红外光谱的解析与应用

红外光谱的解析与应用

胡磊（09材料化学2班）

红外光谱(Infrared Spectroscopy, IR) 的研究开始于20 世纪初期，自1940 年商品红外光谱仪问世以来，红外光谱在有机化学研究中得到广泛的应用。20 世纪初Coblentz 已发表了100 多种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70 年代，在电子计算机蓬勃发展的基础上，傅立叶变换红外光谱(FTIR) 实验技术进入现代化学家的实验室，成为结构分析的重要工具。它以高灵敏度、高分辨率、快速扫描、联机操作和高度计算机化的全新面貌使经典的红外光谱技术再获新生。

基本原理

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和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和转动能级的跃迁，该处波长的光就被物质吸收。所以，

红外光谱法实质上是一种根据分子内部原子间的相对振动和分子转动等信息来确定物质分子结构和鉴别化合物的分析方法。将分子吸收红外光的情况用仪器记录下来，就得到红外光谱图。红外光谱图通常用波长(λ)或波数(σ)为横坐标，表示吸收峰的位置，用透光率(T%)或者吸光度(A)为纵坐标，表示吸收强度。

当外界电磁波照射分子时，如照射的电磁波的能量与分子的两能级差相等，该频率的电磁波就被该分子吸收，从而引起分子对应能级的跃迁，宏观表现为透射光强度变小。电磁波能量与分子两能级差相等为物质产生红外吸收光谱必须满足条件之一，这决定了吸收峰出现的位置。

红外吸收光谱产生的第二个条件是红外光与分子之间有偶合作用，为了满足这个条件，分子振动时其偶极矩必须发生变化。这实际上保证了红外光的能量能传递给分子，这种能量的传递是通过分子振动偶极矩的变化来实现的。并非所有的振动都会产生红外吸收，只有偶极矩发生变化的振动才能引起可观测的红外吸收，这种振动称为红外活性振动；偶极矩等于零的分子振动不能产生红外吸收，称为红外非活性振动。

分子的振动形式可以分为两大类：伸缩振动和弯曲振动。前者是指原子沿键轴方向的往复运动，振动过程中键长发生变化。后者是指原子垂直于化学键方向的振动。通常用不同的符号表示不同的振动形式，例如，伸缩振动可分为对称伸缩振动和反对称伸缩振动，分别用Vs 和Vas 表示。弯曲振动可分为面内弯曲振动(δ)和面外弯曲振动(γ)。从理论上来说，每

一个基本振动都能吸收与其频率相同的红外光，在红外光谱图对应的位置上出现一个吸收峰。实际上有一些振动分子没有偶极矩变化是红外非活性的；另外有一些振动的频率相同，发生简并；还有一些振动频率超出了仪器可以检测的范围，这些都使得实际红外谱图中的吸收峰数目大大低于理论值。

组成分子的各种基团都有自己特定的红外特征吸收峰。不同化合物中，同一种官能团的吸收振动总是出现在一个窄的波数范围内，但它不是出现在一个固定波数上，具体出现在哪一波数，与基团在分子中所处的环境有关。引起基团频率位移的因素是多方面的，其中外部因素主要是分子所处的物理状态和化学环境，如温度效应和溶剂效应等。对于导致基团频率位移的内部因素，迄今已知的有分子中取代基的电性效应：如诱导效应、共轭效应、中介效应、偶极场效应等；机械效应：如质量效应、张力引起的键角效应、振动之间的耦合效应等。这些问题虽然已有不少研究报道，并有较为系统的论述，但是，若想按照某种效应的结果来定量地预测有关基团频率位移的方向和大小，却往往难以做到，因为这些效应大都不是单一出现的。这样，在进行不同分子间的比较时就很困难。

光谱解析

一、定性分析

已知物的鉴定

将试样的谱图与标准的谱图进行对照，或者与文献上的谱图进行对照。如果两张谱图各吸收峰的位置和形状完全相同，峰的相对强度一样，就可以认为样品是该种标准物。如果两张谱图不一样，或峰位不一致，则说明两者不为同一化合物，或样品有杂质。如用计算机谱图检索，则采用相似度来判别。使用文献上的谱图应当注意试样的物态、结晶状态、溶剂、测定条件以及所用仪器类型均应与标准谱图相同。

