什么是
傅里葉紅外光譜儀 紅外光譜儀是通過動鏡移動產(chǎn)生不一樣的光程差進行干涉,然后進行傅立葉變換,具體是怎么樣的。問題已得到詳細(xì)解答。
先簡單介紹下紅外的基本知識:
1.什么是光譜技術(shù)?有哪些分類,紅外屬于哪一類?
光譜分析是一種根據(jù)物質(zhì)的光譜來鑒別物質(zhì)及確定它的化學(xué)組成,結(jié)構(gòu)或者相對含量的方法。按照分析原理,光譜技術(shù)主要分為吸收光譜,發(fā)射光譜和散射光譜三種;按照被測位置的形態(tài)來分類,光譜技術(shù)主要有原子光譜和分子光譜兩種。紅外光譜屬于分子光譜,有紅外發(fā)射和紅外吸收光譜兩種,常用的一般為紅外吸收光譜。
2.紅外吸收光譜的基本原理是什么?
分子運動有平動,轉(zhuǎn)動,振動和電子運動四種,其中后三種為量子運動。分子從較低的能級E1,吸收一個能量為hv的光子,可以躍遷到較高的能級E2,整個運動過程滿足能量守恒定律E2-E1=hv。能級之間相差越小,分子所吸收的光的頻率越低,波長越長。
紅外吸收光譜是由分子振動和轉(zhuǎn)動躍遷所引起的,組成化學(xué)鍵或官能團的原子處于不斷振動(或轉(zhuǎn)動)的狀態(tài),其振動頻率與紅外光的振動頻率相當(dāng)。所以,用紅外光照射分子時,分子中的化學(xué)鍵或官能團可發(fā)生振動吸收,不同的化學(xué)鍵或官能團吸收頻率不同,在紅外光譜上將處于不同位置,從而可獲得分子中含有何種化學(xué)鍵或官能團的信息。
紅外光譜法實質(zhì)上是一種根據(jù)分子內(nèi)部原子間的相對振動和分子轉(zhuǎn)動等信息來確定物質(zhì)分子結(jié)構(gòu)和鑒別化合物的分析方法。
分子的轉(zhuǎn)動能級差比較小,所吸收的光頻率低,波長很長,所以分子的純轉(zhuǎn)動能譜出現(xiàn)在遠(yuǎn)紅外區(qū)(25~300μm)。振動能級差比轉(zhuǎn)動能級差要大很多,分子振動能級躍遷所吸收的光頻率要高一些,分子的純振動能譜一般出現(xiàn)在中紅外區(qū)(2.5~25μm)。(注:分子的電子能級躍遷所吸收的光在可見以及紫外區(qū),屬于紫外可見吸收光譜的范疇)
值得注意的是,只有當(dāng)振動時,分子的偶極矩發(fā)生變化時,該振動才具有紅外活性(注:如果振動時,分子的極化率發(fā)生變化,則該振動具有拉曼活性)。
3.分子的主要振動類型
在中紅外區(qū),分子中的基團主要有兩種振動模式,伸縮振動和彎曲振動。伸縮振動指基團中的原子沿著價鍵方向來回運動(有對稱和反對稱兩種),而彎曲振動指垂直于價鍵方向的運動(搖擺,扭曲,剪式等),如上圖所示。
4.紅外光譜和紅外譜圖的分區(qū)
通常將紅外光譜分為三個區(qū)域:近紅外區(qū)(0.75~2.5μm)、中紅外區(qū)(2.5~25μm)和遠(yuǎn)紅外區(qū)(25~300μm)。一般說來,近紅外光譜是由分子的倍頻、合頻產(chǎn)生的;中紅外光譜屬于分子的基頻振動光譜;遠(yuǎn)紅外光譜則屬于分子的轉(zhuǎn)動光譜和某些基團的振動光譜。(注:由于絕大多數(shù)有機物和無機物的基頻吸收帶都出現(xiàn)在中紅外區(qū),因此中近紅外光譜儀
