傅里叶变换红外光谱仪(FT-IR)原理与应用


一、仪器的构造和原理

1、定义

中红外光为波长2.5-25um(或4800-400/cm)的辐射光,它照射到样品后,可以被吸收、透射、反射、散射或激发荧光(即拉曼效应)。分子吸收中红外光后产生振动和转动的改变,形成红外吸收光谱图。

产生中红外光照射并记录红外吸收光谱图的仪器成为中红外光谱仪。

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。

2、产生红外光谱的必要条件

(1)红外辐射光的频率与分子振动的频率相当,才能满足分子振动能级跃迁所需的能量,而产生吸收光谱;

(2)振动过程中必须是能引起分子偶极矩变化的分子才能产生红外吸收光谱。

3、各种振动方式及能量

分子振动方式分为:

伸缩振动----对称伸缩振动

              ----不对称伸缩振动

弯曲振动----面内弯曲振动----剪式振动

                           ----平面摇摆

             ----面外弯曲振动----非平面摇摆

                           ----扭曲振动

二氧化碳的IR光谱:

4、红外光谱的表示方法

一般指中红外(振动能级跃迁)

中红外光吸收光谱图:

横坐标:波数即为波长的倒数

400~4000cm-1;表示吸收峰的位置。

纵坐标:透过率(T%),表示吸收强度。T↓,表明吸收的越好,故曲线低谷表示是一个好的吸收带。

从谱图可得信息:

(1)吸收峰的位置(吸收频率)

(2)吸收峰的强度,常用vs(very strong),s(strong),m(medium),w(weak),vw(very weak),b(broad),sh(sharp),v(variable)表示

(3)吸收峰的形状(尖峰、宽峰、肩峰)

5、FT-IR光谱仪构造及原理

红外光源(Globr)→干涉仪→样品仓→检测器(HgCdTe)(复合光源)

干涉仪:是红外光谱仪的心脏部分,由定镜、动镜、分束器(KBr)构成

在干涉仪的出口,两束有光程差的光发生干涉,然后到样品。

定镜:反射光束。

动镜:用激光控制扫描器移动速率来调制光束,产生干涉光。

分束器:透射光束。

检测器:干涉信号被放大、过滤、数字化,经数学变换(傅里叶变换)成为光谱图。

二、红外样品常用制备方法

1、压片法

将KBr(100-200mg)与固体样品(1-2mg)在玛瑙研钵中研磨成um级的细粉,采用专用的压片设备,压制成直径13mm、厚度约1mm的透明薄片,即可进行分析。

压片法所用的稀释剂除了KBr外,还有NaCl、Csl和聚乙烯粉末。

2、糊状法

由研细的固体样品粉末(10mg)和少量氟化煤油(在4000-1300/cm区域无红外吸收)或液体石蜡(在1300-400/cm区域无红外吸收)研磨成糊状物、再涂在盐片或水不溶性窗片上进行分析。

糊状法可消除水峰(3400/cm、1630/cm)干扰:或在样品中加几滴重水也可消除水峰对样品信号的干扰。

当研究某些样品中含-OH基和-NH2基时,为排除KBr中水汽干扰,可选用聚四氟乙烯粉做压片载体或使用石蜡糊法。

3、涂膜法

将液体样品滴加或涂抹在盐片或窗片上制成液膜,即可进行分析。有些固体聚合物,经熔融涂膜、热压成膜、溶液铸膜的方法,也可得到适于分析的薄膜。

常用盐片:KBr、NaCl。

常用水不溶性窗片:CaF2、BaF2、KRS-5(溴碘化铊)。

4、液体池法

液体样品诸如不同规格和材料的液体池进行分析。池的厚度在0.01-1mm之间,池材料由KBr、NaCl等构成。样品为水溶液时,可选用对水不溶解的KRS-5、AgCl窗片。由于液体池的拆装不甚方便,只有在使用红外光谱做定量分析方法时才使用。

5、气体样品分析

FT-IR技术可用于气体样品的直接分析。

各类气体池(常规气体池、小体积气体池、长光程气体池、加压气体池高温气体池和低温气体池等)和真空系统是气体分析必须的附属装置和附件。

三、红外的应用

1、红外的应用

(1)利用固、液相光谱差异,区分构象异构体。

(2)根据特征吸收峰确定化合物中所含官能团。

(3)鉴定样品纯度。样品中若含5%以上杂质,

(4)光谱吸收峰尖锐度降低、吸收峰数目增加。

(5)定量分析:借助内标峰或选取二个吸收峰,以峰强度比值对样品浓度做标准曲线。

(6)通过观察某特征峰强度变化,可追踪化学反应进程。

(7)利用固相光谱差异,鉴定化合物(同质异晶体、同系物、光学异构体、几何异构体)

2、红外光谱的分区:

(1)4000-2500cm-1:这是X-H单键的伸缩振动区。X可以是O,N,C,S原子。

(2)2500-2000cm-1:此处为叁键和累积双键伸缩振动区。

(3)2000-1500cm-1:此处为双键伸缩振动区。

(4)1500-600cm-1:此区域主要提供C-H弯曲振动的信息 

不饱和的C-H伸缩振动出现在3000/cm以上可以检定化合物中是否含有不饱和的C-H键,如-C=C-H。与此同时,2000-1500/cm会出现双键伸缩振动的吸收峰。

酸酐的C=O由于振动的偶合会出现两个峰,可以根据两个峰的相对强度来判断酸酐是线型的还是环状的,线型的两峰强度接近相等,高波数峰仅较低波数峰少强,而环状酸酐的低波数峰却较高波数峰强。

当四个或更多的CH2基团在一根链上,720±10cm-1是CH2基团的摇摆振动。

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