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1、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，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。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,1、概述2、基本原理3、红外光谱仪4、试样的处理和制备,概述,一、红外光的区划红外线：波长在0.76500m(1000m)范围内的电磁波近红外区（NIR）:0.762.5
2、m（760 2500nm）-OH和-NH倍频吸收区中红外区（MIR）:2.525m（4000 400cm-1）振动、伴随转动光谱远红外区（FIR）:25500m 纯转动光谱 紫外-可见（UV-VIS）:190 900nm 电子光谱,二、红外吸收过程,UV分子外层价电子能级的跃迁（电子光谱）IR分子振动和转动能级的跃迁（分子光谱）,原子核转变,电磁转动,分子转动,分子振动,外层电子的跃迁,内层电子的跃迁,Interaction,Region,Wavelength(cm-1),Wavelength(m),4000 cm-1(2.5m),400 cm-1(25m),谱区范围,三、红外光谱的作用,绝大
3、多数有机化合物的基频吸收带出现在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。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。红外光谱是鉴别物质和分析物质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,T 曲线 前疏后密,T曲线 前密后疏,IR与UV的区别,红外分光光度法基本原理,红外分光光度法 研究物质结构与红外光谱之间关系红外光谱 由吸收峰位置和吸收峰强度共同描述,一、红外吸收光谱的产生二、振动形式三、吸收特征峰与
4、相关峰四、吸收峰位置与强度,红外吸收光谱的产生,红外光谱主要由分子的振动能级跃迁产生分子的振动能级差0.05 1.0eV远大于转动能级差（0.0001 0.05eV）分子发生振动能级跃迁必然同时伴随转动能级跃迁 双原子分子A-B近似看作谐振子 两原子间的伸缩振动近似看作简谐振动,只有当红外辐射频率等于振动量子数的差值与分子振动频率的乘积时，分子才能吸收红外辐射，产生红外吸收光谱。,振动形式,一般将振动形式分成两类：伸缩振动和变形振动。（1）伸缩振动 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）。对同一基团，不对
5、称伸缩振动的频率要稍高于对称伸缩振动。（2）变形振动（又称弯曲振动或变角振动）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。变形振动又分为面内变形和面外变形振动。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,红外吸收峰,物质的红外光谱是其分子结构的反映，谱图中的吸收峰与分子中各基团的振动形式相对应。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带称为基团频
6、率，其所在的位置一般又称为特征吸收峰。,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，称为基团频率区、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，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。（作为化合物存在某种基团的旁证）,特征区（官能团
7、区）分为三个区域：,（1）4000 2500 cm-1 X-H伸缩振动区（X可以是O、H、C或S等原子）O-H基的伸缩振动出现在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。C-H的伸缩振动可分为饱和和不饱和的两种。饱和的C-H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；不饱和的C-H伸缩振动
8、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；苯环的C-H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-H浆稍弱，但谱带比较尖锐。,特征区（官能团区）分为三个区域：,（2）25001900 为叁键和累积双键区。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，R-CCH的伸缩振动出现在21002140 cm-1附近；R-C C-R出现在21902260 cm-1附近；-C N基的 伸缩振动在非共轭的情况下出现在22402260 cm-
9、1附近。当与不饱和键或芳香核共轭时，该峰位移到22202230 cm-1附近。,特征区（官能团区）分为三个区域：,（3）19001200 cm-1为双键伸缩振动区 该区域重要包括三种伸缩振动：C=O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现双峰。C=C伸缩振动：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。苯的衍生物
10、的泛频谱带：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,1、1300900 cm-1区域 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-1，是该区域最强的峰，也较易识别。2、900650 cm-1区域 某些吸收峰可用来确认化合物的顺反构型。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
