红外光谱测试实验Z

红外光谱测试实验

一、引言

红外光谱法是鉴别化合物和确定物质分子结构的常用手段之一，用于物质（在振动中伴随有偶极矩变化的化合物）的定性鉴别和定量分析，广泛应用于有机化学、高分子化学、无机化学、化工、催化、石油、材料、生物、医药、环境等领域。

红外光谱仪的发展大致经历了这样的过程：第一代的红外光谱仪以棱镜为色散元件，它使红外分析技术进入了实用阶段。由于常用的棱镜材料如氯化钠、溴化钾等的折射率均随温度的变化而变化，且分辨率低，光学材料制造工艺复杂，仪器需恒温、低湿等，这种仪器现已被淘汰了。20世纪60年代以后发展起来的第二代红外光谱仪以光栅为色散元件。光栅的分辨能力比棱镜高得多，仪器的测量范围也比较宽。但由于光栅型仪器在远红外区能量很弱，光谱质量差，同时扫描速度慢，动态跟踪以及GC-IR联用技术很难实现等缺点，目前大多数厂家已停止生产光栅型仪器。第三代红外光谱仪是20世纪70年代以后发展起来的傅立叶变换红外光谱仪（Fourier Transform Infrared Spectroscopy，FTIR），它无分光系统，一次扫描可得到全谱。由于它具有以下显著特点，因此大大地扩展了红外光谱法的应用领域。

(1) 扫描速度快。测量时间短，可在ls内获得红外光谱，适于对快速反应过程的追踪，也便于和色谱法联用。

(2) 光通量较大。因而可以检测透射比较低的样品，便于利用各种附件，如漫反射、镜面反射、衰减全反射等附件。并能检测不同的样品：气体、固体、液体、薄膜和金属镀层等。

(3) 分辨率高。波数精度可达0.01cm-1，便于观察气态分子的精细结构。

(4) 测量范围宽。一台傅立叶变换红外光谱仪，只要相应地改变光源、分束器和检测器的配置，就可以研究整个红外区(10000～10cm-1)的光谱。

(5) 测定精度高，重复性可达0.1%，而杂散光小于0.01%。

之后，还发展了应用二极管阵列技术的近红外光谱仪（第四代），以及应用航天技术的“声光可调滤光器”（缩写为AOTF）技术的近红外光谱仪（第五代）。

二、实验目的

(1) 了解傅立叶变换红外光谱仪的结构和工作原理。

(2) 初步掌握红外光谱的测试和分析方法。

三、实验原理

1 基本原理

构成物质的分子都是由原子通过化学键连结而成，分子中的原子与化学键受光能辐射后均处于不断的运动之中。这些运动除了原子外层价电子的跃迁之外，还有分子中原子的相对振动和分子本身的绕核转动。当一束红外光照射物质时，被照射物质的分子将吸收一部分相应的光能，转变为分子的振动和转动能量，使分子固有的振动和转动能级跃迁到较高的能级，光谱上即出现吸收谱带。通常以

波长（μm ）或波数（cm -1

）为横坐标，吸光度（A ）或百分透过率（T%）为纵坐标，将这种吸收情况以吸收曲线的形式记录下来，得到该物质的红外吸收光谱或红外透射光谱，简称红外光谱。

上述分子中的各种运动形式都是由于吸收外来能量引起分子中能级跃迁所致，每一个振动能级的跃迁都伴随有转动能级的跃迁，因此，通常得到的红外光谱实际上是振动-转动光谱。

（1）透射率（透过率）T

000

100I

T I =

? 式中，I 0为入射光强度，I 为透射光强度。整个吸收曲线反映了一个化合物在不同波长的光

谱区域内吸收能力的分布情况。（2）红外光谱区域

通常将红外光谱区按波长分为3个区域，即近红外区、中红外区、远红外区，如表1所示。

表1 红外光谱区划分

绝大多数有机化合物红外吸收波数范围：4000 ~ 665 cm 红外光谱仪的标配检测器波数通常为4000 ~ 400 cm -1

。（3）分子振动方式

多原子分子中的化学键有多种振动形式，一般分为伸缩振动和弯曲振动两类。各键的振动频率不仅与这些键本身有关，也受到整个分子的影响。

伸缩振动（用符号“ν”表示）是沿原子间化学键的轴作节奏性伸和缩的振动。当两个化学键在同一平面内均等地同时向外或向内伸缩振动为对称伸缩振动(νs ) (见图1a)。若是一个向外伸展，另一个向内收缩为不（反）对称伸缩振动(νas ) (见图1b)。在正常振动中引起键角改变的振动称弯曲振动（用符号“δ”表示）。向内弯曲的振动为剪动(δ)(见图1c)。同时向左或向右弯曲的振动(见图1d)为摆动(ρ)。这两种运动都在同一平面内进行，统称为面内弯曲振动(δ面内)。图1e 和图1f 中“+”“-”符号分别表示原子作垂直纸面向上、向下的运动。前者两个键同方向运动，称仰动(π或ω )。后者两个键异方向运动，为扭动(τ)。它们都是平面外的弯曲振动(面外)。上述面内和面外弯曲振动有时以“β”和“γ”分别表示之。

