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实验二红外光谱法对果糖和葡萄糖的定性分析1实验目的1.1熟练掌握红外光谱仪的使用方法，知道怎么保护红外光谱仪。1.2熟练掌握压片的技巧。1.3学会用红外光谱仪判定未知物及其质组成与结构的方法。2实验原理2.1方法原理红外光的波长较大，能量较紫外光和可见光较小，当红外光照射到物质表面时，会引起分子的振动能级和转动能级的跃迁。红外光谱所研究的是分子振动中伴有偶极距变化的化合物，当这些化合物吸收红外光后，分子将产生不同方式的振动，消耗光能。红外可分近红外、中红外和远红外：近红外12820－4000cm-1中红外4000－200cm-1远红外200－33cm-1为了研究某种物质的结构特征，采用红外光照射该物质，并测定该物质的吸光度，以透光度为纵坐标，波数为横坐标作图。根据波谷对应的波数，查阅标准物质红外光图谱，确定待测物质的组成或者所包含的官能团及不饱和度等信息，从而确定待测物质的结构。本实验中，当果糖和葡萄糖收到红外光谱照射，分子吸收某些频率的辐射，其分子振动和转动能及发生从基态到激发态的跃迁，使相应的透射光强度减弱。以红外光的透射比对波数或波长作图，就可以得到果糖和葡萄糖的红外光谱图。葡萄糖和果糖的炭式结构如图1所示，费歇尔式结构如图2所示：图1图22.2仪器原理2.2.1傅立叶红外光谱仪傅立叶红外光谱仪的基本结构如图3所示。图3傅立叶红外光谱仪工作原理示意图傅里叶红外光谱仪的工作原理如下：光源发出的红外光由迈克尔逊干涉仪分成两束相干光，相干光照射到样品上，含有样品信息的相干光到达检测器，由检测器将光信号转化为电信号，并将此电信号传递到指示系统——计算机中。计算机将时间域信息通过傅立叶变换转化为频率域信息，最终得到透过率随波数变化的红外吸收光谱图。(一)光源光源要求能发射出稳定、高强度连续波长的红外光，能斯特灯、碳化硅或涂有稀土化合物的镍铬旋状灯丝这些是我们通常使用光源材料。(二)干涉仪我们所用的干涉仪是迈克尔逊干涉仪，迈克尔逊干涉仪的作用是将复色光变为干涉光。中红外干涉仪中的分束器主要由溴化钾材料制成；近红外干涉仪中的分束器一般以石英和CaF2为材料；远红外干涉仪中的分束器一般由Mylar膜和网格固体材料制成。迈克尔逊干涉仪工作原理图如图4所示。图4迈克尔逊干涉仪光路图迈克尔逊干涉仪是由固定不动的反射镜M1（定镜），可移动的反射镜M2（动镜）以及广分束器G1和G2组成。M1和M2是互相垂直的平面反射镜，G1和G2以45°角置于M1和M2之间。光线由光源S发出之后，入射在半透半反镜G1上，部分光线反射到平面镜M1，再经M1反射和G1透射，最后到达检测器，同时，另一部分光线经G1透射后，穿过G2到达M2，再经M2反射沿原路返回，最后被G1反射至检测器。由于动镜的移动，使两束光产生了光程差。当光程差为半波长的偶数倍时，发生相长干涉，产生明线；当光程差为半波长的奇数倍时，发生相消干涉，产生暗线。当动镜连续移动，在检测器上记录的信号将连续变化。(三)检测器红外光区的检测器一般有两种类型：热检测器和光导电检测器。红外光谱仪中常用的热检测器有：热电偶；辐射热测量计，以及热电检测器等。热电偶和辐射热测量计主要用于色散型分光光度计中，而热电检测器主要用于中红外傅立叶变换光谱仪中3仪器与试剂3.1试剂与药品：3.1.1溴化钾（分析纯）3.1.2果糖（分析纯）、葡萄糖（分析纯）3.1.3未知样品A、B、C（样品是葡萄糖或果糖或者是两者的混和物）3.1.4无水乙醇3.2仪器：3.2.1玛瑙研钵、药匙、镊子、纸巾3.2.2WS701型红外线快速干燥器（上海市吴淞五金厂）3.2.3NEXUS470-FTIR傅立叶红外光谱仪（Thermo公司）3.2.4AB135-S电子天平（METTLERTOLEDO公司）3.2.5手压机（岛津公司）4实验步骤4.1实验前准备实验前首先开启烘干机，保持实验室内干燥，后则影响仪器的性能并且使样品沾有水分影响分析图谱。在实验前将所需的药品：溴化钾、样品A、B、C，用研钵初步磨细、磨匀，然后放入烘箱，将模具、镊子、药匙和研钵等用沾有无水乙醇的纸巾擦拭干净（3.2.1）。4.2压片的制备以及图谱绘制4.2.1KBr空白压片的制备用电子天平（3.2.4）称取200mg左右初步磨好的溴化钾粉末，放入研钵中用力再次磨细、磨匀。然后用药匙小心地将磨好的KBr粉末移入模具中，转移过程中应小心谨慎，防止粉末溅洒到模具周围，引起粉末的损失，导致压片不均匀。将模具盖装好，旋转几圈，使KBr粉末在模具中均匀分布。随后将模具放入手压机(3.2.5)，用约600kgf/cm2压力在液压机上压制2min左右。取出模具，用镊子小心地将压好的KBr薄片放在磁板上。4.2.2样品压片用电子天平称取约1mg样品（A、B、C中任选一种）,我们在实验中选择的是A样品。再取约200mg溴化钾粉末，将两者混合，用研钵研磨，其余操作步骤同上。以上步骤每用完一次药品要及时放回干燥器内，保持药品的绝对干燥。