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红外光谱分析及FTIR基础知识

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1 第一章 红外光谱的基本原理

l—1 光的性质

光是一种电磁波，它在电场和磁场二个正交面内波动前进．二个波峰或波谷之间的距离

为波长，以“ λ”表示。

电磁波包括波长短至0.1纳米的x射线到长达106

厘米的无线电波．其中波长为0.75

微米到200微米，即从可见光区外延到微波区的一段电磁波称红外光．红外光通常以微米为

单位(μm)．1微米等于10-4

厘米(1μm＝10-4

cm)，因此，红外光波长以厘米为单位时，其倒

数就是1厘米内的波数(ν)，所以波数的单位ν是厘米-1

（cm-1

）．红外光既可以波长(λ)，

也可以波数(cm-1

)表示，二者关系如(1-1)式所示：

ν（cm-1

）=104

/λ(μm) (1-1)

由于光的能量与频率有关，因此红外光也可以频率为单位．频率(f)是每秒内振动的次

数．频率、波长和波数的关系是，

f=c/λ=ν*c (1—2)

式中：c为光速，是常数(3×1010

厘米秒); λ是波长(微米)；f是频率(秒-1

)；ν是波数

(厘米-1

)．

由于波数是频率被一个定值(光速)除的商值，因此红外光谱中常将波数称为频率．

光既有波的性质，又有微粒的性质．可将一束光看作高速波动的粒子流，最小单位为光

子．根据爱因斯坦—普朗克关系式，一定波长或频率的单色光束中每个光子具有能量E,

E＝hf=hcν=hc/λ (1—3)

式中：h为普朗克常量，等于6．63×10-34焦耳·秒．

按(1.3)式可以算出波长2μm(5000厘米-1

)的红外光子能量为6．63×10-34

(焦

耳·秒)x3x1010

/2x10-4

厘米＝9．95x10-20

焦耳．

同理波长l0微米(1000厘米-1

)的红外光子的能量仅1．99×10-20

焦耳．可见波长短，能

量大．波长长，能量小．

1-2 分子光谱的种类

有机分子同其他物质一样始终处于不停的运动之中。分子在空间自由移动需要的能量为

移动能．沿重心轴转动的能量为转动能，约0.1—0.00l千卡/摩．二个以上原子连接在一起，

它们之间的键如同弹簧一样振动，所需能量为振动能，约5千卡/摩．此外分子中的电子从各

种成键轨跃入反键轨所需能量为电能，约100千卡/摩．

分子在未受光照射之前，以上描述的诸能量均处于最低能级，称之为基态．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。

红外光谱根据不同的波数范围分为三个区：

近红外区 13,330——400O厘米-1

(0.75-2.5微米)

中红外区4000—650厘米-1

(2.5一15.4微米)

远红外区 650—10厘米-1

(15一1000微米)

近红外区是可见光红色末端的一段，只有X—H或多键振动的倍频和合频出现在该区，在

研究含氢原子的官能团如O—H，N—H和C—H的化合物，特别是醇、酚、胺和碳氢化合物上，

以及研究末端亚甲基、环氧基和顺反双键等时比较重要．在研究化合物的氢键方面也很有

用．另外用偏振光可鉴定天然界多聚体如蛋白质和多肽等的α或β型．近来随着计算机技术

和化学计量学的发展，近红外光谱技术已发生了革命性的变化，被广泛的应用于多个领域的 2品质控制和分析。

中红外区是红外光谱中应用最早和最广的一个区．该区吸收峰数据的收集、整理和归纳

已经臻于相当完善的地步．由于4000—l000厘米-1

区内的吸收峰为化合物中各个键的伸缩和

弯曲振动，故为双原子构成的官能团的特征吸收．1400一650厘米-1区的吸收蜂大多是整个

分子中多个原子间键的复杂振动，可以得到官能团周围环境的信息，用于化合物的鉴定，因

此中红外区是我们讨论的重点。

远红外区应是200—10厘米-1

．由于一般红外仪测绘的中红外范围是5000—650厘米-1

或

5000一400厘米-1

，因此650—200厘米-1

也包括在远红外区．含重原子的化学键伸缩振动和

弯曲振动的基频在远红外光区，如C—X键的伸缩振动频率为650一450厘米-1

，弯曲振动频

率为350—250厘米-1

，均是强峰．肟分子中O—H的扭曲振动也在375—350厘米-1

，为一极

强的吸收．有氢键的化合物，X-H…X的伸缩振动在200-50厘米-1

；弯曲振动在50厘米-1

以下．

1—3 分子的振动方式

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二个原子沿着键作节奏

性伸和缩的运动，可以形象地比作连着A，B二个球的弹簧的谐振运动·

为此A—B键伸缩振动的基频可用虎克定律推导的(1—4)式计算其近似值， f=

mk

cπ21

(1—4)

