红外光谱分析-第3节_红外光谱仪器
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红外光谱原理及仪器剖析红外光谱是研究物质分子结构、官能团及分子间相互作用的重要方法之一、它通过测量物质在红外辐射下的吸收、散射、透射等现象得到的信息,来揭示物质的化学、物理性质。
红外光谱的原理是基于物质吸收和发射红外辐射的现象。
在物质的红外光谱图谱中,吸收峰对应着物质分子中不同官能团振动状态的特征,通过对标准物质的红外光谱图谱进行比对,可以确定待测样品的化学成分和结构。
红外光谱仪是用于测量物质红外光谱的专用仪器,主要由光源、样品室、光学系统和检测器等部分组成。
光源可以采用红外灯、光电导、红外激光等,它会发射红外光,在光学系统中被聚焦后通过样品室中的待测样品。
样品室是红外光谱仪的核心部件,通常包括样品支架和透明窗口。
待测样品经过样品支架放置在样品室中,透明窗口能够让红外光通过并与样品发生作用。
样品室的设计还考虑了对样品温度和气氛的控制,以保证测量的准确性和可靠性。
光学系统是将从光源发出的红外光聚焦到样品上,并将样品经过红外光照射后产生的信号转换为电信号。
它主要包括光栅、透镜、反射镜等光学元件,通过精确的光学调节,可以将红外光的信息传递到检测器上。
检测器是红外光谱仪的另一个重要部件,它将从样品中散射或透射出来的红外光信号转换为电信号。
常用的检测器有热电偶、半导体探测器和光电二极管等。
这些检测器对不同波段的红外光有不同的响应特性,可以适应不同光谱测量的需求。
红外光谱仪的工作过程通常包括样品的准备、测量条件的设定和数据分析等步骤。
首先,将待测样品制备成适当形式,如固体样品经过研磨、液体样品经过稀释等。
然后,设定红外光谱仪的测量条件,包括光源的选择、采集光线的范围和速度等。
最后,将测量到的红外光谱数据进行分析,通常通过与标准物质光谱图谱的比对来确定样品的组成和结构。
红外光谱在有机化学、生化分析、材料科学等领域有着广泛的应用。
通过红外光谱技术,可以快速、准确地确定复杂化学物质的结构和官能团。
此外,红外光谱还可以用于研究物质的溶解、聚合、脱附等过程,为新材料的设计和开发提供参考。
红外光谱仪器的应用及原理简介红外光谱是一种常用的分析技术,广泛应用于化学、物理、生物等领域。
红外光谱仪器是实现红外光谱分析的关键设备,本文将介绍红外光谱仪器的应用领域以及其工作原理。
应用领域红外光谱仪器在许多领域都有广泛应用,包括但不限于以下几个方面:1. 化学分析红外光谱仪器可以用于化学物质的鉴定和定量分析。
由于每种物质在红外光谱上都具有独特的吸收特征,因此可以通过比对样品的红外光谱图与已知物质的光谱图进行对比,确定样品的成分和结构。
2. 生物医学在生物医学领域,红外光谱仪器常用于检测和分析生物分子,如蛋白质、核酸等。
通过红外光谱技术,可以了解生物分子的结构、功能和变化,为疾病的早期诊断和治疗提供依据。
3. 材料研究红外光谱仪器在材料科学和工程领域具有广泛应用。
通过对材料样品的红外光谱进行分析,可以研究材料的组成、结构和性质,为材料的制备和改性提供指导和依据。
4. 环境监测红外光谱仪器在环境监测中发挥着重要的作用。
例如,可以利用红外光谱技术监测大气中的气体成分,检测空气污染物的浓度。
此外,红外光谱仪器还可以用于土壤分析、水质监测等环境领域的研究和监测。
工作原理红外光谱仪器的工作原理基于物质对红外辐射的吸收和散射特性。
红外光谱仪器由以下几个主要部分组成:1. 光源红外光谱仪器中常用的光源包括红外灯泡或者红外激光器。
光源发出的红外辐射穿过样品后被检测器接收。
2. 样品室样品室用于容纳待测样品,并保持样品的稳定位置。
样品室一般有透明的窗口,使得红外辐射可以穿过样品。
3. 光谱仪光谱仪是红外光谱仪器中的核心部件。
它负责对红外辐射进行分光,将红外辐射按照不同波长进行分离,然后通过检测器进行信号检测。
4. 检测器检测器用于将光谱仪分光后的红外辐射信号转化为电信号。
常用的检测器包括热电偶、半导体探测器等。
5. 数据处理系统数据处理系统负责接收并处理检测器输出的电信号,并将其转化为红外光谱图。