4.2.3绘制红外图谱首先将装有KBr薄片的磁板放入样品槽中，开启红外光谱仪，在计算机中设定好参数，仪器开始运行，最后在计算机中会显示出红外光谱图，作为空白。将待测样品放入样品槽，重复以上步骤，计算机将自动扣除空白后的光谱图显示出来。随后表示出每个明显吸收峰对应的波数，保存文件，完成图谱的绘制。5实验数据与结果我们实验中所得出的样品A的光谱图以及葡萄糖（分析纯）和果糖（分析纯）的标准红外图谱分别如图5、图6和图7所示：551.78617.95707.46773.62812.54839.78859.24913.731022.701053.841104.431147.241221.191337.951415.781458.591633.732334.272361.512883.032910.272945.303404.545101520253035404550556065%Transmittance1000200030004000Wavenumbers(cm-1)图5样品A的红外光谱图6葡萄糖的标准图谱551.78617.95707.46773.62812.54839.78859.24913.731022.701053.841104.431147.241221.191337.951415.781458.591633.732334.272361.512883.032910.272945.303404.545101520253035404550556065%Transmittance1000200030004000Wavenumbers(cm-1)图7果糖的标准图谱看图3对比图4和图5可以知道，样品A的图谱即不能和果糖的标准图谱很好的吻合，也不能和葡萄糖的标准图谱很好的温和，所以我判定样品A为果糖和葡萄糖的混合物。由上面三个图找出样品A与葡萄糖和果糖的相似峰值，并列下表(表1)。具体解析见表1。样品A果糖葡萄糖对比最大差值3404.543412.327.782945.302945.3002910.273.892883.0302361.512914.162357.627.782334.272883.032342.057.781633.731641.517.781458.591458.590415.57520.65594.59621.84695.78777.51820.32863.14921.51979.891061.621143.351182.271240.651341.841411.891454.701641.512330.382353.732883.032937.513392.8610152025303540455055%Transmittance1000200030004000Wavenumbers(cm-1)1415.781411.893.891337.951341.843.891221.191225.083.891147.241143.353.891104.431112.227.781053.841061.621046.057.781022.701022.700913.73921.57917.627.78859.24863.143.89839.78839.780812.54820.327.78773.62777.51777.513.89707.46695.787.78617.95617.95551.78559.577.78表1葡萄糖标准图谱与样品C的红外图谱分析表格分析：由表格可知样品A明显吸收峰分别与葡萄糖和果糖的部分峰值较好的吻合，最大的差值也不超过8。有些吸收峰有一定的差异可能是因为在压片和进样的过程中，固体压片吸附了空气中的水汽或二氧化碳等物质。6实验讨论6.1为什么用KBr作为空白及样品的稀释剂？答：因为KBr在4000～400cm-1区域内无吸收；并且，它的折射率与大多数有机化合物的折射率很接近，因此可以减少因光散射而造成的能量损失，我们在实验中将固体颗粒研磨到其粒径比辐射波长还小也是为了减少散射率；否则，将有很大部分的辐射能量因散射而损失。因此，应将样品研磨到其粒径为2μm以下[1]。6.2水对测定过程有哪些影响？答：水分在近红外谱区内有较强的吸收峰（约在1450nm处），这是近红外定量分析的主要干扰因素[2]。KBr有很强的吸水性，因此使用前必须对其进行干燥处理，并且在实验过程中应尽量缩短KBr暴露在空气中的时间。6.3二氧化碳对实验是否有影响？为什么？答：有影响。因为CO2虽然是对称分子，但是它还存在非对称伸缩振动，会有红外吸收，所以游离的CO2应该就有吸收，面内变形伸缩振动在617cm-1附近；面外伸缩在2369cm-1附近。6.4为什么葡萄糖的标准谱图中没有羰基吸收峰？答：葡萄糖标准谱图和样品谱图中均没有出现明显的羰基吸收峰。这是因为，实际上葡萄糖并不是以开链结构的形式存在的，而是以氧环结构的形式存在的。葡萄糖δ-碳上的羟基与醛基反应形成半缩醛，因而失去了羰基的结构特征。7参考文献[1]石杰.仪器分析.郑州，郑州大学出版社，2003，95～96[2]严衍禄，赵龙莲，韩东海，杨曙明.近红外光谱分析基础与应用.北京：中国轻工业出版社，2005，130～136