该区最适于进行红外光谱的定性和定量分析。同时，由于中红外光谱仪最为成熟、简单，而且目前已积累了该区大量的数据资料，因此它是应用极为广泛的光谱区。通常，中红外光谱法又简称为红外光谱法。 远红外光区（25 ~ 1000μm ）该区的吸收带主要是由气体分子中的纯转动跃迁、 振动-转动跃迁、液体和固体中重原子的伸缩振动、某些变角振动、骨架振动以及晶体中的晶格振动所引起的。由于低频骨架振动能很灵敏地反映出结构变化，所以对异构体的研究特别方便。此外，还能用于金属有机化合物（包括络合物）、氢键、吸附现象的研究。但由于该光区能量弱，除非其它波长区间内没有合适的分析谱带，一般不在此范围内进行分析。 红外吸收光谱一般用T~ 曲线或T~ 波数曲线表示。纵坐标
近红外光谱分析技术发展和应用现状
摘?要?近红外光谱是目前国际公认的最有应用价值的分析技术之一，它在国民经 济中日益发挥着越来越重要的作用。本文主要介绍近5年国内外近红外光谱分析技术的发展及应用现状，并对我国在这一技术方向的研发提出建议。关键词?近红外光谱 化学计量学 在线分析 快速分析 现场分析 Abstract Near infrared spectroscopy (NIR) has been recognized as one of the most valu-able application technologies, which is playing more and more important roles in national economy. In this paper, the research and application status of near infrared spectroscopy analytical technology in the past five years both home and abroad are introduced, and the NIR research and development suggestions for our country are proposed in detail. Key words Near infrared spectroscopy Chemometrics On-line analysis Rapid analysis On-site analysis 近红外光谱分析技术发展和应用现状 The research and application status of near infrared spectroscopy analytical technology 引?言? 从1800年英国科学家赫歇耳（W Herschel ）发现近红外光，到1881年英国天文学家阿布尼（W Abney ）和E R Festing 用Hilger 光谱仪拍摄下48个有机液体的近红外吸收光谱（700~1100nm ），发现近红外光谱区（NIR ）的吸收谱带均与含氢基团有关，到1968年美国农业部的工程师K Norris 博士将近红外光谱用于农产品的快速分析，到1974年瑞典化学家S Wold 和美国华盛顿大学的B R Kowalski 教授创建化学计量学学科（Chemometris ），唤醒现代近红外光谱技术这个沉睡的分析“巨人”，到上世纪80年代末光纤在光谱中的应用，推动在线近红外光谱技术的应用和发展，到本世纪之初微机电系统（MEMS ）技术使NIR 仪器越来越小型化，到近些年近红外光谱化学成像（NIR Chemical Imaging ）技术的兴起和应用，现代近红外光谱分析技术走过200余年的发展历程，近红外光谱从光谱中的垃圾箱（因其宽且重叠严重的谱带而无法通过传统方法进行分析应用），发展成为当前很多领域不可或缺的一种分析手段[1~7]。 在这200余年尤其是近20年的发展过程中，近红外 光谱仪器得到不断改进和完善，针对不同样品类型的测量附件也逐渐完备、化学计量学算法日趋普及，近红外光谱技术在工业（尤其是大型流程工业）应用中的优势逐渐被人们所认识，迅速被应用到实验室快速分析、现场分析以及在线分析中，为企业带来丰厚的效益。