《红外光谱》课件

红外光谱分析技术导论欢迎来到红外光谱分析技术的学习之旅！本课程将带您深入了解红外光谱的基本原理、仪器构造、样品制备、光谱解析以及在各个领域的广泛应用通过本课程的学习，您将掌握红外光谱这一强大的分析工具，为您的科研和工作助力课程学习目标理解红外光谱基本原理1掌握分子振动与红外吸收的关系，了解选择定则熟悉红外光谱仪的构造2了解不同类型红外光源、单色器和检测器的特点与应用掌握样品制备技术3熟悉气体、液体和固体样品的制备方法，包括KBr压片法和ATR技术能够解析红外光谱图4识别特征基团的吸收峰，进行定性和定量分析本课程旨在培养学生对红外光谱分析技术的全面理解和实际应用能力，为后续的科研和工作打下坚实的基础红外光谱的历史发展世纪初191Herschel发现红外辐射世纪初202出现第一台红外光谱仪，用于气体分析世纪年代20403红外光谱开始应用于有机化合物的结构鉴定世纪年代20604傅里叶变换红外光谱仪FT-IR问世，大大提高了灵敏度和分辨率现代5红外光谱技术不断发展，应用于各个领域红外光谱技术的发展历程，是科学不断进步的缩影从最初的发现到现代的广泛应用，红外光谱在各个领域都发挥着重要的作用了解历史，才能更好地把握现在和未来电磁波谱概述电磁波的本质电磁波谱的范围不同区域的特性电磁波是由相互垂直的电场和磁场组成电磁波谱包括无线电波、微波、红外线不同区域的电磁波具有不同的波长、频的波动，以光速传播、可见光、紫外线、X射线和γ射线等率和能量，与物质的相互作用方式也不同电磁波谱是了解红外光谱的基础红外线是电磁波谱中的一个重要组成部分，其与分子的振动和转动密切相关，是红外光谱分析的基础红外区域的划分近红外区12800-4000cm-1主要研究倍频和合频，灵敏度较低中红外区4000-400cm-1分子振动的主要区域，是红外光谱分析最常用的区域远红外区400-10cm-1分子转动和晶格振动区域，研究较少红外区域的划分有助于我们更好地理解和应用红外光谱中红外区是红外光谱分析的核心区域，包含了丰富的分子结构信息，是进行定性和定量分析的重要依据分子振动基础知识分子振动的定义分子振动的类型12分子中的原子在其平衡位置附包括伸缩振动和弯曲振动两种近进行的周期性运动基本类型分子振动的能量3分子振动具有一定的能量，称为振动能级分子振动是红外光谱分析的基础只有当分子振动时，才能吸收特定频率的红外光，从而产生红外光谱理解分子振动的类型和能量，有助于我们更好地解析红外光谱分子振动的类型伸缩振动弯曲振动原子沿键轴方向的运动，包括对称伸缩和不对称伸缩原子偏离键轴方向的运动，包括剪式振动、摇摆振动、扭曲振动和面外弯曲振动不同类型的分子振动对应于不同的红外吸收峰通过识别这些吸收峰，我们可以推断分子中存在的化学键和官能团，从而进行结构鉴定弹簧振子模型弹簧振子模型是描述双原子分子振动的一种简单模型将化学键视为弹簧，原子视为小球，通过Hooke定律可以计算出振动频率ν=1/2π*√k/μ其中，ν是振动频率，k是力常数，μ是约化质量弹簧振子模型虽然简单，但可以帮助我们理解分子振动的一些基本规律，例如，振动频率与键的强度和原子的质量有关谐振子与非谐振子谐振子非谐振子势能曲线是抛物线，振动频率与振幅无关势能曲线不是抛物线，振动频率与振幅有关实际分子都是非谐振子谐振子模型是一种理想化的模型，实际分子都是非谐振子非谐振子的存在导致红外光谱中出现倍频和合频，增加了光谱的复杂性，但也提供了更多的结构信息分子振动能级量子化分子振动能级是量子化的，只能取离散的数值基态分子在最低能量状态下的振动能级称为基态激发态分子吸收能量后，从基态跃迁到高能量状态的振动能级称