红外光谱测试方案课件.ppt
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1、 红外光谱红外光谱红外光谱 (IR) infrared spectroscopy 当样品受到频率连续变化的红外光频率连续变化的红外光照射时,分子吸收了某些特定频率的辐射,并由其振动或转动运动引起偶极矩的变化偶极矩的变化,产生分子分子振动和转动能级从基态到激发态的跃迁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吸收区域的透射光强度减弱射光强度减弱。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。 利用物质对红外光区电磁辐射的选择性吸收的特性来进行结构分析、定性和定量的分析方法,称红外吸收光谱法红外光谱法概述概述红外线红外线:原子核转变电磁转动分子转动分子振动外层电子的
2、跃迁内层电子的跃迁-射线X 射线紫外可见近近红红外外中红外远红外电子自旋振动核磁振动红外微波Radio, TV 无线电波InteractionRegion108107106105104103102101110-110-210-310-1010-910-810-710-610-510-410-310-210-11101Wavelength(cm-1)Wavelength(m)4000 cm-1 ()400 cm -1 ()谱区范围三、红外光谱的作用三、红外光谱的作用 绝大多数有机化合物的基频吸收基频吸收带出现在MIR光 区。基频振动是红外光谱中吸收最强的振动,最适于 进行红外光谱的定性和定量分析
3、。中红外光谱仪最为 成熟、简单,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。中红外光谱法又简称为红外光谱法。 红外光谱是鉴别物质鉴别物质和分析物质化学结构化学结构的有效手段,已被广泛应用于物质的定性鉴别、物相分析和定量测定,并用于研究分子间和分子内部的相互作用。四、红外光谱的表示方法四、红外光谱的表示方法T 曲线曲线 前疏后密前疏后密T曲线曲线 前密后疏前密后疏)(10)(41mcmIR与与UV的区别的区别IRUV起源起源分子振动能级伴随转动能级跃迁分子外层价电子能级跃迁适用适用所有红外吸收的有机化合物具n-*跃迁有机化合物具-*跃迁有机化合物特征性特征性特征性强简单、
4、特征性不强用途用途鉴定化合物鉴定官能团推测结构定量推测有机化合物共轭骨架红外分光光度法基本原理红外分光光度法基本原理 红外吸收光谱的产生红外吸收光谱的产生振动形式振动形式 原子沿键轴方向伸缩,键长发生变化而键角不变的振动称为伸缩振动,用符号表示。它又可以分为对称伸缩振动( s)和不对称伸缩振动( as )。 基团键角发生周期变化而键长不变的振动称为变形振动,用符号表示。面内变形振动又分为剪式(以表示)和平面摇摆振动(以表示)。面外变形振动又分为非平面摇摆(以表示)和扭曲振动(以表示)。图示129603cmasCH129252cmasCH128703cmsCH128502cmsCH1201465
5、2cmCH114503cmasCH113753cmsCH17202cmCH红外吸收峰 实验表明,组成分子的各种基团,如O-H、N-H、C-H、C=C、C=OH和CC等,都有自己的特定的红外吸收区域,分子的其它部分对其吸收位置影响较小。 通常把这种能代表及存在、并有较高强度的吸收谱通常把这种能代表及存在、并有较高强度的吸收谱带称为基团频率,其所在的位置一般又称为特征吸收峰。带称为基团频率,其所在的位置一般又称为特征吸收峰。红外吸收峰红外吸收峰 红外光谱区可分成4000 cm-1 1300 cm-1、 1300 cm-1 600 cm-1两个区域。 4000 cm-1 1300 cm-1 之间,称
6、为之间,称为基团频率区、官能团区或特征区。基团频率区、官能团区或特征区。区内的峰是由伸缩振动产生的吸收带,比较稀疏,容易辨认,常用于鉴定官能团(最有分析价值)。 1300 cm-1 600 cm-1 区域内区域内,除单键的伸缩振动外,还有因变形振动产生的谱带。这种振动与整个分子的结构有关。当分子结构稍有不同时,该区的吸收就有细微的差异,并显示出分子特征。这种情况就像人的指纹一样,因此称为指纹区指纹区。(作为化合物存在某种基团的旁证)特征区(官能团区)特征区(官能团区)分为三个区域:(1)4000 2500 cm-1 X-H伸缩振动区伸缩振动区 (X可以是可以是O、H、C或或S等原子)等原子)