通常,数据处理系统还可以对红外光谱图进行进一步处理和分析。
红外光谱分析一.基本原理红外吸收光谱(Infrared Absorption Spectrum,IR)是利用物质的分子吸收了红外辐射后,并由其振动或转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,得到分子振动能级和转动能级变化产生的振动-转动光谱,因为出现在红外区,所以称之为红外光谱。
利用红外光谱进行定性、定量分析及测定分子结构的方法称为红外吸收光谱法。
当分子受到红外光的辐射,产生振动能级的跃迁,在振动时伴有偶极矩改变者就吸收红外光子,形成红外吸收光谱。
若用单色的可见光照射(今采用激光,能量介于紫外光和红外光之间),入射光被样品散射,在入射光垂直面方向测到的散射光,构成拉曼光谱。
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,如下表所示:1. 分子振动类型有机分子中诸原子通过各类化学键联结为一个整体,当它受到光的辐射时,发生转动和振动能级的跃迁。
简单的双原子化合物如A-B 的振动方式是A 和B 两个原子沿着键的方向作节奏性伸和缩的运动,可以形象地比作连着A、B 两个球的弹簧的谐振运动。
为此A-B 键伸缩振动的基频可用胡克定律推导的公式计算其近似值式中,f 是键的振动基频,单位为cm-1;c 是光速;k 是化学键力常数,相当于胡克弹簧常数,是各种化学键的属性,代表键伸缩和张合的难易程度,与原子质量无关;m 是原子的折合质量,即m=m1·m2/(m1+m2)。
上式表明键的振动基频与力常数成正比,力常数越大,振动的频率越高。
振动的基频与原子质量成反比,原子质量越轻,连接的键振动频率越高。
上述是双原子化合物。
多原子组成的非线型分子的振动方式就更多。
含有n 个原子就得用3n 个坐标描述分子的自由度,其中3 个为转动、3 个为平动、剩下3n-6 个为振动自由度。
每一种振动按理在红外光谱中都应该有其吸收峰,但是事实上只有在分子振动时有偶极矩的改变才会产生明显的吸收峰。
红外光谱分析红外光谱与分子的结构密切相关,是研究表征分子结构的一种有效手段,与其它方法相比较,红外光谱由于对样品没有任何限制,它是公认的一种重要分析工具。
在分子构型和构象研究、化学化工、物理、能源、材料、天文、气象、遥感、环境、地质、生物、医学、药物、农业、食品、法庭鉴定和工业过程控制等多方面的分析测定中都有十分广泛的应用。
红外光谱可以研究分子的结构和化学键,如力常数的测定和分子对称性等,利用红外光谱方法可测定分子的键长和键角,并由此推测分子的立体构型。
根据所得的力常数可推知化学键的强弱,由简正频率计算热力学函数等。
分子中的某些基团或化学键在不同化合物中所对应的谱带波数基本上是固定的或只在小波段范围内变化,因此许多有机官能团例如甲基、亚甲基、羰基,氰基,羟基,胺基等等在红外光谱中都有特征吸收,通过红外光谱测定,人们就可以判定未知样品中存在哪些有机官能团,这为最终确定未知物的化学结构奠定了基础。
由于分子内和分子间相互作用,有机官能团的特征频率会由于官能团所处的化学环境不同而发生微细变化,这为研究表征分子内、分子间相互作用创造了条件。
分子在低波数区的许多简正振动往往涉及分子中全部原子,不同的分子的振动方式彼此不同,这使得红外光谱具有像指纹一样高度的特征性,称为指纹区。
利用这一特点,人们采集了成千上万种已知化合物的红外光谱,并把它们存入计算机中,编成红外光谱标准谱图库,人们只需把测得未知物的红外光谱与标准库中的光谱进行比对,就可以迅速判定未知化合物的成份。
下面将对红外光谱分析的基本原理做一个简单的介绍。
红外吸收光谱是物质的分子吸收了红外辐射后,引起分子的振动转动能级的跃迁而形成的光谱,因为出现在红外区,所以称之为红外光谱。
利用红外光谱进行定性定量分析的方法称之为红外吸收光谱法。
红外辐射是在年由英国的威廉.赫谢( ) 尔发现的。
一直到了年,才有人研究了纯物质的红外吸收光谱。
二次世界大战期间,由于对合成橡胶的迫切需求,红外光谱才引起了化学家的重视和研究,并因此而迅速发展。