为激发态分子振动能级的量子化是红外吸收的基础只有当红外光的能量等于分子振动能级之间的能量差时，分子才能吸收红外光，发生跃迁红外吸收的基本原理红外吸收是指分子吸收特定频率的红外光，导致分子振动能级跃迁的现象当红外光的频率与分子振动的频率相匹配时，分子会吸收红外光，从基态跃迁到激发态，从而在红外光谱中产生吸收峰红外吸收峰的位置、强度和形状都与分子的结构和组成有关，因此可以通过分析红外光谱来推断分子的结构红外光谱的选择定则偶极矩变化对称性只有当分子振动过程中偶极矩发生变化时，才能产生红外吸收具有对称性的分子，某些振动模式可能不产生红外吸收红外光谱的选择定则是理解红外吸收的关键只有满足选择定则的分子振动才能被红外光谱检测到因此，在解析红外光谱时，需要考虑分子的对称性和偶极矩变化基频和倍频基频分子从基态跃迁到第一激发态产生的吸收峰倍频分子从基态跃迁到更高激发态产生的吸收峰，强度通常较弱红外光谱中除了基频吸收峰外，还可能出现倍频吸收峰倍频吸收峰的频率是基频的整数倍，强度通常较弱，但可以提供额外的结构信息组合频率组合频率是指两个或多个基频振动的叠加产生的吸收峰组合频率的出现是由于分子振动的非谐性组合频率的强度通常较弱，但可以提供关于分子中不同振动模式之间相互作用的信息识别组合频率有助于更全面地理解红外光谱红外光谱仪器组成光源产生红外辐射样品室放置样品单色器选择特定频率的红外光检测器测量透过样品的红外光强度数据处理系统处理和显示光谱数据红外光谱仪的各个组成部分共同作用，完成红外光谱的测量了解各个组成部分的功能和特点，有助于更好地使用和维护红外光谱仪红外光源种类硅碳棒镍铬丝激光器发射连续红外辐射，常用在中红外区发射红外辐射，强度较低，适用于远红发射特定频率的红外辐射，适用于特殊外区应用红外光源的选择取决于红外光谱的测量范围和应用硅碳棒是最常用的红外光源，适用于大多数红外光谱分析单色器的原理和类型原理棱镜单色器光栅单色器123利用光的色散现象，将复合光分解利用棱镜的折射作用进行分光利用光栅的衍射作用进行分光，分为单色光辨率更高单色器是红外光谱仪的重要组成部分，其作用是选择特定频率的红外光光栅单色器是现代红外光谱仪常用的单色器类型，具有较高的分辨率和灵敏度检测器的种类和特点热释电检测器响应速度快，灵敏度高，常用在FT-IR中热电偶检测器响应速度慢，灵敏度较低，适用于能量较强的红外光光导检测器灵敏度高，但需要冷却，适用于特殊应用检测器的选择取决于红外光谱的测量需求热释电检测器是FT-IR常用的检测器类型，具有较高的响应速度和灵敏度傅里叶变换红外光谱仪傅里叶变换红外光谱仪FT-IR是一种利用干涉原理和傅里叶变换技术进行红外光谱分析的仪器FT-IR具有灵敏度高、分辨率高、测量速度快等优点，是现代红外光谱分析的主流仪器了解FT-IR的工作原理和优势，有助于更好地使用和理解红外光谱数据干涉仪的工作原理分束器动镜干涉将入射光分成两束，一束射向固定镜，可以移动，改变两束光的光程差两束光返回后发生干涉，干涉强度与光一束射向动镜程差有关干涉仪是FT-IR的核心部件，其工作原理是基于光的干涉现象通过改变动镜的位置，可以获得不同光程差下的干涉图样，经过傅里叶变换可以得到红外光谱傅里叶变换的数学基础傅里叶变换是一种将时域信号转换为频域信号的数学方法在FT-IR中，干涉图样是时域信号，经过傅里叶变换可以得到频域信号，即红外光谱理解傅里叶变换的数学基础，有助于更深入地理解FT-IR的工作原理的优势FT-IR灵敏度高1所有频率的光同时到达检测器分辨率高2可以获得高分辨率的红外光谱测量速度快3可以在短时间内完成光谱测量信噪比高4多次扫描平均可以提高信噪比FT-IR相对于传统色散型红外光谱仪具有明显的优势，因此被广泛应用于各个领域样品制备技术气体-气体样品池浓度压力使用具有一定光程的气体样品池根据需要调节气体浓度控制气体压力，避免光谱峰展宽气体样品的制备相对简单，但需要注意控制气体浓度和压力，以获得高质量的红外光谱样品制备技术液体-液膜法溶液法将液体样品直接涂在盐片上将液体样品溶解在溶剂中，然后置于液体样品池中液体样品的制备需要根据样品的性质选择合适的制备方法液膜法适用于挥发性较小的液体样品，溶液法适用于挥发性较大的液体样品样品制备技术固体-研磨法1将固体样品研磨成细粉末压片法KBr2将固体样品与KBr混合后压成透明薄片悬浮法3将固体样品悬浮在液体介质中固体样品的制备是红外光谱分析的关键步骤不同的制备方法适用于不同的固体样品KBr压片法是最常用的固体样品制备方法压片法详解KBr研磨将样品与KBr充分研磨混合压片将混合物置于模具中，用压片机压成透明薄片测量将压片置于红外光谱仪中进行测量KBr压片法是一种常用的固体样品制备方法，具有操作简单、光谱质量好等优点但需要注意控制KBr的干燥程度和压片压力，以获得高质量的红外光谱技术原理ATR衰减全反射样品接触光谱测量红外光在特殊晶体表面发生全反射，产将样品与晶体表面紧密接触，衰减波穿测量反射光的强度，得到红外光谱生衰减波透样品表面ATR衰减全反射技术是一种不需要样品制备的红外光谱分析技术，适用于各种固体和液体样品ATR技术具有操作简单、测量速度快等优点，被广泛应用于各个领域漫反射技术漫反射技术是一种利用样品表面漫反射的红外光进行光谱分析的技术漫反射技术适用于表面粗糙或不透明的固体样品，例如粉末、纤维和涂层等漫反射技术不需要对样品进行特殊制备，可以直接进行测量，具有操作简单、测量速度快等优点红外光谱图的基本特征吸收峰的位置吸收峰的强度吸收峰的形状123反映了分子中化学键和官能团的振与分子的浓度和偶极矩变化有关反映了分子的结构和环境动频率红外光谱图是红外光谱分析的基础通过分析红外光谱图的基本特征，可以推断分子的结构和组成吸收峰的强度浓度偶极矩变化选择定则吸收峰的强度与样品的浓度成正比偶极矩变化越大，吸收峰的强度越大只有满足选择定则的振动才能产生吸收峰吸收峰的强度是红外光谱定量分析的基础通过测量吸收峰的强度，可以确定样品中特定组分的含量吸收峰的形状尖锐峰通常对应于气体或稀溶液中的分子振动宽峰通常对应于液体或固体中的分子振动，氢键的影响肩峰可能对应于两种或多种振动的叠加吸收峰的形状可以提供关于分子结构和环境的信息例如，氢键的存在会导致吸收峰变宽吸收峰的位置波数吸收峰的位置通常用波数表示，单位为cm-1特征频率不同的化学键和官能团具有不同的特征频率吸收峰的位置是红外光谱定性分析的基础通过查找特征频率表，可以识别分子中存在的化学键和官能团特征基团频率特征基团频率是指特定官能团的红外吸收频率范围通过查找特征基团频率表，可以识别未知物中存在的官能团，从而进行结构鉴定特征基团频率表是红外光谱定性分析的重要工具烷烃的特征吸收伸缩振动弯曲振动C-H C-H2850-2960cm-1，强度中等至强1350-1470cm-1，强度较弱烷烃的红外光谱主要由C-H伸缩振动和弯曲振动引起这些吸收峰的位置和强度可以提供关于烷烃结构的信息烯烃的特征吸收伸缩振动=C-H13010-3100cm-1，强度较弱伸缩振动C=C21620-1680cm-1，强度中等弯曲振动=C-H3675-1000cm-1，强度较强烯烃的红外光谱中，=C-H伸缩振动和C=C伸缩振动是重要的特征吸收峰这些吸收峰的位置和强度可以提供关于烯烃结构和取代方式的信息炔烃的特征吸收伸缩振动伸缩振动≡C-H