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红外吸收光谱分析
2012-06-14 [2323]

红外吸收光谱分析

分子的振动能量比转动能量大,当发生振动能级跃迁时,不可避免地伴随有转动能级的跃迁,所以无法测量纯粹的振动光谱,而只能得到 分子的振动-转动光谱,这种光谱称为红外吸收光谱。
红外吸收光谱也是一种分子吸收光谱。

当样品受到频率连续变化的红外光照射时,分子吸收了某些频率的辐射,并由其振动或转动运动引起偶极矩的净变化,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。

一、红外光区的划分
红外光谱在可见光区和微波光区之间,波长范围约为 0.75 ~ 1000µm,根据仪器技术和应用不同,习惯上又将红外光区分为三个区:近红外光区(0.75 ~ 2.5µm ),中红外光区(2.5 ~ 25µm ),远红外光区(25 ~ 1000µm )。
近红外光区(0.75 ~ 2.5µm )
近红外光区的吸收带主要是由低能电子跃迁、含氢原子团(如O—H、N—H、C—H)伸缩振动的倍频吸收等产生的。该区的光谱可用来研究稀土和其它过渡金属离子的化合物,并适用于水、醇、某些高分子化合物以及含氢原子团化合物的定量分析。
中红外光区(2.5 ~ 25µm )
绝大多数有机化合物和无机离子的基频吸收带出现在该光区。由于基频振动是红外光谱中吸收zui强的振动,所以该区zui适于进行红外光谱的定性和定量分析。同时,由于中红外光谱仪zui为成熟、简单,而且目前已积累了该区大量的数据资料,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。
远红外光区 (25 ~ 1000µm )
该区的吸收带主要是由气体分子中的纯转动跃迁振动-转动跃迁、液体和固体中重原子的伸缩振动、某些变角振动、骨架振动以及晶体中的晶格振动所引起的。 由于低频骨架振动能很灵敏地反映出结构变化,所以对异构体的研究特别方便。此外,还能用于金属有机化合物(包括络合物)、氢键、吸附现象的研究。但由于该光区能量弱,除非其它波长区间内没有合适的分析谱带,一般不在此范围内进行分析。
曲线或T~红外吸收光谱一般用T~ (单位为µm波数曲线表示。纵坐标为百分透射比T%,因而吸收峰向下,向上则为谷;横坐标是波长 ),或波数(单位为cm-1)。
与波数之间的关系为:波长
 / µm )波数/ cm-1 =104 /(
中红外区的波数范围是4000 ~ 400 cm-1 。

二、红外光谱法的特点
紫外、可见吸收光谱常用于研究不饱和有机物,特别是具有共轭体系的有机化合物,而红外光谱法主要研究在振动中伴随有偶极矩变化的化合物(没有偶极矩变化的振动在拉曼光谱中出现)。因此,除了单原子和同核分子如Ne、He、O2、H2等之外,几乎所有的有机化合物在红外光谱区均有吸收。除光学异构体,某些高分子量的高聚物以及在分子量上只有微小差异的化合物外,凡是具有结构不同的两个化合物,一定不会有相同的红外光谱。通常红外吸收带的波长位置与吸收谱带的强度,反映了分子结构上的特点,可以用来鉴定未知物的结构组成或确定其化学基团;而吸收谱带的吸收强度与分子组成或化学基团的含量有关,可用以进行定量分析和纯度鉴定。由于红外光谱分析特征性强,气体、液体、固体样品都可测定,并具有用量少,分析速度快,不破坏样品的特点。因此,红外光谱法不仅与其它许多分析方法一样,能进行定性和定量分析,而且该法是鉴定化合物和测定分子结构的zui有用方法之一。

一、产生红外吸收的条件
1 . 辐射光子具有的能量与发生振动跃迁所需的跃迁能量相等
红外吸收光谱是分子振动能级跃迁产生的。因为分子振动能级差为0.05~1.0eV,比转动能级差(0.0001  0.05eV)大,因此分子发生振动能级跃迁时,不可避免地伴随转动能级的跃迁,因而无法测得纯振动光谱,但为了讨论方便,以双原子分子振动光谱为例说明红外光谱产生的条件。若把双原子分子(A-B)的两个原子看作两个小球,把连结它们的化学键看成质量可以忽略不计的弹簧,则两个原子间的伸缩振动,可近似地看成沿键轴方向的间谐振动。
在室温时,分子处于基态,此时,伸缩振动的频率很小。当有红外辐射照射到分子时,若红外辐射的光子所具有的能量恰好等于分子振动能级的能量差时,则分子将吸收红外辐射而跃迁至激发态,导致振幅增大。
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。
(2)辐射与物质之间有耦合作用
为满足这个条件,分子振动必须伴随偶极矩的变化。红外跃迁是偶极矩诱导的,即能量转移的机制是通过振动过程所导致的偶极矩的变化和交变的电磁场(红外线)相互作用 发生的。分子由于构成它的各原子的电负性的不同,也显示不同的极性,称为偶极子。通常用分子的偶极矩来描述分子极性的大小。当偶极子处在电磁辐射的电场中时,该电场作周期性反转,偶极子将经受交替的作用力而使偶极矩增加或减少。由于偶极子具有一定的原有振动频率,显然,只有当辐射频率与偶极子频率相匹时,分子才与辐射相互作用(振动耦合)而增加它的振动能,使振幅增大,即分子由原来的基态振动跃迁到较高振动能级。因此,并非所有的振动都会产生红外吸收,只有发生偶极矩变化的振动才能引起可观测的红外吸收光谱,该分子称之为红外活性的。
当一定频率的红外光照射分子时,如果分子中某个基团的振动频率和它一致,二者就会产生共振,此时光的能量通过分子偶极矩的变化而传递给分子,这个基团就吸收一定频率的红外光,产生振动跃迁。如果用连续改变频率的红外光照射某样品,由于试样对不同频率的红外光吸收程度不同,使通过试样后的红外光在一些波数范围减弱,在另一些波数范围内仍然较强,用仪器记录该试样的红外吸收光谱,进行样品的定性和定量分析。
衰减全反射(ATR)是FRIR的进样附件,通常为单点接触衰减全反射。可以有效的得到聚合材料的红外图谱,不再需要进行样品处理。