11、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,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。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），所产生的吸收峰称为倍频峰。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,注：振动自由度反映吸收峰数量 并非每个
12、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,示例,水分子非线性分子,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。,红外光谱仪,Bruker公司：Bruker Tensor 27、Ten
13、sor 37 型傅里叶变换中/近红外分光光度计Nicolet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Bio-Rad 公司：FTS-135 型、FTS-165 型、FIS-7R 型傅里叶变换红外分光光度计PE公司：PE-1650型、PE 983 G型红外分光光度计岛津公司：IR Prestige-21 型、FTIR 8101 型、FTIR-8201 PC 型傅里叶变换红外分光光度计天光 TJ270-30型红外分光光度计（国产）,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）、
14、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（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,1.光源 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。2.吸收池 因玻璃、石英等材料不能透过
15、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，然后直接进行测定。,红外光谱仪,3.单色器（色散型红外光谱仪）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。4.检测器 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。5.记录系统,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
16、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。（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。,仪器的校正与检定,应对仪器定期进行校正检定色散
17、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,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,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 1028.0 906.7 cm-1付里叶变换型 波长准确度 3000 cm-1为5 cm-1 1000 cm-1为1 cm-1色散型 波长准确度 3000 cm-1为8 cm-1 1000 cm-
18、1为4 cm-1波数重现性 用聚苯乙烯膜测定35次,应符合规定 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,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 采用的制样技术主要有压片法、糊法、膜法、溶液法、衰减全反射 和气体吸收池法等。,红外光谱法对试样的要求,红外光谱的试样可以是液体、固体或气体，一般应要求：（1）单一组份的纯物质，纯度应98%或符合药典规格（多组分抗生素不列入
19、红外光谱鉴别）（2）试样应适当干燥。水本身有红外吸收，会严重干扰样品谱，而且会侵蚀吸收池的盐窗。如托美丁钠 室温真空干燥后测定;羟苯磺酸钙 105干燥4小时后测定。（3）试样的浓度和测试厚度应选择适当，以使光谱图中的大多数吸收峰的透射比处于10%80%范围内。,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 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0.011mm。（2）液膜法 沸点较高的试样，直接滴在两片盐片之间，形成液膜。对于一些吸收很强的液体，当用调整
20、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的吸收，不侵蚀盐窗，有CCl4、CCl3、CS2、C6H14、环己烷等。,固体试样,（1）压片法 将12mg试样与200mg纯KBr研细均匀，置于模具中，用（510）107Pa压力在油压机上压成透明薄片，即可用语测定。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。（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
21、溶剂中，涂在盐片上，待溶剂挥发后成膜测定。（4）衰减全发射法（ATR）当样品量特别少或样品面积特别小时，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。,测量操作注意事项,环境条件：红外实验室的室温应控制在1530，相对湿度应小于65%，适当通风换气，以避免积聚过量的二氧化碳和有机溶剂蒸汽。采用压片法时，以溴化钾最常用。若供试品为盐酸盐，可比较氯化钾压片和溴化钾压片法的光谱，若二者没有区别，则使用溴化钾。供试品研磨应适度，通常以粒度25m为宜。供试品过度研磨有时会导致晶格结构的破坏或晶型的转化。压片模具及液体吸收池等红外附件，使用完
22、后应及时擦拭干净，必要时清洗，保存在干燥器中，以免锈蚀。,红外光谱法的应用,（1）定性鉴别：对于已有结构，判断峰的归属是否与结构相一致，用简单的方法与对照光谱或对照品光谱比较（谱带的有与无、各谱带的相对强弱）。若供试品的光谱图与对照光谱图一致，通常可判定两化合物为同一物质（只有少数例外，如有些光学异构体或大分子同系物等）；若两光谱不同，则可判定两化合物不同。（2）结构确证：对于未知结构，判断峰的归属是否为某官能团。,红外光谱法是药品质量标准中用于鉴别药品真伪最有效最快速的方法，各国药典均普遍采纳,BP、EP、JP、ChP均收载对照光谱：BP 2002 收载656个品种用对照光谱；JP 14 收