7、的伸缩振动出现在3650 3200 cm-1 范围内,它可以作为判断有无醇类、酚类和有机酸类的重要依据。羟基化合物产生缔合现象,O-H基的伸缩振动吸收峰向低波数方向位移,在3400 3200 cm-1 出现一个宽而强的吸收峰。胺和酰胺的N-H伸缩振动也出现在35003100 cm-1 ,因此,可能会对O-H伸缩振动有干扰。 的伸缩振动可分为饱和和不饱和的两种。伸缩振动出现在3000 cm-1以下,约30002800 cm-1 ,取代基对它们影响很小;伸缩振动出现在3000 cm-1以上,以此来判别化合物中是否含有不饱和的C-H键;键伸缩振动出现在3030 cm-1附近,它的特征是强度比饱和的C
8、-H浆稍弱,但谱带比较尖锐。 特征区(官能团区)特征区(官能团区)分为三个区域: 主要包括-CC、 -CN等等叁键的伸缩振动,以及-C =C=C、-C=C=O等累积双键的不对称性伸缩振动。 对于炔烃类化合物,可以分成R-CCH和R-C C-R两种类型, 的伸缩振动出现在附近; 出现在附近;的 伸缩振动在非共轭的情况下出现在附近。当时,该峰位移到附近。特征区(官能团区)特征区(官能团区)分为三个区域: 该区域重要包括三种伸缩振动: 出现在19001650 cm-1 ,是红外光谱中很特征的且往往是最强的吸收,以此很容易判断酮类、醛类、酸类、酯类以及酸酐等有机化合物。酸酐的羰基吸收带由于振动耦合而呈
9、现双峰。 烯烃 的C=C伸缩振动出现在16801620 cm-1 ,一般很弱;单核芳烃的C=C伸缩振动出现在1600 cm-1和1500 cm-1附近,有两个峰,这是芳环的骨架结构,用于确认有无芳核的存在。 出现在20001650 cm-1范围,是C-H面外和C=C面内变形振动的泛频吸收,虽然强度很弱,但它们的吸收面貌在表征芳核取代类型上是有用的。指纹区指纹区 C-O、C-N、C-F、C-P、C-S、 P-O、Si-O等单键的伸缩振动和C=S、S=O、P=O等双键的伸缩振动吸收。其中1375 cm-1的谱带为甲基的C-H对称弯曲振动,对识别甲基十分有用,C-O的伸缩振动在13001000 cm
10、-1 ,是该区域最强的峰,也较易识别。 某些吸收峰可用来确认化合物的顺反构型顺反构型。烯烃的=C-H面外变形振动出现的位置,很大程度上决定于双键的取代情况。对于RCH=CH2结构,在990 cm-1和910 cm-1出现两个强峰;为RC=CRH结构是,其顺、反构型分别在690 cm-1和970 cm-1出现吸收峰,可以共同配合确定苯环的取代类型。 吸收峰类型吸收峰类型 分子吸收红外辐射后,由基态振动能级(=0)跃迁至第一振动激发态(=1)时,所产生的吸收峰称为基频峰基频峰。 在红外吸收光谱上除基频峰外,还有振动能级由基态( =0)跃迁至第二激发态( =2)、第三激发态( =3),所产生的吸收峰
11、称为倍频峰倍频峰。在倍频峰中,二倍频峰还比较强。三倍频峰以上,因跃迁几率很小,一般都很弱,常常不能测到。倍频峰、合频峰和差频峰统称为泛频峰泛频峰注:振动自由度反映吸收峰数量 并非每个振动都产生基频峰吸收峰数常少于振动自由度数 吸收峰的数量与振动的自由度有关。振动的自由度指分子独立的振动数目,或基本的振动数目N3振动自由度转动自由度平动自由度分子自由度转动自由度)(平动自由度分子振动自由度 N363 NF非线性分子:53 NF线性分子:示例水分子非线性分子3633F吸收谱带的强度吸收谱带的强度 红外吸收谱带的强度取决于分子振动时偶极矩的变化,而偶极矩与分子结构的对称性有关。振动的对称性越高,振动
12、中分子偶极矩变化越小,谱带强度也就越弱。 一般地,极性较强的基团(如C=0,C-X等)振动,吸收强度较大;极性较弱的基团(如C=C、C-C、N=N等)振动,吸收较弱。 红外光谱的吸收强度一般定性地用很强(vs)、强(s)、中(m)、弱(w)和很弱(vw)等表示。红外光谱仪红外光谱仪nBruker公司: Bruker Tensor 27 、Tensor 37 型傅里叶变换中/近红外分光光度计nNicolet公司: 550型、 560 型、 Avatar 360型、NEXUS型、 EQUINOX 55 型傅里叶变换红外分光光度计nBio-Rad 公司: FTS-135 型、 FTS-165 型、