更为重要的是，在一些行业近红外光谱技术成为促进技术进步（例如生产工艺的改革）以及提高科学管理（例如保证产品质量）的重要手段之一，已成为现代优化操作和控制系统中的一个重要组成部分。 国内外已有较多文献对近红外光谱技术（包括仪器、光谱成像、化学计量学算法与软件、应用等）做详尽的综述[8~13]，本文主要介绍近5年国内外近红外光谱分析技术的发展及应用现状，并对我国在这一技术方向的研发提出建议。 1?国际NIR 技术和应用现状 1.1?技术现状 近红外光谱分析技术是由光谱仪、化学计量学软件和校正模型3部分构成的，在线分析系统往往还包括取样与预处理、数据通讯等部分。 褚小立1?袁洪福2Chu?Xiaoli 1?Yu?Hongfu 2 （1.石油化工科学研究院?北京?100083；2.北京化工大学?北京?100029） (1.Research Institute of Petroleum Processing, Beijing, 100083; 2.Beijing University of Chemical Technology, Beijing 100083)
近红外光谱分析技术的应用及其局限性
近红外光谱分析技术的应用及其局限性 李子存1史永刚2宋世远2 １ 后勤工程学院基础部，重庆４０００１６ ２ 后勤工程学院油料应用工程实验中心，重庆４０００１６ 摘要:文章介绍了近红外光谱及其分析技术，指出近红外光谱分析方法的建立有赖于化学计量学的应用和参照标准方法，并对近红外光谱分析技术的局限性作了表述。 关键词：近红外光谱分析，化学计量学，局限性 1.前言 近红外谱区早在１８００年被发现，５０年代出现了商品近红外光谱仪，定量和定性分析的应用早于目前我们更熟悉的红外（即中红外）光谱，但是，近红外光谱吸收较红外光谱弱，谱带重叠多，受当时在光谱仪性能和信息提取技术条件的限制，近红外光谱分析技术应用不多，在中红外光谱分析技术快速发展期间，几乎被人们遗忘。直到１９５０年，Ｎｏｒｒｉｓ早期使用近红外光谱和多元线性回归分析进行测定水分、蛋白和脂肪含量取得的研究结果，才激励人们对近红外光谱分析技术进行不断地研究。随着计算机技术的高度发展和化学计量学（Ｃｈｅｍｏｍｅｔｒｉｃｓ）学科诞生，近红外与之结合产生了现代近红外光谱分析技术，尤其是近十年来，近红外在仪器、软件和应用技术上获得了高度发展，以高效和快速的特点异军突出，焕发了青春，倍受人们的关注１。 近红外光谱主要是含Ｘ—Ｈ（Ｘ＝Ｃ、Ｎ、Ｏ）基团的样品在中红外区域基频振动的倍频和合频吸收，范围为７００－２５００ｍｎ。与传统分析方法相比，近红外光谱分析技术对于提高分析工作效率，具有划时代的意义。由于近红外光谱仪除消耗少量电能外，不需消耗任何试剂、标准物质和设备零件，被测样品量仅为几毫升，极为经济。一台近红外光谱仪用于控制分析，可以替代多种多台分析仪器，可以节省大量设备费用、操作费用和维护费用、大量人力和物力，以及大量时间。近红外光谱分析具有如下特点： 不需要大量的试药、溶剂，安全性高； 前处理技术简单，量测过程迅速；分析方式简易；同一样本可以重复量测；可以同时量测同一样本内各种不同成分；机型小，可以携带至现场作业；适用固态、粉粒态、半固态、液态等各种样本。 由于近红外光谱分析技术的方便性，原理日趋成熟。１９７９年美国谷物学会首先将“用近红外光谱分析蛋白质含量”定为学会标准法（ＡＡＣＣ ｍｅｔｈｏｄ，３９－１０）。 目前，研究人员不需要对近红外光谱原理有所了解，就能利用厂商提供的设备创造出一系列论文，因此近红外光谱仪器又被称为“论文制造者”。 - 1 -
第二章 红外光谱习题教学提纲
第二章红外光谱习题
第二章红外光谱 一、判断题 [1]红外光谱不仅包括振动能级的跃迁，也包括转动能级的跃迁，故又称为振 转光谱。（√） [2]同核双原子分子N≡N、Cl-Cl、H-H等无红外活性。（√） [3]由于振动能级受分子中其他振动的影响，因此红外光谱中出现振动耦合谱 带。（√） [4]确定某一化合物骨架结构的合理方法是红外光谱分析法。（×） [5]对称结构分子，如H2O分子，没有红外活性，水分子的H-O-H对称伸缩振 动不产生吸收峰。（×） [6]红外光谱图中，不同化合物中相同基因的特征频率峰总是在特定波长范围 内出现，故可以根据红外光谱图中的特征频率峰来确定化合物中该基团的存在。