同等原子之间键的伸缩振动所需能量远比弯曲振动的能量高，因此伸缩振动的吸收峰波数比相应键的弯曲振动峰波数高。

图1 非线型分子的振动方式

（4）双原子形成化学键的波数

以经典力学来处理分子中化学键的振动：将复杂分子看成是由不同质量的小球和不同倔强系数的弹簧组成的，小球代表原子，弹簧代表化学键。化学键振动近似为弹簧振子。若将双原子看成是质量分别为m1、m2的两个小球，把它们之间的化学键看成质量可忽略不计的弹簧，其长度为r(键长)，两个原子(谐振子)之间的伸缩振动可近似地看成沿轴线方向的简谐振动。

图2 双原子振动模型

伸缩振动的基频可由胡克（Hooke）定律推导的式(1)计算其近似值

（1）或

（2）式中：f ——键的振动基频（单位为Hz）

V ——波数（单位为cm-1）

c ——光速(3×1010cm·s-1)

k ——化学键的力常数(其单位：N·cm-1)

m——折合原子质量(单位：g)

可见，双原子分子红外吸收的频率决定于折合质量和键力常数。

若力常数k用N·cm-1为单位，折合质量m以原子量为单位，则上式可简化为

(cm-1)

式中 N A为Avogadro常数(6.022×1023 mol-1)

表2 常见化学键的伸缩力常数

键分子k／N·cm-1键分子k／N·cm-1

H－F HF9.7H－C CH2＝CH2 5.1

H－Cl HCl 4.8H－C CH≡CH 5.9

H－Br HBr 4.1C－Cl CH3Cl 3.4

H－I HI 3.2C－C 4.5～5.6

H－O H2O7.8C＝C9.5～9.9 H－O游离7.1C≡C15.0～17.0 H－S H2S 4.3C－O 5.0～5.8

H－N NH3 6.5C＝O12.0～13.0

H－C CH3X 4.7～5.0C≡N16.0～18.0

[例]计算HCl分子(k＝4.8N·cm-1)的振动波数。

解:

实测值为2885.9cm-1。

[例]计算-C=O(k＝12.5N·cm-1)的振动波数。

解:

式(1)和式(2)表明影响基本振动跃迁的频率或波数的直接因素为化学键力常数k和原子质量m。k越大，化学键的振动频率或波数越高，如

k CoC(2222cm-1)＞ k C=C(1667cm-1) ＞ k C-C(1429cm-1)（质量相近）

m越大，化学键的振动频率或波数越低，如

m C-C(1430cm-1) ＞ m C-N(1330cm-1) ＞ m C-O(1280cm-1)(力常数相近）

需说明的是，经典力学导出的波数计算式为近似式。因为振动能量变化是量子化的，分子中各基团之间、化学键之间会相互影响，即分子振动的波数与分子结构（内因）和所处的化学环境（外因）有关。

2 红外光谱产生的条件

当以红外光照射物质分子时，可能产生红外吸收。但并不是分子的任何振动都能产生红外吸收光谱，只有物质吸收了电磁辐射满足下列两个条件时,才能产生红外吸收光谱。

条件之一：光辐射的能量恰好能满足物质分子振动跃迁所需的能量。

即

E ＝hυ＝ΔE振＝E V n－E V O

说明了只有当红外辐射频率等于振动能级跃迁时的能量时，物质分子才能吸收红外光辐射，产生红外光谱。这是红外光谱产生的第一个条件。

条件之二：光辐射与物质之间能产生偶合作用，即物质分子在振动周期内能发生偶极矩的变化。

分子显现出不同的极性。用分子的偶极矩(μ)描述分子极性的大小。分子在振动过程中导致了瞬间偶极矩的改变。产生红外吸收现象，也就产生了红外吸收光谱。这是红外光谱产生的第二个条件。

红外光谱产生的实质是外界光辐射的能量通过偶极矩的变化转移到了分子内部、使其吸收了光能产生了红外光谱。可见，只有发生偶极变化的振动才能引起可观的红外吸收峰。

对于对称分子如N2、O2，由于其正负电荷中心重迭，即Dm＝0，故分子中原子的振动并不引起偶极矩的变化，所以它们的振动不产生红外吸收。这种振动称为非红外活性的。反之，则称为红外活性的，如CO，HCl等。