13、FIS-7R 型傅里叶变换红外分光光度计nPE公司: PE -1650型、 PE 983 G型红外分光光度计n岛津公司: IR Prestige-21 型、 FTIR 8101 型、FTIR-8201 PC 型傅里叶变换红外分光光度计n天光 TJ270-30型红外分光光度计(国产)红外光谱仪红外光谱仪红外分光光度计分为色散型和付里叶变换型两种。色散型主要由光源、单色器(通常为光栅)、样品室、检测器、记录仪、控制和数据处理系统组成。目前主要有Fourier变换红外光谱仪变换红外光谱仪(FTIR) Fourier变换 红外光谱仪 没有色散元件,主要由光源(硅碳棒、高压汞灯)、Michelson干涉
14、仪、检测器、计算机和记录仪组成。核心部分为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。它与色散型红外光度计的主要区别在于干涉仪和电子计算机两部分。红外光谱仪红外光谱仪 红外光谱仪中所用的光源通常是一种惰性固体,同电加热使之发射高强度的连续红外辐射。常用的是Nernst灯或硅碳棒。 因玻璃、石英等材料不能透过红外光,红外吸收池要用可透过红外光的NaCl、KBr、CsI、KRS-5(TlI 58%,TlBr42%)等材料制成窗片。用NaCl、KBr、CsI等材料制成的窗片需注意防潮。固体试样常与纯KBr混匀压片,然后
15、直接进行测定。红外光谱仪红外光谱仪 单色器由色散元件、准直镜和狭缝构成。 色散元件常用复制的闪耀光栅。由于闪耀光栅存在次级光谱的干扰,因此,需要将光栅和用来分离次光谱的滤光器或前置棱镜结合起来使用。 常用的红外检测器有高真空热电偶、热释电检测器和碲镉汞检测器。 红外光谱仪红外光谱仪 Fourier变换仪器是在整扫描时间内同时测定所有频率的信息,一般只要1s左右即可。因此,它可用于测定不稳定物质的红外光谱。而色散型红外光谱仪,在任何一瞬间只能观测一个很窄的频率范围,一次完整扫描通常需要8、15、30s等。 通常Fourier变换 红外光谱仪分辨率达0.10.005 cm-1,而一般棱镜型的仪器分
16、辨率在1000 cm-1处有3 cm-1 ,光栅型红外光谱仪分辨率也只有0.2cm-1 。 因Fourier变换 红外光谱仪 不用狭缝和单色器,反射镜面又大,故能量损失小,到达检测器的能量大,可检测10-8g数量级的样品。仪器的校正与检定仪器的校正与检定n应对仪器定期进行校正检定n色散型应符合JJG681-90有关规定;付里叶变换型应参照药典和JJG681-90有关规定n主要指标:波数准确度、 波数重现性、分辨率,另外有100%线平直度,杂散光,透光率准确度等仪器的校正与检定n用聚苯乙烯薄膜(50m)对仪器进行波长准确度、重现性和分辨率校正检定539.76700.10757.26906.481
17、028.371069.141154.501181.371312.221328.311372.001451.911492.761583.031601.072849.352921.433001.083025.683059.503081.683102.16 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100%T 500 1000 1500 2000 2000 2500 3000 3500 4000 Wavenumbers (cm-1)l波数准确度 常用聚苯乙烯膜光谱特定吸收峰: 3027.1 2850.7 1944.0 1801.6 1601.4 1583.1 1154.3 1028.
18、0 906.7 cm-1l付里叶变换型 波长准确度 3000 cm-1为5 cm-1 1000 cm-1为1 cm-1l色散型 波长准确度 3000 cm-1为8 cm-1 1000 cm-1为4 cm-1l波数重现性 用聚苯乙烯膜测定35次, 应符合规定 l分辨率试验 3110 2870 cm-1范围内有7个峰; 分辨率不低于2 cm-1试样的处理和制备试样的处理和制备 要获得一张高质量红外光谱图,除了仪器本身的因素外,还必须有良好的红外光谱测定技术。红外光谱测定技术分为两类。一类是指检测方法 如透射、衰减全反射、漫反射、 光声及红外发射等。 通常测定的都是透射光谱一类是指制样技术 采用的制
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