红外光谱分析技术邹其超

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1、主 讲 人 邹 其 超 当 样 品 受 到 频 率 连 续 变 化 的 红 外 光 照 射 时 ， 分 子 吸 收 某 些 频 率的 辐 射 ， 并 由 其 振 动 运 动 或 转 动 运 动 引 起 偶 极 矩 的 净 变 化 ， 产生 的 分 子 振 动 和 转 动 能 级 从 基 态 到 激 发 态 的 跃 迁 ， 从 而 形 成 的分 子 吸 收 光 谱 称 为 红 外 光 谱 。 又 称 为 分 子 振 动 转 动 光 谱 。红 外 光 谱 的 定 义分 子 中 基 团 的 振 动 和 转 动 能 级 跃 迁 产 生 ： 振 -转 光 谱 辐 射 分 子 振 动 能 级 跃 迁 红

2、外 光 谱 官 能 团 分 子 结 构 区 域 名 称 波 长 (m) 波 数 (cm-1) 能 级 跃 迁 类 型近 红 外 区 泛 频 区 0.75-2.5 13158-4000 OH、 NH、 CH键 的 倍频 吸 收中 红 外 区 基 本 振 动区 2.5-25 4000-400 分 子 振 动 ， 伴 随 转动远 红 外 区 分 子 转 动区 25-300 400-10 分 子 转 动 透 过 率 ：T% = I/Io x 100% 吸 光 度 ：A = log1/T = logI/IoE = hn = hc/l仲 丁 基 苯 的 红 外 吸 收 光 谱红 外 光 谱 图：纵 坐 标

3、 为 吸收 强 度 ，横 坐 标 为 波长 （ m ）和 波 数 1/ 单位 ： cm-1可 以 用 峰 数， 峰 位 ， 峰形 ， 峰 强 来描 述 。 基 频 峰 ： 振 动 能 级 从 基 态 跃 迁 到 第 一 激 发 态 时 所 产 生 的 吸 收 峰 ；泛 频 峰 ： 包 括 倍 频 峰 和 组 频 峰 （ 分 为 合 频 峰 和 差 频 峰 ） ；特 征 区 ： 40001330cm-1(2.57.5m)之 间 的 高 频 区 ；指 纹 区 ： 1330400cm-1(7.525m)之 间 的 低 频 区 ；特 征 峰 ： 特 征 区 中 能 用 于 鉴 定 原 子 基 团 的

4、吸 收 峰 ；相 关 峰 ： 与 特 征 峰 相 互 依 存 而 又 相 互 可 以 佐 证 的 吸 收 峰 ；费 米 共 振 ： 泛 频 峰 接 近 基 频 峰 时 ， 发 生 相 互 作 用 ， 形 成 为 比 原 频 率 高 和 低 的 两 个 吸 收 峰 ， 吸 收 峰 的 强 度 得 到 增 幅 ；振 动 耦 合 ： 分 子 中 邻 近 的 两 个 基 团 由 于 振 动 基 频 相 同 或 接 近 ， 发 生 相 互 作 用 ， 在 正 常 基 频 附 近 形 成 两 个 吸 收 峰 ， 一 个 比 正 常 频 率 高 ， 一 个 比 正 常 频 率 低 。 满 足 两 个 条 件

5、 ： (1)辐 射 应 具 有 能 满 足 物 质 产 生 振 动 跃 迁 所 需 的 能 量 ； (2)辐 射 与 物 质 间 有 相 互 偶 合 作 用 。 对 称 分 子 ： 没 有 偶 极 矩 ， 辐射 不 能 引 起 共 振 ， 无 红 外 活 性 。 如 ： N2、 O2、 Cl2 等 。 非 对 称 分 子 ： 有 偶 极 矩 ， 红外 活 性 。 偶 极 子 在 交 变 电 场 中 的 作 用 示意 图 1 诱 导 效 应2 共 轭 效 应 3 空 间 效 应4 环 张 力 效 应 CH3 CO CH2 CO CH3 CH3 CO CH CO CH3Hn C=O 1740cm-