23、载药品红外光谱图305幅；ChP 收载药品红外光谱图1027幅。,ChP红外光谱法,特点：1、基本与对照光谱比较，少数与对照品光谱比较；2、多为原料鉴别，制剂很少（在考虑扩大鉴别方法 专属性不强的品种）；3、谱段：4000400cm-1；4、制样方法：压片法、糊法、溶液法、液膜法、薄膜法、ATR法、气体池法；5、光谱集：收有药品、辅料、对照品等，不包括药 品包装材料6、无效晶型的控制：如甲苯咪唑。,USP红外光谱法,USP29版 有1007个品种用红外光谱鉴别（原辅料约950个，制剂约50个）均与对照品光谱比较，不收载对照光谱谱段：3800 650cm-1制样方法：197K 压片法、197M
24、糊法 197F 液膜法、197S 溶液法 197A ATR、197E 薄膜法 药用包装材料在附录中规定,EP红外光谱法,EP 5 有937个品种用红外光谱鉴别（原辅料和药品包装材料）与对照光谱或对照品光谱比较（药品）与对照品光谱比较或与特定吸收峰对比（药品包装材料）谱段：4000 650cm-1 或4000 200cm-1 制样方法：压片法、糊法、液膜法、溶液法 ATR、薄膜法（与ChP基本相同）,BP红外光谱法,BP 5 有1407个品种用红外光谱鉴别（原料约950个，制剂445个）与对照光谱或对照品光谱比较（与对照光谱比较656个品种）与对照品光谱比较或与特定吸收峰对比（药品包装材料）谱段
25、：4000 650cm-1 或4000 200cm-1 制样方法：与ChP基本相同,JP红外光谱法,JP 14 收有305幅对照光谱与对照光谱比较；与对照品光谱比较；与吸收峰比较谱段：4000 400cm-1制样方法：目前收载最多 有压片法、糊法、液膜法 溶液法、ATR、薄膜法、气体池法、漫反射法,ChP对照光谱图的使用,红外光谱集是中华人民共和国药典的配套丛书，是药品质量检验的法定依据之一。（1）凡中华人民共和国药典、国家药品标准已收载用红外光谱法作为鉴别的原料药，本光谱集中收载的相应光谱图供比对用。对于制剂的红外鉴别，由于可能存在辅料干扰，本光谱集收载的光谱图仅作参考，参照原料药的标准光谱
26、在指纹区选择35个辅料无干扰的待测成分的特征吸收峰，列出他们的波数位置作为鉴别的依据。,（2）固体药品在测定时，可能由于晶型的影响，致使录制的光谱图与本光谱图集所收载的光谱图不一致，如无晶型要求，应按本光谱集中个相应光谱图中备注的方法或该品种正文中规定的方法进行预处理后，再进行录制。马来酸依索拉定-不同生产厂结晶溶剂不同，红外光谱有差异，甲醇重结晶后，各生产厂红外光谱一致,固体在测定时，如有晶型要求，应用IR对有效晶型进行鉴别，并对无效晶型进行控制检查。一般不采用研磨压片法，多采用糊法，但要对矿油（石蜡油）峰与样品峰甑别。氯沙坦钾-糊法(如石蜡油峰明显,应增加样品量或与对照品一并测定),（3）
27、由于图谱的质量或供试品的多晶型等原因，有些化合物的光谱图作了重新绘制，并收入后续卷中。若同一化合物的光谱图在不同卷中均有收载，用于鉴别时以后卷光谱图作为比对依据，前卷光谱图仅作为参考。二氟尼柳-乙醇重结晶,晶型的转变与确定的影响因素,加热：达到某一特定的转变温度，可能发生晶型转变。如联苯双酯。熔融物冷却时，可能析出多晶型物，其类型因冷却方式及速度而异。如无味氯霉素，无效晶型A经过熔融和快速冷却，可转变为有效的B晶型。研磨对晶型转变有一定的影响。如头孢菌素、氯霉素棕榈酸酯及消炎痛在研磨过程中均发生晶型转变，并会加速甲氰咪胍的多晶型转化。磺胺甲氧嘧啶结晶型经研磨，能转变成型。不同的结晶条件采用溶剂
28、法，通过改变药物结晶时溶剂的种类、结晶速度、温度、压力等条件获取不同的晶型。中国药品红外光谱集均采用溶剂法转晶。压力：可引起晶型转变，甚至红外光谱法KBr压片过程中也可能发生。湿度：对于极易吸湿的晶型，微量的水分即可能引起晶型的转变。,聚乙烯PE（膜法和反射法）的IR光谱特征吸收峰 2917，2849，1472，1463，730，719,聚丙烯PP（反射法）的IR光谱特征吸收峰 2951，2920，2870，2840，1457，1376，1167，998，973，841,聚邻苯二甲酸乙二醇酯 PET（反射法）的IR光谱,聚碳酸酯PC（反射法）的IR光谱,聚氯乙烯PVC（反射法）的IR光谱,聚己
29、酰胺(英文名：polycaproamide)（反射法）的IR光谱,丙二醇 H3C-CH(OH)-CH2OH,二甘醇 HOH2C-CH2-O-CH2-CH2OH,（9）由于各种型号的仪器性能不同，试验制备时研磨程度的差异或吸收程度不同等原因，均会影响光谱的形状。建议首先在测定药品所用的仪器上录制聚苯乙烯薄膜的光谱图，聚苯乙烯薄膜光谱图的比较，将有助于药品光谱图比对时的判断。如判定不够确定时，建议用对照品同法测定，但应注意对照品的晶型（头孢呋辛酯 规定无定型，为增加对照品的稳定性，中检所提供的为结晶型）,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
30、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,定量分析,红外光谱定量分析是通过对特征吸收谱带强度的测量来求出组份含量。其理论依据是朗伯-比耳定律。由于红外光谱的谱带较多，选择的余地大，所以能方便地对单一组份和多组份进行定量分析。此外，该法不受样品状态的限制，能定量测定气体、液体和固体样品。因此，红外光谱定量分析应用广泛。但红外的定量灵敏度较低，尚
31、不适用于微量组份的测定。（一）基本原理1.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。,2.吸光度的测定（1）一点法 该法不考虑背景吸收，直接从谱图中分析波数处读取谱图纵坐标的透过率，再由公式lg1/T=A计算吸光度。实际上这种背景可以忽略的情况较少，因此多用基线法。（2）基线法 通过谱带两翼透过率最大点作光谱吸收的切线，作为该谱线的基线，则分析波数处的垂线与基线的交点，与最高吸收峰顶点的距离为峰高，其吸光度A=lg（I0/I）。（二）定量分析方法 可用标准曲线法、求解联立方程法等方法进行定量分析。,
