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红外光谱仪

发布时间:2014-08-19   点击次数:604次

红外光谱仪

红外光谱 (Infrared Spectroscopy, IR) 的研究开始于 20 世纪初期,自 1940 年商品红外光谱仪问世以来,红外光谱在有机化学研究中得到广泛的应用。近几十年来一些新技术 (如发射光谱、光声光谱、色——红联用等) 的出现,使红外光谱技术得到更加蓬勃的发展。

 

1简介

    在有机物分子中,组成化学键或官能团的原子处于不断振动的状态,其振动频率与红外光的振动频率相当。所以,用红外光照射有机物分子时,分子中的化学键或官能团可发生震动吸收,不同的化学键或官能团吸收频率不同,在红外光谱上将处于不同位置,从而可获得分子中含有何种化学键或官能团的信息。

 

2近红外光技术

20世纪60年代,随着Norris等人所做的大量工作,提出物质的含量与近红外区内多个不同的波长点吸收峰呈线性关系的理论,并利用近红外漫反射技术测定了农产品中的水分、蛋白、脂肪等成分,才使得近红外光谱技术一度在农副产品分析中得到广泛应用。60年代中后期,随着各种新的分析技术的出现,加之经典近红外光谱分析技术暴露出的灵敏度低、抗干扰性差的弱点,使人们淡漠了该技术在分析测试中的应用,此后,近红外光谱再次进入了一个沉默的时期。

70年代产生的化学计量学(Chemometrics)学科的重要组成部分--多元校正技术在光谱分析中的成功应用,促进了近红外光谱技术的推广。到80年代后期,随着计算机技术的迅速发展,带动了分析仪器的数字化和化学计量学的发展,通过化学计量学方法在解决光谱信息提取和背景干扰方面取得的良好效果,加之近红外光谱在测样技术上所独占的特点,使人们重新熟悉了近红外光谱的价值,近红外光谱在各领域中的应用研究陆续展开。进入90年代,近红外光谱在产业领域中的应用全面展开,有关近红外光谱的研究及应用文献几乎呈指数增长,成为发展zui快、zui引人注目的一门独立的分析技术。由于近红外光在常规光纤中具有良好的传输特性,使近红外光谱在在线分析领域也得到了很好的应用,并取得良好的社会效益和经济效益,从此近红外光谱技术进入一个快速发展的新时期。

近红外光是一种介于可见光(VIS)和中红外光(IR)之间的电磁波,美国材料检测协会(ASTM),将其定义为波长780~2526nm的光谱区。利用近红外光谱的优点有:1.简单方便,有不同的测样器件可直接测定液体、固体、半固体和胶状体等样品,检测成本低。2.分析速度快,一般样品可在1min内完成。3.适用于近红外分析的光导纤维易得到,故易实现在线分析及监测,极适合于生产过程和恶劣环境下的样品分析。4.不损伤样品可称为无损检测。5.分辨率高可同时对样品多个组分进行定性和定量分析等。所以目前近红外技术在食品产业等领域应用较广泛。

3原理

当一束具有连续波长的红外光通过物质,物质分子中某个基团的振动频率或转动频率和红外光的频率一样时,分子就吸收能量由原来的基态振(转)动能级跃迁到能量较高的振(转)动能级,分子吸收红外辐射后发生振动和转动能级的跃迁,该处波长的光就被物质吸收。所以,红外 

 

  红外光谱

光谱法实质上是一种根据分子内部原子间的相对振动和分子转动等信息来确定物质分子结构和鉴别化合物的分析方法。将分子吸收红外光的情况用仪器记录下来,就得到红外光谱图。红外光谱图通常用波长(λ)或波数(σ)为横坐标,表示吸收峰的位置,用透光率(T%)或者吸光度(A)为纵坐标,表示吸收强度。

当外界电磁波照射分子时,如照射的电磁波的能量与分子的两能级差相等,该频率的电磁波就被该分子吸收,从而引起分子对应能级的跃迁,宏观表现为透射光强度变小。电磁波能量与分子两能级差相等为物质产生红外吸收光谱必须满足条件之一,这决定了吸收峰出现的位置。

红外吸收光谱产生的第二个条件是红外光与分子之间有偶合作用,为了满足这个条件,分子振动时其偶极矩必须发生变化。这实际上保证了红外光的能量能传递给分子,这种能量的传递是通过分子振动偶极矩的变化来实现的。并非所有的振动都会产生红外吸收,只有偶极矩发生变化的振动才能引起可观测的红外吸收,这种振动称为红外活性振动;偶极矩等于零的分子振动不能产生红外吸收,称为红外非活性振动。 

 

分子的振动形式可以分为两大类:伸缩振动弯曲振动。前者是指原子沿键轴方向的往复运动,振动过程中键长发生变化。后者是指原子垂直于化学键方向的振动。通常用不同的符号表示不同的振动形式,例如,伸缩振动可分为对称伸缩振动和反对称伸缩振动,分别用 Vs 和Vas 表示。弯曲振动可分为面内弯曲振动(δ)和面外弯曲振动(γ)。从理论上来说,每一个基本振动都能吸收与其频率相同的红外光,在红外光谱图对应的位置上出现一个吸收峰。实际上有一些振动分子没有偶极矩变化是红外非活性的;另外有一些振动的频率相同,发生简并;还有一些振动频率超出了仪器可以检测的范围,这些都使得实际红外谱图中的吸收峰数目大大低于理论值。

组成分子的各种基团都有自己特定的红外特征吸收峰。不同化合物中,同一种官能团的吸收振动总是出现在一个窄的波数范围内,但它不是出现在一个固定波数上,具体出现在哪一波数,与基团在分子中所处的环境有关。引起基团频率位移的因素是多方面的,其中外部因素主要是分子所处的物理状态和化学环境,如温度效应溶剂效应等。对于导致基团频率位移的内部因素,迄今已知的有分子中取代基的电性效应:如诱导效应共轭效应中介效应、偶极场效应等;机械效应:如质量效应张力引起的键角效应、振动之间的耦合效应等。这些问题虽然已有不少研究报道,并有较为系统的论述,但是,若想按照某种效应的结果来定量地预测有关基团频率位移的方向和大小,却往往难以做到,因为这些效应大都不是单一出现的。这样,在进行不同分子间的比较时就很困难。

另外氢键效应和配位效应也会导致基团频率位移,如果发生在分子间,则属于外部因素,若发生在分子内,则属于分子内部因素。

红外谱带的强度是一个振动跃迁概率的量度,而跃迁概率与分子振动时偶极矩的变化大小有关,偶极矩变化愈大,谱带强度愈大。偶极矩的变化与基团本身固有的偶极矩有关,故基团极性越强,振动时偶极矩变化越大,吸收谱带越强;分子的对称性越高,振动时偶极矩变化越小,吸收谱带越弱。

   

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