红外光谱分析红外光谱分析是一种重要的分析技术,广泛应用于化学、生物、材料等领域。
通过测量物质在红外光谱范围内的吸收和发射特性,可以得到物质分子的结构信息,实现物质的鉴定、定量分析和质量控制等目的。
本文将从红外光谱的基本原理、仪器设备、样品制备和数据解析等方面介绍红外光谱分析的相关知识。
一、基本原理红外光谱分析基于物质对红外辐射的吸收特性。
红外辐射是电磁波谱中的一部分,波长范围在0.78μm至1000μm之间,对应的频率范围在3000GHz至0.3THz之间。
物质分子由原子组成,原子核围绕电子运动,当受到外界的电磁波激发时,分子内部的键振动和转动将发生改变,导致物质吸收特定波长的红外辐射。
不同物质的分子结构和化学键在红外光谱图上表现出特征性的吸收峰,通过观察这些吸收峰的位置和强度可以确定物质的成分和结构。
二、仪器设备进行红外光谱分析需要使用红外光谱仪。
常见的红外光谱仪包括傅立叶变换红外光谱仪(FTIR)和光散射式红外光谱仪(IR)。
FTIR光谱仪通过傅立叶变换技术将红外辐射转换为光谱图,具有高灵敏度和快速测量的优点,适用于定性和定量分析。
光散射式红外光谱仪则通过散射光信号进行检测,适用于固态样品和表面分析。
三、样品制备在进行红外光谱分析前,需要对样品进行适当的制备处理。
液态样品可以直接涂覆在透明吸收的样品基底上进行测试,固态样品通常需要将样品捣碎并与适当的载体混合后进行测试。
在取样和制备过程中需要避免空气和水分的干扰,避免发生氧化和水解反应,影响测试结果的准确性。
四、数据解析红外光谱分析得到的数据通常以吸收光谱图的形式呈现。
吸收光谱图的横轴表示波数或波长,纵轴表示吸收强度,吸收峰的位置和形状反映了物质的分子结构。
数据解析是红外光谱分析的关键步骤,需要借助专业的光谱库和软件进行分析和比对,以确定样品的成分和结构信息。
在实际应用中,红外光谱分析可用于鉴定有机化合物、无机物质、生物大分子等多种样品,广泛应用于医药、食品、环境、材料科学等领域。
第三章红外光谱分析法紫外-可见吸收光谱常用于研究具有共轭体系的有机化合物,而红外吸收谱则主要研究在振动中伴随偶极矩变化的化合物。
通常红外吸收带的波长位置与吸收谱带的强度,反映了分子结构上的特点,可用以鉴定未知物结构组成或确定其化学基团。
由于红外光谱分析特征性强,对气体、液体、固体均可分析,是鉴定有机化合物的最常用的方法之一。
常用的范围是400 - 4000cm-1。
一、红外吸收光谱的基本原理红外吸收光谱产生应满足两个条件:(1)辐射应具有能满足物质产生振动跃迁所需的能量;(2)辐射与物质间有相互偶合作用。
分子在振动过程中必须有瞬间偶极矩的改变。
对称分子:没有偶极矩,辐射不能引起共振,无红外活性。
如:N2、O2、Cl2 等。
非对称分子:有偶极矩,红外活性。
分子的振动可近似看为一些用弹簧连接的小球的运动。
分子的振动能级(量子化): E振=(V+1/2)hnV:化学键的振动频率;n:振动量子数。
任意两个相邻的能级间的能量差为:K化学键的力常数,与键能和键长有关, m为双原子的折合质量 m =m1m2/(m1+m2)发生振动能级跃迁需要能量的大小取决于键两端原子的折合质量和键的力常数,即取决于分子的结构特征。
多原子分子的振动多原子分子的振动较双原子分子振动复杂得多。
其振动的基本类型有伸缩振动(ν)和弯曲振动(δ)两大类。
伸缩振动是指原子沿键轴方向伸缩,使键长发生周期性变化的振动。
由于振动偶合作用,3个原子以上的基团还可分为对称伸缩振动和不对称伸缩振动,表示为ν对称和ν不对称。
弯曲振动又叫变形或变角振动,指基团键角发生周期性变化的振动。
弯曲振动的力常数较小,因此常出现在低频区。
红外吸收峰的强度主要取决于吸收过程中偶极矩的变化。
变化越大,吸收越强。
通常两个原子的电负性相差越大,吸收越强。
如C=O吸收峰是大多数红外谱图中吸收最强的峰。
二、基团频率与特征吸收峰组成分子的各个基团均有其特定的红外吸收区域。
根据化学健的性质,可将其分为四个区:4000 - 2500 cm-1 氢键区;2500 - 2000 cm-1 参键区;2000 - 1500 cm-1 双键区;1500 - 1000 cm-1 单键区。