红外光谱仪的原理、使用和维护讲解

概述基本原理红外光谱仪试样的处理、制备和操作注意事项红外光谱在药品检验中应用主要内容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。一、红外光的区划红外线：波长在0.76~500μm(1000μm)范围内的电磁波近红外区（NIR）:0.76~2.5μm（760~2500nm）-OH和-NH倍频吸收区中红外区（MIR）:2.5~25μm（4000~400cm-1）振动、伴随转动光谱远红外区（FIR）:25~500μm纯转动光谱113000760cmnm近红外光区140005.2cmm140025cmm1251000cmm中红外光区远红外光区绝大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。概述基本原理红外光谱仪试样的处理、制备和操作注意事项红外光谱在药品检验中应用主要内容红外分光光度法——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、吸收特征峰与相关峰四、吸收峰位置与强度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。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）。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：红外光谱的峰位、峰数与峰强（1）峰位化学键的力常数K越大(化学键键强越强)，原子折合质量越小，键的振动频率越大，吸收峰将出现在高波数区（短波长区）；反之，出现在低波数区（高波长区）。Kc211~2121mmmm与氢原子相连的化学键的折合质量都小，红外吸收在高波数区。～3000cm-1弯曲振动比伸缩振动容易C-H：伸缩振动吸收位于～3000cm-1弯曲振动吸收位于～1340cm-1例水分子（非对称分子）（2）峰数与分子自由度有关。无瞬间偶极距变化时，无红外吸收。不同的分子振动方式在不同的峰位会表现出不同的吸收峰（3）峰强红外吸收谱带的吸收峰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。12960~3cmasCH12925~2cmasCH12870~3cmsCH12850~2cmsCH1201465~2cmCH11450~3cmasCH11375~3cmsCH1720~2cmCH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=O和CC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率，其所在的位置一般又称为特征吸收峰。红外光谱区可分成4000cm-1~1300cm-1、1300cm-1~600cm-1两个区域。4000cm-1~1300cm-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）。1300cm-1~600cm-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）1000150020002500300035004000Wavenumbercm-1-100-50050100Transmittance[%]┕━━━━━━━━━━━━┙4000～2500cm-1端H结构┕━━━┙2500～2000cm-1叁键、连双键┕━━━━━━┙1300～400cm-1单键┕━━┙1900～1500cm-1双键特征区指纹区（1）4000~2500cm-1X-H伸缩振动区（X可以是O、C或S等原子）O-H基的伸缩振动出现在3650~3200cm-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3400~3200cm-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3500~3100cm-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3000cm-1以下，约3000~2800cm-1，取代基对它们影响很小；不饱和的C-H伸缩振动出现在3000cm-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3030cm-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。（2）2500~2000为叁键和累积双键区主要包括-CC、-CN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-CCH和R-CC-R两种类型，R-CCH的伸缩振动出现在2100~2140cm-1附近；R-CC-R出现在2190~2260cm-1附近；-CN基的伸缩振动在非共轭的情况下出现在2240~2260cm-1附近，当与不饱和键或芳香核共轭时，该峰位移到2220~2230cm-1附近。（3）1900~1500cm-1为双键伸缩振动区该区域主要包括三种伸缩振动：①C=O伸缩振动：出现在1900~1650cm-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。②C=C伸缩振动：烯烃的C=C伸缩振动出现在1680~1620cm-1，一般很弱；单核芳烃的C=C伸缩振动出现在1600cm-1和1500cm-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。③苯的衍生物的泛频谱带：出现在2000~1650cm-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。1、1300~900cm-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1375cm-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1300~1000cm-1，是该区域最强的峰，也较易识别。2、900~650cm-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代情况。对于RCH=CH2结构，在990cm-1和910cm-1出现两个强峰；对于RC=CRH结构，其顺、反构型分别在690cm-1和970cm-1出现吸收峰，可以共同配合确定苯环的取代类型。指纹区出现的频率有基团频率和指纹频率。指纹频率不是某个基团的振动频率，而是整个分子或分子的一部分振动产生的。分子结构的微小变化会引起指纹频率的变化。指纹频率没有特征性，但对特定分子是特征的。不能企图将全部指纹频率进行指认。概述基本原理红外光谱仪试样的处理、制备和操作注意事项红外光谱在药品检验中应用主要内容Bruker公司：BrukerTensor27、Tensor37、Vertex70型傅里叶变换型中/近红外分光光度计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-Two型、Frontier型红外分光光度计Nicolet公司：IS系列、NEXUS型红外分光光度计岛津公司：IRPrestige-21型、FT\IR8101型、FTIR-8201PC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（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。IR光源干涉仪样品检测器光频率和吸收红外光干涉光干涉图FT变换单通道图强度变化透过图500100015002000250030003500Wavenumbercm-10.10.20.30.40.5Singlechannel500100015002000250030003500Wavenumbercm-101020304050607080Transmittance[%]T()=S()/R()500100015002000250030003500Wavenumbercm-10.10.20.30.40.5Singlechannel500100015002000250030003500Wavenumbercm-10.000.050.100.150.200.250.300.350.40SinglechannelFT变换T()=S()/R()500100015002000250030003500Wavenumbercm-101020304050607080Tr