3 傅立叶变换红外光谱仪工作原理

如图3，仪器中的Michelson干涉仪将光源发出的光分成两光束后，再以不同的光程差重新组合，发生干涉现象。当两束光的光程差为l/2的偶数倍时，则落在检测器上的相干光相互叠加，产生明线，其相干光强度有极大值；相反，当两束光的光程差为l/2的奇数倍时，则落在检测器上的相干光相互抵消，产生暗线，相干光强度有极小值。由于多色光的干涉图等于所有各单色光干涉图的加合，故得到的是具有中心极大，并向两边迅速衰减的对称干涉图。

干涉图包含光源的全部频率和与各频率相对应的强度信息，所以如有一个有红外吸收的样品放在干涉仪的光路中，由于样品能吸收特征波数的能量，结果所得到的干涉图强度曲线就会相应地产生一些变化。包含每个频率强度信息的干涉图，可借助数学上的Fourier变换技术对每个频率的光强进行计算，从而得到吸收强度或透过率随波数变化的普通光谱图。

图3 傅立叶变换红外光谱仪原理图

4 红外光谱法的应用

有机化合物的定性鉴定和结构分析。

（1）定性分析

（a）已知物的鉴定

将试样的谱图与标准的谱图进行对照，或者与文献上的标准谱图进行对照。

如果两张谱图的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，或峰位不对，则说明两者不为同一物，或样品中有杂质。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。

（b）未知物结构的测定

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来进行查对：一种是查阅标准谱图的谱带索引，寻找与试样光谱吸收带相同的标准谱图；另一种是进行光谱解析，判断试样的可能结构，然后再由化学分类索引查找标准谱图对照核实。

在对光谱图进行解析之前，应收集样品的有关资料和数据。诸如了解试样的来源，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、旋光率等，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。

（c）几种标准图谱集

最常见的标准图谱有3种：

（c1）Sadtler标准光谱集

这一套连续出版的大型综合性活页图谱集，由美国费城Sadtler Research Laboratories收集整理并编辑出版。到1985年已收集了69000张棱镜图谱，到1980年已收集了59000张光栅图谱。另外，它备有多种索引，便于查找。

（c2）Aldrich红外图谱库

Pouchert C.J.编，Aldrich Chemical Co.出版，3 ed.,1981。它汇集了12000余张各类有机化合物的红外光谱图，全卷最后附有化学式索引。

（c3）Sigma Fourier红外光谱图库

Keller R.J.编，Sigma Chemical Co.出版，2卷，1986。它汇集了10400张各类有机化合物的FTIR谱图，并附索引。

（2）定量分析

红外光谱定量分析是依据物质组分的吸收峰强度来进行的，它的理论基础是Lambert-Beer定律。

用红外光谱作定量分析的优点是有许多谱带可供选择，有利于排除干扰；对于物理和化学性质相近，而用气相色谱法进行定量分析又存在困难的试样(如沸点高，或气化时要分解的试样)往往可采用红外光谱法定量；而且气体、液体和固态物质均可用红外光谱法测定。（3）其他应用

（a）半导体材料中杂质和缺陷的测量

红光光谱（特别是傅里叶变换红外光谱）是常用的半导体材料测试分析技术之一，它属于无损检测方法，对半导体材料几乎没有破坏。红外测试技术主要应用来探测半导体材料的组分，特别是可以定性、定量地测量半导体材料中的微量杂质（如氧、碳、氢、氮及空位缺陷等）及其浓度，研究杂质和相关复合体的精细结构，其图谱分析相对比较简单、直观，在半导体材料和器件的测试中广泛应用。

（b）医药领域中组织细胞和药物的测量

目前傅里叶红外光谱技术已广泛应用于癌变病理分析。通过正常组织细胞和癌变细胞组织的红外光谱的谱学差异，届时细胞的分子结构差异，并结合病理诊断结果，鉴别肿瘤的良、恶性以及肿瘤的分型与分级。

药物的同质多晶现象在医药工业中较为常见，由于不同晶型的药物在密度、稳定性、溶解度、生物利用度等方面差异很大，往往造成负面影响，因此保持药物晶型一致性非常重要。利用漫反射傅里叶红外光谱分析可在天然状态下测定固体样品的红外光谱，由于不同晶型的药物对应的谱图不同，因此对药物晶型分析非常有用。

（c）高分子化合物结构和结晶度的测量

基团吸收带的位置决定于分子能级的分布，吸收谱带的强度与跃迁概率有关，又与基团在样品中的含量有关，所以它具有定性和定量依据的两重性。而偏振方向与跃迁偶极方向有关，因此，红外光谱不仅可以测高聚物的结构，还可以测定它的结晶度，判断它的立体结构。（d）宝石鉴定