6、1 nC=O 1613cm-1nO-H 32002800cm-1nC=O 1710cm-1 5 氢 键 效 应 是 七 十 年 代 发 展 起 来 的 一 种 红 外 光 谱 仪 。 具 有 扫 描 速 度 快 ， 测 量 时 间 短 ， 可 以 在 1s内 获 得 红 外 光 谱 ， 适 合 快 速 反应 的 研 究 。 检 测 灵 敏 度 高 ， 检 测 极 限 可 达 10 9 10 12g； 分 辨 率 高 ， 波 数 精 度 可 达 0.01cm 1； 光 谱 范 围 广 ， 可 研 究 整 个 红 外 区 。 测 定 精 度 高 ， 可 达 0.1%， 而 杂 散 光 小 于 0.

7、01%。 一 工 作 原 理 图 I Sd| 0 +_ + +| 0| 0_ dd uIntensityIntensity Intensity IntensityIntensity Intensity(cm)(cm) (cm) u(cm-1)u1 u2u(cm-1)u(cm-1) FT operation 气 体 ， 液 体 或 固 体 要 求 样 品 中 不 含 游 离 水 要 求 样 品 的 浓 度 和 测 试 层 的 厚 度 选 择 适 当K Br 4000 - 400 cm-1NaCl 4000 - 600 cm-1ZnSe 4000 - 600 cm-1ZnS 4000 - 750

8、cm-1BaF 2 4000 - 800cm-1 CaF2 4000 - 1100 cm-1CsI 4000 - 200 cm-1 透 射 光 谱 分 析 技 术 水 平 衰 减 全 反 射 分 析 技 术 漫 反 射 分 析 技 术 镜 面 反 射 分 析 技 术 差 谱 分 析 技 术 红 外 显 微 分 析 技 术 在 线 红 外 分 析 技 术 4000 3000 2000 100042 0 (a) SiO2(b) OA 0.045(c) OA 0.091(d) OA 0.136(e) OA 0.318 (f) OA 0.682- OH (CH2)nC=O COOH 推 测 反 应 过

9、 程 为 ：SiO2(OH)n+yHOOCC17H33SiO2(OH)n y (OOC C17H33)y+ yH2OOA/ SiO2（ 摩 尔 比 ）( OH ) ， ( OA)OA/ SiO2（ 摩 尔 比 ）最 佳 值 20% 4000 3000 2000 1000 100 (a) TiO2(b) OA/TiO2 0.2 (c) OA/TiO2 0.4(d) OA/TiO2 0.8 coo- (CH2)n-OH OA/TiO2（ 摩 尔 比 ） 最 佳 值为 0.4左 右 推 测 反 应 过 程 为 ：TiO2(OH)n+yHOOCC17H33TiO2(OH)n y (OOC C17H33

10、)y+ yH2O 按 照 箭 头 方 向 溶 剂 依 次 为 :正 己 烷 、 环 己 烷 、 四 氯 化碳 、 甲 苯 、 苯 、 1， 2一 二 氯 乙 烷 、 二 氯 甲 烷 、 氯 仿 苯 乙 酸 溶 剂 效 应 的 FTIR研 究 共 轭 羰 基 化 合 物 溶 剂 效 应 的 红 外 光 谱 研 究 上 图 为 全 血 的 红 外 吸 收 谱 图 下 图 为 正 常 血 清 的 红 外 吸 收 谱 线3298cm-1 2920cm-1 3298cm-1 2920cm-1 上 图 为 高 血 糖 全 血 的 红 外 吸 收 谱 图 下 图 为 高 血 糖 血 清 的 红 外 吸 收

11、谱 线2920cm-13298cm-1 3298cm-1 2920cm-1 适 合 材 料 表 面 光 谱 信 息 分 析 厚 度 较 大 ： 大 于 0.1mm 塑 料 ，高 聚 物 和 橡 胶 ， 纸 样 等 在 材 料 分 析 上 有 较 大 的 用 途 吸 收 强 度 与 光 线 的 入 射 深 度 有关 ， 必 须 进 行 MIR方 程 校 准 。 Sample IR Metal plate ATR附 件 主 要 用 于 固 体 、 凝 胶 、 橡胶 等 材 料 表 面 的 研 究 。测 量 表 面 厚 度 需 在 1 m以 上也 可 用 于 溶 液 分 析 （ 蛋 白 水 溶 液