式中f为键的振动基频，单位为厘米-1

；c为光速；k为化学键力常数，相当于虎克弹

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是质重

为m

A和m

B的A，B二原子的折合质量，即

BAA

mmBmm

B

+·

(1—4)式表明键的振动频率与力常数成正比，力常数愈大，振动的频率愈高．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．

如将C—H单键力常数(5×l05

达因/厘米)、碳原子质量(

231002.612

×)和氢原子质量

(

231002.61

×)代入(1—4)式，可得C—H键伸缩振动频率f≈

3040厘米-1

。与实际测量烷烃

化合物中C—H键的伸缩振动频率2975—2950厘米-1

很接近。

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，其中三个为转动、三个为移动、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。如顺式二氯乙烯在1580厘米-1

处有双键振动的强吸收峰。高度

对称的化学键，如反式二氯乙烯分子中的双键，由于分子振动前后的偶极矩没有改

C

C

HH

ClCl

C

C

ClH

ClH

变，此种双键在红外光谱中无吸收蜂(1665厘米-1

处的弱吸收峰是845和825厘米-1

的合频)。

由于对称双键极化度发生改变，因此在拉曼光谱中1580厘米-1

处有强吸收峰．

3—甲基—l,2—丙二烯的红外光谱在2000—1925厘米-1

处有丙二烯基团(C＝C＝C)的特

征峰．同样含有该基团的四甲基丙二烯，由于分子对称，在振动中无偶极矩变化而无此吸收f为波数 3峰．

C

C

H

3C

CHH

H

C

C

H

3C

CCH

3C

CH

3H

3

非线型分子中各基团有二种振动：伸缩振动用符号“ν”表示；弯曲振动用符号“δ”

表示．前者是沿原子间化学键的轴作节奏性伸和缩的振动．当二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)(图1-1a)．若是一个向外伸展，另一个向

内收缩为不对称伸缩振动(νas)(图1—lb)．

在正常振动中引起键角改变的振动称弯曲振动．向内弯曲的振动为剪动(δ)(图

1-lc)．同时向左或向右弯曲的振动(如图1-1d所示)为摆动(β)．这二种运动都在同一平

面内进行，统称为面内弯曲振动(δ面内

)．图l-le和f中“十”、“—”符号分别表示原子作垂纸面的运动．前者二个键同方向运动，称仰动(π或ω)．后者二个键异方向运动，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．

图1—1 非线型分子中基团的各种振动方式

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．今以乙醛为例，各种键的振动波数标于图1—2。甲基和醛

基的C—H键伸缩振动波数(νC—H)比弯曲振动波数(δ

C—H)大l倍多．

图1—2 乙醛分子中诸键伸缩和弯曲振动示意图 4 1—4 吸收峰类型

红外光谱的吸收峰可以分基频、倍频和合频三种．

(1)基频峰(fundamental band)

基频峰是分子吸收光子后从一个能级跃迁到相邻高一级的能级产生的吸收．以亚甲 基为例，下列诸振动峰均为基频峰．

(2)倍频峰(overtone bands)

倍频峰是分子吸收比原有能量大一倍的光子之后，跃迁二个以上能级产生的吸收峰，

出现在基频峰波数n倍(n＝2，3…)处．如基频为fl，f2…，则一级倍频为2f1，2f2…；二

级倍频为3f1，3f2…;依此类推．由于分子连续跳二级以上的几率很小，因此一级倍频峰

强度仅有基频峰的十分之一到百分之一，吸收峰的强度很弱．设碳基伸缩振动基频峰在

1715厘米-1

，一级倍频峰就在3430厘米-1

处，为一弱吸收．

(3)合频峰(combination band)

合频峰是在二个以上基频峰波数之和(f1十f2十…)或差(f1-f2-…)处出现的吸收

峰．吸收强度较基频峰弱得多．合频峰也包括同一种基团不同振动方式如伸缩振动波数和

弯曲振动波数的和(υ

X—H十δ

X—H)．

(4)热峰(hot bands)

热峰来源于跃迁时的低能级不是基态的一些吸收峰．在真空系统中(133.322×

10-4

-133.322×10-7

帕)用液氮；液氢或液氨冷却的低温固态化合物的红外光谱比室温溶液光

谱简单，原因是低温固态分子无秩序的热运动受到抑制，吸收峰变少并变尖(半波宽由～100

厘米-1

降至～5厘米-1

)，这种因温度降低而消失的峰称热峰，它实质上是基频蜂．苯甲酰氯室

温有二个碳基峰，有人将其归之于费米共振．但当温度降低后为一个单峰，可见其中之一为

热峰．

1—5 吸收峰位置

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，根据(1—4)