紅外區(qū)是研究和應(yīng)用多的區(qū)域,積累的資料也多,儀器技術(shù)為成熟。通常所說的紅外光譜即指中紅外光譜)
按吸收峰的來源,可以將中紅外光譜圖(2.5~25μm)大體上分為特征頻率區(qū)(2.5~7.7μm,即4000-1330 cm-1)以及指紋區(qū)(7.7~16.7μm,即1330-400 cm-1)兩個區(qū)域。其中特征頻率區(qū)中的吸收峰基本是由基團的伸縮振動產(chǎn)生,數(shù)目不是很多,但具有很強的特征性,因此在基團鑒定工作上很有價值,主要用于鑒定官能團。如羰基,不論是在酮、酸、酯或酰胺等類化合物中,其伸縮振動總是在5.9μm左右出現(xiàn)一個強吸收峰,如譜圖中5.9μm左右有一個強吸收峰,則大致可以斷定分子中有羰基。
指紋區(qū)的情況不同,該區(qū)峰多而復(fù)雜,沒有強的特征性,主要是由一些單鍵C-O、C-N和C-X(鹵素原子)等的伸縮振動及C-H、O-H等含氫基團的彎曲振動以及C-C骨架振動產(chǎn)生。當(dāng)分子結(jié)構(gòu)稍有不同時,該區(qū)的吸收就有細(xì)微的差異。這種情況就像每個人都有不同的指紋一樣,因而稱為指紋區(qū)。指紋區(qū)對于區(qū)別結(jié)構(gòu)類似的化合物很有幫助。
下表所示為一些特征基團的振動頻率,后面幾期我們會結(jié)合實例進行具體分享。
5.紅外光譜是定性分析手段還是定量分析手段?有何應(yīng)用?
紅外吸收光譜主要用于定性分析分子中的官能團,也可以用于定量分析(較少使用,特別是多組分時定量分析存在困難)。紅外光譜對樣品的適用性相當(dāng)廣泛,固態(tài)、液態(tài)或氣態(tài)樣品都能應(yīng)用,無機、有機、高分子化合物都可檢測。
常見的,對于未知產(chǎn)物進行分析時,紅外能夠給出官能團信息,結(jié)合質(zhì)譜,核磁,單晶衍射等其他手段有助于確認(rèn)產(chǎn)物的結(jié)構(gòu)(應(yīng)用廣泛);在催化反應(yīng)中,紅外,特別是原位紅外有著重要的作用,可以用于確定反應(yīng)的中間產(chǎn)物,反應(yīng)過程中催化劑表面物種的吸附反應(yīng)情況等;通過特定物質(zhì)的吸附還可以知道材料的性質(zhì),比如吡啶吸附紅外可以測試材料的酸種類和酸量等,CO吸附的紅外可以根據(jù)其出峰的情況判斷材料上CO的吸附狀態(tài),進而知道催化劑中金屬原子是否是以單原子形式存在等。
6.紅外光譜的解析一般通過什么方法?有哪些重要的數(shù)據(jù)庫?
光譜的解析一般首先通過特征頻率確定主要官能團信息。單純的紅外光譜法鑒定物質(zhì)通常采用比較法,即與標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)對照和查閱標(biāo)準(zhǔn)譜的方法,但是該方法對于樣品的要求較高并且依賴于譜圖庫的大小。如果在譜圖庫中無法檢索到一致的譜圖,則可以用人工解譜的方法進行分析,這就需要有大量的紅外知識及經(jīng)驗積累。大多數(shù)化合物的紅外譜圖是復(fù)雜的,即便是有經(jīng)驗的專家,也不能保證從一張孤立的紅外譜圖上得到全部分子結(jié)構(gòu)信息,如果需要確定分子結(jié)構(gòu)信息,就要借助其他的分析測試手段,如核磁、質(zhì)譜、紫外光譜等。