C≡C3300cm-1附近，强度较强2100-2260cm-1，强度较弱至中等炔烃的红外光谱中，≡C-H伸缩振动和C≡C伸缩振动是重要的特征吸收峰这些吸收峰的位置和强度可以提供关于炔烃结构的信息芳香烃的特征吸收伸缩振动骨架振动面外弯曲振动C-H C=C3000-3100cm-1，强度较弱1450-1600cm-1，强度中等650-900cm-1，强度较强，可以判断取代方式芳香烃的红外光谱中，C-H伸缩振动、C=C骨架振动和面外弯曲振动是重要的特征吸收峰通过分析这些吸收峰的位置和强度，可以判断芳香环的取代方式醇类的特征吸收伸缩振动O-H3200-3600cm-1，强度较强，宽峰伸缩振动C-O1000-1300cm-1，强度较强醇类的红外光谱中，O-H伸缩振动和C-O伸缩振动是重要的特征吸收峰O-H伸缩振动的吸收峰通常较宽，这是由于氢键的作用醚类的特征吸收伸缩振动C-O1000-1300cm-1，强度较强醚类的红外光谱中，C-O伸缩振动是重要的特征吸收峰醚类的红外光谱通常比较简单，需要结合其他光谱数据进行结构鉴定醛类的特征吸收伸缩振动伸缩振动C=O C-H1720-1740cm-1，强度较强2700-2800cm-1，强度较弱醛类的红外光谱中，C=O伸缩振动是重要的特征吸收峰C-H伸缩振动也是醛类的特征吸收峰，但强度较弱，通常不易观察到酮类的特征吸收伸缩振动C=O11705-1725cm-1，强度较强酮类的红外光谱中，C=O伸缩振动是重要的特征吸收峰酮类的C=O伸缩振动频率通常比醛类的低一些羧酸的特征吸收伸缩振动伸缩振动O-H C=O2500-3300cm-1，强度较强，1700-1725cm-1，强度较强宽峰伸缩振动C-O1200-1300cm-1，强度较强羧酸的红外光谱中，O-H伸缩振动、C=O伸缩振动和C-O伸缩振动是重要的特征吸收峰O-H伸缩振动的吸收峰通常很宽，这是由于氢键的作用酯类的特征吸收伸缩振动伸缩振动C=O C-O1730-1750cm-1，强度较强1000-1300cm-1，强度较强酯类的红外光谱中，C=O伸缩振动和C-O伸缩振动是重要的特征吸收峰酯类的C=O伸缩振动频率通常比羧酸的略高酰胺的特征吸收伸缩振动N-H3100-3500cm-1，强度中等伸缩振动C=O1630-1690cm-1，强度较强弯曲振动N-H1510-1640cm-1，强度中等酰胺的红外光谱中，N-H伸缩振动、C=O伸缩振动和N-H弯曲振动是重要的特征吸收峰酰胺的C=O伸缩振动频率通常比酯类的低胺类的特征吸收伸缩振动N-H3300-3500cm-1，强度中等，伯胺有两个峰，仲胺只有一个峰伸缩振动C-N1000-1300cm-1，强度较弱胺类的红外光谱中，N-H伸缩振动和C-N伸缩振动是重要的特征吸收峰伯胺和仲胺的N-H伸缩振动峰的数目不同，可以用于区分伯胺和仲胺氰基的特征吸收伸缩振动C≡N2210-2260cm-1，强度中等氰基的红外光谱中，C≡N伸缩振动是重要的特征吸收峰氰基的吸收峰位置比较固定，容易识别硝基的特征吸收伸缩振动N=O11500-1600cm-1和1300-1380cm-1，强度较强硝基的红外光谱中，N=O伸缩振动是重要的特征吸收峰硝基有两个N=O伸缩振动峰，这是硝基的特征光谱图的定性分析方法查找特征基团频率表比较标准谱图结合其他光谱数据123识别样品中存在的官能团与已知物的标准谱图进行比较，判结合核磁共振谱、质谱等数据，进断样品是否为已知物行综合分析红外光谱的定性分析需要结合特征基团频率表、标准谱图和其他光谱数据进行综合分析，才能准确判断未知物的结构未知物结构解析步骤确定分子式识别