式，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．以

碳原子的键为例，与s和p轨杂化程度有关．C—H，＝C—H和≡C—H三种键分别为sp3

，sp2

和sp杂化键，s轨成分各占l／4，l／3和1/2，s轨成分越多键长越短，亦即力常数大．饱

和碳键的力常数为～50牛/厘米，双键碳～100牛/厘米，而三键碳为～150牛/厘米．因此当

原子折合质量相同时,键的伸缩振动波数随杂化键中“s”成分增多而升高，如ν

≡C—H＞ν

＝C—H

＞ν

—C—H；ν

C＝O＞ν

C—O·

弯曲振动与伸缩振动的方向性是不相同的，因此同一种化学键二者振动所需能量大

小刚好相反．以X—H键为例，当X同H连接的键p轨成分增多时，由于多轨的方向性比s

轨强，因此该键伸缩较易，而弯曲较难．所以饱和碳氢键、烯氢键和炔氢键的弯曲振动波数

大小顺序与伸缩振动波数相反：δ

C-H＞δ

=C—H＞δ

≡C—H,详见表l—1．

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红外光谱图分析口诀

红外光谱图分析口诀

红外光谱图分析口诀

红外光谱是一种分析物质结构及成分的分析技术，可以应用于从事化学、物理、药学和生物学研究的科学家、工程师、药剂师和技术员中非常流行。下面介绍红外光谱图分析的口诀：

1、气相红外光谱（FTIR）口诀：气体分析用红外检测、波数-吸引度关系探究。

2、液相红外光谱（Raman）口诀：气相分析外，液体也可测量；频率-强度求极性、发乎谱图呈分离。

3、固体红外光谱（ATR）口诀：原理同空气耦合，以反射检测，样品分析使用，性质细节了解。

4、拉曼变化图（LCT）口诀：样品状态变化的快慢，拉曼光谱变化图说明。

红外光谱图分析可以准确诊断物体的性质 和特别的特性，这样就可以找出含有不同有机成分的物质 ，例如，生物分子中必须存在化学振动，红外光谱分析能够精准识别每一个激发振动，以此了解不同物质的机理和过程，如酶反应调控、激素合成以及其他生命过程等。通过分析可以揭示药物，抗体，醛，醚，脂肪酸等在无机化合物中的存在，有助于研究多种大分子的动态性质和相互作用。

可以说，红外光谱分析是一种重要的化学分析技术，对于物理，化学以及生物学都具有重要意义，可以帮助我们理解物质性质及其特性，推断出复杂反应的化学机械过程，也可以帮助我们分析活性物质的成分，为研究多种大分子的动态性质及其之间的相互作用提供关键的证据。有了红外光谱分析，我们将能够有效的控制与对抗致病病原微生物，攻克多种疾病。

FTIR红外光谱原理及图谱解析完整版本课件 (一)

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FTIR红外光谱原理及图谱解析完整版本课件

(一)

FTIR红外光谱原理及图谱解析完整版本课件简介

FTIR红外光谱是一种常用的物质分析方法，广泛应用于化学、生物、环境等领域。本文介绍FTIR红外光谱的原理和图谱解析方法。

一、红外光谱原理

FTIR红外光谱的原理是基于物质分子振动的吸收和散射行为。当分子中的化学键振动时，将会吸收红外光谱区域的能量，产生特定的吸收峰。FTIR光谱分析仪通过红外光源和可变波长的光学器件将可见光波长转化为红外波长，使其能够与物质的振动共振。经过物质样品后，经过红外光谱检测器，将该区域的光强度转换为物质光谱图。

二、FTIR光谱图谱解析方法

1.波数和吸收峰

FTIR光谱图中，横坐标为波数，纵坐标为吸收率或透过率。不同物质的振动特性存在差异，因此所产生的吸收峰位置也不同。FTIR光谱图分析可以通过峰的波数来推断物质中的官能团，并可定性或定量分析样品中成分的存在。

2.峰形及其宽度

FTIR光谱图中峰形和宽度提供了有关振动模式和分子结构的信息。当样品存在着两种或更多种不同类型的化学键时，产生的峰可能是峰形尖锐的或不对称的，而单一类型的化学键则产生峰形较为平缓的吸收峰。

3.吸收强度

FTIR光谱中吸收强度是定量分析制备样品中成分存在的重要指标，吸收峰强度和峰的面积可用于计算样品中成分的含量。吸收因素可能包括洗涤和处理的语句、溶剂效应、仪器信噪比等因素。