漫反射和全反射红外光谱可用来鉴别天然宝石和人工优化处理过的宝石，如对不含任何包裹体的祖母绿与合成祖母绿、紫晶与合成紫晶等加以区别。

四、实验装置

实验装置主要有NICOLET AVATAR 360 FT-IR红外光谱仪，红外灯，研钵，压片螺母螺杆，粉末样品等。

Fourier变换红外光谱仪没有色散元件，主要由光源(硅碳棒)、Michelson干涉仪、检测器、计算机和记录仪等组成。其核心部分是Michelson干涉仪，它将光源来的信号以干涉图的形式送往计算机进行Fourier变换的数学处理，最后将干涉图还原成光谱图。

图4 AVATAR 360 FT-IR 内部结构

图5 Fourier变换红外光谱仪工作原理示意图

图6 Michelson干涉仪光学示意及工作原理图

五、实验内容

1 试样的处理和制备

(1) 红外光谱法对试样的要求

红外光谱的试样可以是气体、液体或固体，一般应符合以下要求：

(a) 试样应该是单一组分的纯物质。纯度应＞98%或符合商业规格，这样才便于与纯化合物的标准光谱进行对照。多组分试样应在测定前尽量预先用分馏、萃取、重结晶、区域熔融或色谱法进行分离提纯，否则各组分光谱相互重叠，难予解析(当然，GC-FTIR法例外)。

(b) 试样中不应含有游离水。水本身有红外吸收，会严重干涉样品谱，而且会侵蚀吸收池的盐窗。

(2) 制样方法

(a) 固体试样

(ⅰ) 压片法。将1～2mg试样与200mg纯KBr研细混匀，置于模具中，用(5～10)×107Pa 压力在油压机上压成透明薄片，即可用于测定。试样和KBr都应经干燥处理，研磨到粒度于2μm，以免散射光影响。KBr在4000～400cm-1光区不产生吸收，因此可测绘全波段光谱图。

(ⅱ) 石蜡糊法。将干燥处理的一试样研细，与液体石蜡或全氟代烃混合，调成糊状，夹在盐片中测定。液体石蜡油自身的吸收带简单，但此法不能用来研究饱和烷烃的吸收情况。

(ⅲ) 薄膜法。主要用于高分子化合物的测定。可将它们直接加热熔融后涂制或压制成膜。也可将试样溶解在低沸点的易挥发溶剂中，涂在盐片上，等溶剂发后成膜来测定。

注：当样品量特别少或样品面积特别小时，必须采用光束聚光器，并配有微量液体池、微量固体池和微量气体池，采用全反射系统或用带有卤化碱透镜的反射系统进行测量。(b) 液体和溶液试样

常用的方法有：

(ⅰ) 液体池法。对于沸点较低，挥发性较大的试样，可注入封闭液体池中，液层厚度一般为0.01～1mm。

(ⅱ) 液膜法。沸点较高的试样，直接滴在两块盐片之间，形成液膜。对于一些吸收很强的的液体，当用调整厚度的方法仍然得不到满意的谱图时，可用适当的溶剂配成稀溶液来测定。一些固体也可以以溶液的形式来进行测定。常用的红外光谱溶剂应在所测光谱区内本身没有强烈吸收，不侵蚀盐窗，对试样没有强烈的溶剂化效应等。例如，CS2是1350～600cm-1区域常用的溶剂，CCl4用于 4000～1350cm-1区。

气态试样可在玻璃气槽内进行测定，它的两端粘有红外透光的NaCl或KBr窗片。先将气槽抽真空，再将试样注入。

2 测量操作

(1) 开机：

打开辅助设备（如打印机等）→打开红外光谱仪电源开关→打开PC机电源开关，进入Windows98操作环境。双击“EZ OMNIC”图标→弹出“Log Into OMNIC”窗口，提示输入用户名（User Name）；输入正确的用户后，点击“OK”键，即可启动红外光谱仪的控制程序，显示“EZ OMNIC”窗口。

(2) 设置：

点击“EZ OMNIC”主菜单的“Collect”,选取“Experiment Setup”，弹出“Experiment Setup”窗口后，选取其中的“Collect”可选项，将其中的“No. of scans”设置为32，将“Resolution：”设置为“2”或“4”，将“Background Handling”选设为“Collect Background before Every Sample”。然后，选取“Experiment Setup”中的“Bench”，对其中的“Accessory：”、“Window Material：”等项目，根据需要进行选取。设置完后，点击“Experiment Setup”窗口左下角的“OK”。

(3) 扫描测试：

点击“EZ OMNIC”工具栏的“Col Smp”（Collect Sample）图标，弹出“Collect Sample”窗口，提示输入“Spectrum Title”，输入后，点击“OK”，则弹出“Confirmation”窗口，这时可对“Background”进行扫描：确认光谱仪中样品架上无样品后，点击“OK”，过一会儿即出现Background扫描谱线。

图7 背景光谱图