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1、第六章 红外光谱法,第一节 概述,当样品受到频率连续变化的红外光照射，分子吸收某些频率的辐射，并由其振动或转动运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，使相应于这些吸收区域的透射光强度减弱。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。,一、红外光谱,红外光谱以T或T 来表示,二、红外吸收光谱的特征,1）红外吸收只有振-转跃迁，能量低；2）应用范围广：除单原子分子及单核分子外，几乎所有有机物均有红外吸收；3）分子结构更为精细的表征：通过IR谱的波数位置、波峰数目及强度确定分子基团、分子结构；4）定量分析；5）固、液、气态样均可用，且用量少、不破坏样品；6
2、）分析速度快；7）与色谱等联用（GC-FTIR）具有强大的定性功能。,第二节 基本原理,一、产生红外吸收的条件1.辐射光子具有的能量与发生振动跃迁所需的跃迁能量相等 E=（+1/2）h（=0，1，2，）式中为振动量子数（=0，1，2，）；E是与振动量子数相应的体系能量；为分子振动的频率。Ev=h EL=h L 于是可得产生红外吸收光谱的第一条件为：EL=Ev 即 L=,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。因为=1时，L=，所以 基频峰的位置（L）等于分子的振动频率。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
3、发态（=2）、第三激发态（=3），所产生的吸收峰称为倍频峰。,2.辐射与物质之间有耦合作用 只有发生偶极矩变化（0）的振动才能引起可观测的红外吸收光谱，该分子称之为红外活性的；=0的分子振动不能产生红外振动吸收，称为非红外活性的。,二、分子的振动基频跃迁与峰位,（一）双原子分子的振动,影响基本振动频率的直接原因：相对原子质量 化学键的力常数,三、多原子分子的振动类型和振动自由度 多原子分子的振动更为复杂（原子多、化学键多、空间结构复杂），但可将其分解为多个简正振动来研究，可分为两类：1、伸缩振动（stretching vibration），2、弯曲振动（bending bibration），,
4、3、基本振动的理论数,设分子的原子数为n，1）对非线型分子,理论振动数=3n-6 如H2O分子，其振动数为33-6=32）对线型分子，理论振动数=3n-5 如CO2分子，其理论振动数为33-5=4,4、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。按摩尔吸光系数的大小划
5、分吸收峰的强弱等级，具体如下：100 非常强峰（vs）20 100 强峰（s）10 20 中强峰（m）1 10 弱峰（w）,中红外光谱区可分成4000 cm-1 1300cm-1和1300 cm-1 400 cm-1两个区域。在4000 cm-1 1300 cm-1 之间，这一区域称为基团频率区、官能团区或特征区。1300 cm-1 400 cm-1 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。,第四节 红外光谱中的重要区段,X-H伸缩振动区：40
6、00-2500cm-1,叁键及累积双键区（25001900cm-1）,双键伸缩振动区（19001200cm-1）,C,指纹区（可分为两个区）,在红外分析中，通常一个基团有多个振动形式，同时产生多个谱峰（基团特征峰及指纹峰），各类峰之间相互依存、相互佐证。通过一系列的峰才能准确确定一个基团的存在。,苯衍生物的红外光谱图,影响峰位、峰强的因素,1）电子效应2）空间效应3）氢键的影响4）振动耦合5）Fermi共振6）峰的对称性,第三节 红外光谱仪,Fourier变换红外光谱仪的特点（1）扫描速度极快 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
7、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。（2）具有很高的分辨率 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。,（3）灵敏度高 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。除此之外，还有光谱范围宽（100010 cm-1）；测量精度高，重复性可达0.1%；杂散光干扰小；样品不受因红外聚焦而产生的热效