官能团推断结构验证结构通过元素分析或质谱确定未知通过红外光谱、核磁共振谱等根据分子式和官能团信息，推通过标准谱图或其他方法验证物的分子式识别未知物中存在的官能团断未知物的结构推断的结构是否正确未知物的结构解析是一个复杂的过程，需要结合多种分析方法，才能准确确定未知物的结构定量分析的基本原理朗伯比尔定律标准曲线-吸光度与样品的浓度和光程成正比通过测量一系列已知浓度样品的吸光度，建立标准曲线红外光谱的定量分析是基于朗伯-比尔定律通过测量样品的吸光度，可以确定样品中特定组分的含量标准曲线是定量分析的关键朗伯比尔定律-朗伯-比尔定律描述了光通过介质时，光强度衰减与介质浓度和光程的关系A=εbc其中，A是吸光度，ε是摩尔吸光系数，b是光程，c是浓度朗伯-比尔定律是红外光谱定量分析的基础在一定条件下，吸光度与浓度成正比，可以通过测量吸光度来确定样品的浓度定量分析方法外标法内标法使用一系列已知浓度的标准样品建立标准曲线，然后测量未知样向样品中加入一定量的内标物，测量待测组分和内标物的吸光度品的吸光度，从标准曲线上查出其浓度比值，然后与标准样品进行比较，确定待测组分的浓度外标法和内标法是常用的红外光谱定量分析方法外标法操作简单，但容易受到基体效应的影响内标法可以减少基体效应的影响，但需要选择合适的内标物校正baseline目的消除基线漂移对定量分析的影响方法使用软件自动或手动校正基线在红外光谱定量分析中，基线漂移会影响吸光度的准确测量因此，需要进行基线校正，消除基线漂移的影响光谱数据处理软件使用光谱预处理1包括基线校正、平滑、归一化等峰识别2自动或手动识别光谱中的吸收峰定量分析3建立标准曲线，进行定量分析光谱检索4与标准谱图库进行比较，进行定性分析光谱数据处理软件是红外光谱分析的重要工具熟练掌握光谱数据处理软件的使用，可以提高红外光谱分析的效率和准确性红外光谱在有机化学中的应用结构鉴定反应监测纯度分析确定有机化合物的结构监测有机反应的进程分析有机化合物的纯度红外光谱是有机化学中常用的分析方法，可以用于结构鉴定、反应监测和纯度分析等红外光谱具有操作简单、快速、灵敏度高等优点，被广泛应用于有机化学研究红外光谱在无机化学中的应用结构表征配位化学研究催化剂表征表征无机化合物的结构研究配位化合物的结构和性质表征催化剂的表面结构和活性位点红外光谱在无机化学中也有着广泛的应用，可以用于结构表征、配位化学研究和催化剂表征等红外光谱可以提供关于无机化合物分子结构和晶格结构的信息红外光谱在材料表征中的应用聚合物分析薄膜分析分析聚合物的结构和组成分析薄膜的结构和组成纳米材料分析分析纳米材料的结构和表面性质红外光谱是材料表征的重要手段，可以用于聚合物分析、薄膜分析和纳米材料分析等红外光谱可以提供关于材料的分子结构、晶体结构和表面性质的信息红外光谱在工业分析中的应用质量控制成分分析过程监测控制产品的质量分析产品的成分监测生产过程红外光谱在工业分析中有着广泛的应用，可以用于质量控制、成分分析和过程监测等红外光谱具有快速、灵敏、无损等优点，被广泛应用于石油化工、食品、医药等行业红外光谱在生物医学中的应用疾病诊断诊断疾病药物分析分析药物的成分和质量生物材料研究研究生物材料的结构和性质红外光谱在生物医学领域有着广阔的应用前景，可以用于疾病诊断、药物分析和生物材料研究等红外光谱可以提供关于生物分子结构和相互作用的信息，为生物医学研究提供重要的支持课程总结恭喜您完成了红外光谱分析技术的学习！在本课程中，您学习了红外光谱的基本原理、仪器构造、样品制备、光谱解析以及在各个领域的广泛应用希望您能够将所学知识应用到实际工作中，为您的科研和工作助力！感谢您的参与！。