4.干扰峰

物质在FTIR光谱测试过程中，可能会产生应力、化学作用、示谐频和空气湿度等干扰峰。为了避免这些因素影响光谱数据，应采取适当的标准条件、仪器校准等措施来进行分析，避免由于干扰而得到错误的结果。

结语

FTIR红外光谱分析是一种重要的化学分析技术。理解FTIR红外光谱的原理和图谱解析方法，能够帮助我们准确、敏捷地进行样品分析。

FTIR红外吸收光谱的基本原理是什么

FTIR红外吸收光谱的基本原理是什么

FTIR红外吸收光谱的基本原理是什么

FTIR红外吸收光谱(Fourier Transform Infrared Spectroscopy,

FTIR)是一种用于分析化学物质吸收红外光谱的技术，可以用来检测化合物的结构，分子组成，及其结构与性质之间的关系。红外光谱(IR)是由一定范围的电磁波组成，其中每一个能量包含着不同的特征性谱线，因此可以用来分析物质的结构，组成，和相互作用。FTIR红外吸收光谱的基本原理很简单，它使用研究物质所吸收的红外光进行分析。当物质沐浴着红外光时，它会吸收具有一些特定能量的光波段，而不吸收其他光波的能量。而研究物的结构所决定的在光谱中的特征性吸收谱线，可以用来判断物质中包含的成分，并研究它们之间的相互作用。

FTIR红外吸收光谱基于傅里叶变换，是对红外光谱的数字化分析。根据傅里叶定理，通过变换函数 ft(x)就可以从时域变换到频域。FTIR红外吸收光谱分析是通过将激发的红外光波与物质吸收光波相关联，形成不同能量的特征谱线，以及识别特定的红外谱线，从而分析物质结构。现在FTIR红外吸收光谱的最新发展，利用多维傅里叶变换等技术，可以分析l-到s-到l一维、二维和三维的数据，从而实现复杂的分析如动态NMRS特性分析的深入研究。

傅里叶 变换红外(ftir)光谱

傅里叶 变换红外(ftir)光谱

傅里叶变换红外(FTIR)光谱是一种常用的分析技术，它通过分析物质在红外光谱范围内的吸收和散射特性，来研究样品的成分、结构和性质。本文将从以下几个方面对傅里叶变换红外光谱进行介绍和解析。

一、傅里叶变换红外光谱原理简介

傅里叶变换红外光谱是利用物质分子对红外光的吸收和散射特性来研究其结构和成分的一种技术。当物质分子受到红外光的激发时，会发生特定振动和转动，这些振动和转动对应了物质分子内部的特定结构和键的存在。傅里叶变换红外光谱仪利用光源产生的连续光通过样品后，得到经过样品吸收、散射后的光信号，并使用傅里叶变换算法将这些信号转换成详细的光谱图像。通过解析这些光谱图像，可以获得样品中存在的各种成分的信息，包括它们的分子结构、官能团和键的类型、含量等。

二、傅里叶变换红外光谱的应用领域

傅里叶变换红外光谱广泛应用于化学、材料、制药、生物、环境和食品等领域。在化学领域，它常被用来鉴定有机化合物的结构、功能团的存在和含量，以及分子之间的相互作用；在材料领域，它常被用来研究材料的成分、性能和结构变化；在制药领域，它常被用来分析药品的成分和质量；在生物领域，它常被用来研究蛋白质、多糖等生物大分子的结构和功能。

三、傅里叶变换红外光谱的特点和优势 傅里叶变换红外光谱具有快速、准确、非破坏性等特点。相比传统的红外光谱技术，傅里叶变换红外光谱仪具有更高的光谱分辨率和灵敏度，可以检测到更低浓度的样品成分，还能够通过多种光谱技术的组合来获得更多细致的信息。傅里叶变换红外光谱技术还可以与其他分析技术相结合，如拉曼光谱、质谱等，扩大了其应用范围和分析能力。

四、结语

傅里叶变换红外光谱技术作为一种强大的分析工具，为科学研究和工程实践提供了重要的支持。随着技术的不断发展，傅里叶变换红外光谱将在更多领域发挥其作用，为人们的生活和工作带来更多便利和科学发现。傅里叶变换红外光谱（FTIR）技术是一种非常重要的分析技术，在许多领域都有着广泛的应用。它的原理是利用物质分子对红外光的吸收和散射特性来研究其结构和成分。FTIR技术具有快速、准确、非破坏性等特点，被广泛应用于化学、材料、制药、生物、环境和食品等领域。