未知物结构的测定

测定未知物的结构，是红外光谱法定性分析的一个重要用途。如果未知物不是新化合物，可以通过两种方式利用标准谱图进行查对：

（1）查阅标准谱图的谱带索引，与寻找试样光谱吸收带相同的标准谱图；

（2）进行光谱解析，判断试样的可能结构，然后在由化学分类索引查找标准谱图对照核实。

收集样品的有关资料和数据。了解试样的来源、以估计其可能是哪类化合物；

测定试样的物理常数，如熔点、沸点、溶解度、折光率等，作为定性分析的旁证；

根据元素分析及相对摩尔质量的测定，求出化学式并计算化合物的不饱和度。不饱和度：Ω=1+n4+（n3- n1）/2

式中n4、n3、n1、分别为分子中所含的四价、三价和一价元素原子的数目。二价原子如s、o等不参加计算。

Ω=0时，表示分子是饱和的，不含双键；

Ω=1时，可能有一个双键或脂环

Ω=2时，可能有两个双键和脂环，也可能有一个叁键；

Ω=4时，可能有一个苯环等

图解析方法：

先根据分子式其不饱和度，初步判断结构，查看特征官能团区，判断官能团的种类，最后查看指纹区，判断其精细结构，确定结构式。

1、—O—H 3650 ~ 3200 cm-1 确定醇，酚，酸

2、不饱和碳原子上的=C—H（ºC—H ）

苯环上的C—H 3030 cm-1

=C—H 3010 ~ 2260 cm-1

º C—H 3300 cm-1

3、C=O （1850 ~ 1600 cm-1 ）碳氧双键的特征峰，强度大，峰尖锐。

4、单核芳烃的C=C键伸缩振动（1626 ~ 1650 cm-1 ）

二、定量分析

红外光谱定量分析是通过对特征吸收谱带强度的测量来求出组份含量。其理论依据是朗伯-比耳定律。由于红外光谱的谱带较多，选择的余地大，所以能方便地对单一组份和多组份进行定量分析。此外，该法不受样品状态的限制，能定量测定气体、液体和固体样品。因此，红外光谱定量分析应用广泛。但红外噶定量灵敏度较低，尚不适用于微量组份的测定.。

红外光谱技术的应用

1、在制糖工业上的应用

国外制糖业应用近红外光谱技术的报道较多 主要是在糖品分析和

原料蔗按质论价方面的应用

2、在酒精生产中的应用

酒精生产是制糖业的重要组成部分。近红外技术作为一种快速准确的定量分析手段在酒精生产中有诱人的应用前景。在桔水的品质成分分析、酒精发酵最佳点的确定、酒精蒸馏时间的控制和酒精成品的品质检测例如无水酒精的水分

含量的检测 等方面都可以应用近红外技术。有研究表明利用近红外技术预测酒

精与葡萄糖的相对比例来评估发酵的完全性确定酒精发酵最佳点可将酒精产量提高1%。利用近红外技术检测酒精成品也十分快捷方便。

3、在制药业中的应用

关于近红外光谱技术在制药行业中应用的文献报道很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。

4、在食品安全领域的应用

目前近红外光谱分析技术由于其以上优点在解决食品安全领域的难题方面做出了突出的贡献越来越受到社会的肯定和重视该技术相继被应用到食品真伪以及掺假鉴别、食品种类鉴别、食品产地追溯、农药残留检测、污染物鉴别以及视频质量评估与分级等方面

红外光谱分析可用于研究分子的结构和化学键，也可以作为表征和鉴别化学物种的方法。红外光谱具有高度特征性，可以采用与标准化合物的红外光谱对比的方法来做分析鉴定。已有几种汇集成册的标准红外光谱集出版，可将这些图谱贮存在计算机中，用以对比和检索，进行分析鉴定。利用化学键的特征波数来鉴别化合物的类型，并可用于定量测定。由于分子中邻近基团的相互作用，使同一基团在不同分子中的特征波数有一定变化范围。此外，在高聚物的构型、构象、力学性质的研究，以及物理、天文、气象、遥感、生物、医学等领域，也广泛应用红外光谱。