12、） 收 集 高 散 射 样 品 的 光 谱 信息 适 合 于 粉 体 样 品 的 红 外 分析 是 一 种 半 定 量 的 分 析 技 术 K M（ K ubelka Munk）方 程 校 准 后 可 以 进 行 定 量分 析 不 需 要 压 片 三 漫 反 射 红 外 光 谱 分 析 技 术 Diamond or SiC coated pad Particles of sample 漫反射附件主要用于测量颗粒表面，或不平整的表面适用于表面厚度约在10m左右的材料 红 外 线 直 接 辐 照 样 品 表 面 ， 采 集 样 品 表 面 反 射 的 信 息 光 滑 平 整 的 固 体 表 面 样

13、 品 分 析 金 属 表 面 的 薄 膜 ， 金 属 表 面 处 理 膜 ； 食 品 包 装 材 料 以 及 各 种 涂 层材 料 等 由 于 在 不 同 波 长 下 的 折 射 系 数 不 同 ， 在 强 吸 收 谱 带 范 围 内 会 产 生类 似 导 数 谱 的 特 征 吸 收 ， 可 以 通 过 K-K（ Kramers-Kronig）变 换 ， 获 得 正 常 的 发 射 光 谱 Sample Detector 可 以 进 行 微 区 分 析 10*10微 米 可 以 进 行 价 键 的 Map分 布 分 析 适 合 于 微 小 材 料 分 析 聚 合 物 复 合 材 料 相 容 性

14、 的 傅 立 叶 变 换 红 外 光 谱 显 微 成 像 研 究 食 品 中 异 物 的 分 析 图 天 然 翡 翠 与 B货 翡 翠 的 红 外 光 谱 图 I 天 然 翡 翠 II B货 翡 翠 真 猴 票 的 红 外 光 谱 图假 猴 票 的 红 外 光 谱 图 注 意 ： 须 在 邮 票 的 同 一 位置 测 定 才 可 比 较 。 在 鉴 别中 找 不 到 新 票 时 可 以 用 信销 票 代 替 进 行 红 外 光 谱 分析 ,脱 去 信 销 票 的 背 胶 、 水洗 对 邮 票 的 红 外 光 谱 变 化影 响 不 大 ,但 注 意 不 要 测 定邮 戳 油 墨 部 位 以 庚

15、申 年 猴 票 为 例 : 左 边 是 焦 藕 ， 右 边 是 马 铃 薯天 麻 正 品 a.野 生 冬 天 麻 b.赝 品 马 铃 薯 19401920190018801860184018201800178017601740172017001680166016400.000.05 0.100.150.20 0.250.300.35A wave number/cm-14000.0 3600 3200 2800 2400 2000 1800 1600 1400 1200 1000 800 600 450.0cm-1 %T 咪唑 酸酐 环氧树脂 ERHP-10 1777.86 -CO-O-CO-

16、-CO-O-C- 1-A T,t/AT,t=0 表 观 转 化 率 A特 征 吸 收 峰 的 吸 光 度 T固 化 温 度 （ K） t 固 化 时 间 （ min）研 究 体 系 组 成 ：主 体 材 料 ： POSS改 性 环 氧 树 脂固 化 剂 ： 甲 基 四 氢 苯 酐促 进 剂 ： 4-甲 基 -2-乙 基 -咪 唑 1空 气 阀 2控 制 阀 3转 子 流 量 计 4VOC气 瓶 5转 换 阀6硅 胶 干 燥 器 7原 位 室 8反 应 器 9氯 化 钠 窗 口 10样 品11抛 面 反 射 片 12水 滤 13紫 外 灯 14电 源 15气 相 色 谱16光 谱 仪 17曝 气 瓶原 位 红 外 光 谱 法 研 究 纳 米 TiO2光 解 气 相 乙 醇 Thank you for your attention!