8、应的影响。,多色干涉光经样品吸收后的干涉图(a)及其Fourier变换后的红外光谱图(b),第五节 试样的制备,一、红外光谱法对试样的要求1）试样应为“纯物质”（98%），通常在分析前，样品需要纯化；2）试样不含有水（水可产生红外吸收且可侵蚀盐窗）；3）试样浓度或厚度应适当，以使T在合适范围。,二、制样的方法,1、气体样品 气态样品 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、液体和溶液试样（1）液体池法 池体种类：固定厚度池体 可变厚度池体（2）液膜法 沸点较高的试样，直接滴在两块盐片间，形成液膜,光程由25um至1.00mm相应的
9、窗片有：KBr、NaCl、CaF2、BaF2、ZnSe、KRS-5、CsI、CsBr等,光程范围为6um至6mm，最小调整光程为5um,3、固体试样（1）压片法 将1-2mg试样与200mg纯KBr研细均匀，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，研磨到粒度小于2微米，以免散射光影响。,（2）石蜡糊法 将干燥处理后的试样研细，与液体石蜡或全氟代烃混合，调成糊状，夹在盐片中测定。,介质名称：吸收锋位置及归属：石蜡油（长链烷烃）30002850 cm-1（C-H）1468 cm-1、1397 cm-1(CH2、CH3的C-H)720
10、 cm-1（-CH2-）n中n4的骨架振动氟碳油（全氟烃）1400500 cm-1均存在强度不同的C-F吸收,（3）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，待溶剂挥发后成膜测定。,第四节 红外光谱的应用,一、定性分析1、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。2、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
11、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。,红外光谱解析程序,先特征、后指纹；先强峰，后次强峰；先粗查，后细找；先否定，后肯定;寻找有关一组相关峰佐证 先识别特征区的第一强峰，找出其相关峰，并进行 峰归属再识别特征区的第二强峰，找出其相关峰，并进行 峰归属 结合NMR、MS、UV等，进行结构确证（四谱）几种标准谱图（1）萨特勒（Sadtler）标准红外光谱图（2）Aldrich红外谱图库（3）Sigma Fourier红外光谱图库,二、定量分析选择吸收带的原则（1）必须是被测物质的特征吸收带。例如分析酸、酯、醛、酮时，必须选择C=O基团的振动有关的特征吸收带。（2）所选
12、择的吸收带的吸收强度应与被测物质的浓度有线性关系。（3）所选择的吸收带应有较大的吸收系数且周围尽可能没有其它吸收带存在，以免干扰。,第五节 红外光谱技术的进展,一、近红外光谱,1、近红外光谱分析法是一种间接分析技术，是用统计的方法在样品待测属性值与近红外光谱数据之间建立一个关联模型。,近红外光谱主要是由于分子振动的非谐振性使分子振动从基态向高能级跃迁时产生的，记录的主要是含氢基团X-H（X=C、N、O）振动的倍频和合频吸收。不同基团（如甲基、亚甲基、苯环等）在该区域光谱的峰位、峰强和峰形不同，是其定性和定量的基础。,2、近红外光谱的常规分析方法,透射光谱法反射光谱法可以用于定量和定性分析,二、
13、远红外光谱 该波段对芳香族化合物的异构体、杂环化合物和脂肪族烃类的定性十分有用，具有指纹识别的特性，适用于鉴别分子结构的微小差异。,三、衰减全反射技术 用AgCl或Ge等折射率大的材料做成棱镜，背部贴上检测样品，调整入射角，使入射光进入样品几微米后发生全反射。当样品对某一波长的光有吸收时，从棱镜全反射出来的这一波长的光的强度就衰减，因此各波长光的衰减程度与样品对光的吸收特性有关。以反射光强度对波数的关系表示的图谱称为反射光谱。,激光Raman光谱法简介,拉曼散射效应的进展,拉曼散射效应是印度物理学家拉曼（C.V.Raman）于1928年首次发现的，本人也因此荣获1930年的诺贝尔物理学奖。19
14、281940年，受到广泛的重视，曾是研究分子结构的主要手段。19401960年，红外技术的进步和商品化更使拉曼光谱的应用一度衰落。1960年以后，激光技术的发展使拉曼技术得以复兴。由于激光束的高亮度、方向性和偏振性等优点，成为拉曼光谱的理想光源。随探测技术的改进和对被测样品要求的降低，目前在物理、化学、医药、工业等各个领域拉曼光谱得到了广泛的应用，越来越受研究者的重视。,激光拉曼光谱基本原理,Rayleigh散射：弹性碰撞；无能量交换，仅改变方向；Raman散射：非弹性碰撞；方向改变且有能量交换；,Rayleigh散射,Raman散射,E0基态，E1振动激发态；E0+h0，E1+h0 激发虚态