（√） [7]不考虑其他因素的影响，下列羰基化合物υc=0伸缩频率的大小顺序为：酰 卤>酰胺>酸>醛>酯。（×） [8]醛基中υC=H伸缩频率出现在2720cm-1。（√） [9]红外光谱与紫外光谱仪在构造上的差别是检测器不同。（×） [10]当分子受到红外光激发，其振动能级发生跃迁时，化学键越强吸收的光子 数目越多。（×） [11]游离有机酸C=O伸缩振动υc=0频率一般出现在1760cm-1，但形成多聚体 时，吸收频率会向高波数移动。（×） [12]醛、酮、羧酸等的羰基的伸缩振动在红外光谱中的吸收峰频率相同。（×） [13]红外吸收峰的数目一般比理论振动数目少，原因之一是有些振动是非红外 活性的。（√） [14]红外光谱的特点是一方面官能团的特征吸收频率的位置基本上是固定的， 另一方面它们又不是绝对不变的，其频率位移可以反映分子的结构特点。 （√） [15]F ermi共振是一个基频振动与倍频(泛频)或组频之间产生耦合作用。（√） 二、选择题（单项选择） [1]红外光可引起物质的能级跃迁是（ C）。 A. 分子的电子能级的跃迁，振动能级的跃迁，转动能级的跃迁； B. 分子内层电子能级的跃迁； C. 分子振动能级及转动能级的跃迁； D. 分子转动能级的跃迁。
第六章 红外吸收光谱法
第六章红外吸收光谱法 一选择题 1分子光谱是由于___B___而产生的。 A 电子的发射 B 电子相对于原子核的运动以及核间相对位移引起的振动和转动 C 质子的运动 D 离子的运动 2溶剂对电子光谱的影响较为复杂，改变溶剂的极性，__B_____。 A 不会引起吸收带形状的变化 B 会使吸收带的最大吸收波长发生变化 C 精细结构并不消失 D 对测定影响不大 3红外光谱法中的红外吸收带的波长位置与吸收谱带的强度，可以用来_____A__。 A 鉴定未知物的结构组成或确定其化学基团及进行定量分析与纯度鉴定 B 确定配位数 C 研究化学位移 D 研究溶剂效应 4红外光谱的谱带较多，能较方便地对单组分或多组分进行定量分析，但红外光谱法的灵敏度较低，尚不适于____B___的测定。 A 常量组分 B 微量组分 C 气体试样 D 固体和液体试样 5 在有机化合物的红外吸收光谱分析中，出现在4000~1350cm-1频率范围的吸收峰可用于鉴定官能团，这一段频率范围称为_____A_。 A．指纹区，B．基团频率区，C．基频区，D．和频区。 6光学分析法主要根据物质发射、吸收电磁辐射以及物质与电磁辐射的相互作用来进行分析的。电磁辐射（电磁波）按其波长可分为不同区域，其中中红外区
波长为B______。 A 12820~4000cm-1 B 4000~200 cm-1 C 200~33 cm-1 D 33~10 cm-1 7 下列羰基化合物中C＝O伸缩振动频率最高的是：C A RCOR’ B RCOCl C RCOF D RCOBr 8. 红外光谱法中的红外吸收带的波长位置与吸收谱带的强度，可以用来____A___。 A. 鉴定未知物的结构组成或确定其化学基团及进行定量分析与纯度鉴定; B. 确定配位数; C. 研究化学位移; D. 研究溶剂效应. 二填空题 1 共轭效应使共轭体具有共面性，且使电子云密度平均化，造成双键略有伸长，单键略有缩短。因此，双键的红外吸收频率往___低_____波数方向移动。 2 在化合物R—C—H与R—C—F中，前者的C=O的伸缩振动产生的吸收峰的波数比后者的____低____；而在化合物R—C—R与R—C—NH2中，前者的C=O 的伸缩振动产生的吸收峰的波数比后者的______高__。 3在有机化合物中，常常因取代基的变更或溶剂的改变，使其吸收带的最大吸收波长发生移动，向长波方向移动称为___红（长）移______，向短波方向移动称为_____蓝（短）移______。 4 红外光谱是由于分子振动能级的跃迁而产生，当用红外光照射分子时，要使分子产生红外吸收，则要满足两个条件：(1)_____红外光辐射的频率与分子中某基团的震动频率相同 (2)_在震动的过程中，分子必须有偶极矩的改变 5红外光谱的强度与_______分子或基团的极性强弱______________成正比。