15、；获得能量后，跃迁到激发虚态,Raman散射Raman散射的两种跃迁能量差：E=h(0-)产生stokes线；强；基态分子多；E=h(0+)产生反stokes线；弱；Raman位移：Raman散射光与入射光频率差；,对不同物质：不同；对同一物质：与入射光频率无关；表征分子振-转能级的特征物理量；定性与结构分析的依据；,CCl4的拉曼光谱,Stocks lines,anti-Stockes lines,Rayleigh scattering,/cm-1,红外活性和拉曼活性的比较,红外活性振动,红外活性振动伴有偶极矩变化的振动可以产生红外吸收谱带。拉曼活性振动 诱导偶极矩=E 非极性基团，对称分子
16、；拉曼活性振动伴随有极化率变化的振动。,对称中心分子CO2，CS2等，选律不相容。无对称中心分子（例如SO2等），三种振动既是红外活性振动，又是拉曼活性振动。,选律,拉曼光谱源于极化率变化,红外光谱源于偶极矩变化,红外光谱与Raman光谱比较,红外光谱与拉曼光谱互称为姊妹谱。因此，可以相互补充。相似之处：激光拉曼光谱与红外光谱一样，都能提供分子振动频率的信息，对于一个给定的化学键，其红外吸收频率与拉曼位移相等，均代表第一振动能级的能量。,不同之处：a 红外光谱的入射光及检测光都是红外光，而拉曼光谱的入射光和散射光大多是可见光。拉曼光谱为散射光谱，红外光谱对应的是与某一吸收频率能量相等的（红外）
17、光子被分子吸收，因而红外光谱是吸收光谱。b 机理不同：从分子结构性质变化的角度看，拉曼散射过程来源于分子的诱导偶极矩，与分子极化率的变化相关。通常非极性分子及基团的振动导致分子变形，引起极化率的变化，是拉曼活性的。红外吸收过程与分子永久偶极矩的变化相关，一般极性分子及基团的振动引起永久偶极矩的变化，故通常是红外活性的。c 制样技术不同：红外光谱制样复杂，拉曼光谱勿需制样，可直接测试水溶液。,激光Raman光谱仪,激光光源,激光是拉曼散射光谱的理想光源，优点：（1）被激发的拉曼谱线比较简单，易于解析；（2）灵敏度高，样品用量少，普通拉曼光谱液体样品需50ml左右，而激光拉曼光谱只要1l即可，固体
18、0.5 g，气体只要1011个分子；（3）激光是偏振光，测量偏振度比较容易。,样品池：常用微量毛细管以及常量的液体池、气体池和压片样品架等。单色器：光栅，多单色器；检测器：光电倍增管，光子计数器；,Raman光谱的应用,有机物结构分析,2）红外光谱中，由C N，C=S，S-H伸缩振动产生的谱带一般较弱或强度可变，而在拉曼光谱中则是强谱带。,3）环状化合物的对称振动常常是最强的拉曼谱带。,1）同种分子的非极性键S-S，C=C，N=N，CC产生强拉曼谱带，随单键双键三键谱带强度增加。,4）在拉曼光谱中，X=Y=Z，C=N=C，O=C=O-这类键的对称伸缩振动是强谱带，这类键的反对称伸缩振动是弱谱带
19、。红外光谱与此相反。,5）C-C伸缩振动在拉曼光谱中是强谱带。,生物大分子的研究定量分析,表面增强Raman光谱法 Surface Enhanced Raman Scattering,第1篇有关SERS的文章是英国的Fleishmann研究组在1974年发表的（Fleischmann,M.et.Al.,Chem.Phys.Lett.1974,26,163）。在文章中，他们报道了吸附在用电化学方法粗糙化的银电极表面的吡啶分子在不同电位下的拉曼光谱，表明了拉曼光谱能与电化学方法联用而测得吸附在电极表面的分子的信息。,一直到1977年，Van Duyne和Creighton两个研究组各自独立地发现，
20、吸附在粗糙银电极表面的每个吡啶分子的拉曼信号要比溶液中单个吡啶分子的拉曼信号大约强106倍。他们认为这种异常高的拉曼信号的增强不能简单地归结于银电极表面粗糙化后吸附的吡啶分子数量的增加，而必然有某种物理效应在起作用。,已提出的理论模型可分为两大类：电磁增强和化学增强。,表面增强拉曼光谱效应吸附在经特殊制备的良导体金属溶胶或掺和物等基质表面上的分子，其拉曼光谱的强度比被吸附前大大增强的现象，增强因子达104-108。,Fig.1“Western-SERS”procedure for label-free multi-protein detection,Fig.2 SERRS of myoglobin and SERS of BSA on an NC membrane by the proposed“Western-SERS”procedure,Anal Bioanal Chem(2009)394:17191727,Fig.5 Schematic diagram ofFITC-linked immunoassay,Fig.4 Versatile metal nanoparticleprobes for SERS-basedimmunoassays,Anal Bioanal Chem(2009)394:17191727,
