傅立葉變換紅外光譜儀的原理和應用實驗指導書

1、傅立葉變換紅外光譜儀的原理和應用實驗指導書貴州大學精細化工研究開發(fā)中心（綠色農藥與生物工程重點實驗室）1、實驗類型及學時數a) 實驗類型：設計性實驗(研究性實驗）b) 學時數：6學時2、實驗目的和意義紅外及拉曼光譜都是分子振動光譜。通過譜圖解析可以獲取分子結構的信息。任何氣態(tài)、液態(tài)、固態(tài)樣品均可進行紅外光譜測定，這是其它儀器分析方法難以做到的。由于每種化合物均有紅外吸收，尤其是有機化合物的紅外光譜能提供豐富的結構信息，因此紅外光譜法是有機化合物結構解析的重要手段之一。傅立葉變換紅外光譜儀是20世紀70年代發(fā)展起來的新一代紅外光譜儀，它具有以下特點：一是掃描速度快，可以在1s內測得多張紅外譜圖；

2、二是光通量大，可以檢測透射較低的樣品，可以檢測氣體、固體、液體、薄膜和金屬鍍層等不樣品；三是分辨率高，便于觀察氣態(tài)分子的精細結構；四是測定光譜范圍寬，只要改變光源、分束器和檢測器的配置，就可以得到整個紅外區(qū)的光譜。廣泛應用于有機化學、高分子化學、無機化學、化工、催化、石油、材料、生物、醫(yī)藥、環(huán)境等領域。通過學習紅外光譜儀的構成和使用方法，及其在定性、定量分析中的應用，培養(yǎng)學生嚴謹的科學態(tài)度、細致的工作作風、實事求是的數據報告和良好的實驗習慣（準備充分、操作規(guī)范，記錄簡明，臺面整潔、實驗有序，良好的環(huán)保和公德意識）。培養(yǎng)培養(yǎng)學生的動手能力、理論聯系實際的能力、統(tǒng)籌思維能力、創(chuàng)新能力、獨立分析解決

3、實際問題的能力、查閱手冊資料并運用其數據資料的能力以及歸納總結的能力等。3、實驗原理紅外吸收光譜分析方法主要是依據分子內部原子間的相對振動和分子轉動等信息進行測定。(1) 雙原子分子的紅外吸收頻率分子振動可以近似地看作是分子中原子心平衡點為中心，以很小的振幅做周期性的振動。這種振動的模型可以用經典的方法來模擬。如圖1所示，m1和m2分別代表兩個小球的質量，即兩個原子的質量，彈簧的長度就是化學鍵的長度。這個體系的振動頻率取決于彈簧的強度，即化學鍵的強度和小球的質量。其振動是在連接兩個小球的鍵軸方向發(fā)生的。圖1 雙原子分子的振動模型用經典力學的方法可以得到如下的計算公式：或 可簡化為： 式中，是頻

4、率，Hz；是波數，cm-1；k是化學鍵的力常數，g/s2；c是光速(3×1010cm/s)；是原子的折合質量(=m1m2/(m1+m2)。一般來說，單鍵的k=4×1056×105 g/s2；雙鍵的k=8×10512×105 g/s2；叁鍵的k=12×10520×105 g/s2。(2) 多原子分子的吸收頻率雙原子分子振動只能發(fā)生在聯接兩個原子的直線上，并且只有一種振動方式，而多原子分子振動則有多種振動方式。假設由n個原子組成，每一個原子在空間都 有3個自由度，則分子有3n個自由度。非線性分子的轉動有3個自由度，線性分子則只有

5、2個轉動自由度，因此非線性分子有3n-6種基本振動，而線性分子有3n-5種基本振動。以H2O分子為例，其各種振動如圖所示，水分子由3個原子組成并且不在一條直線上，其振動方式應有3×363個，分別是對稱和非對稱伸縮振動和彎曲振動。OH鍵長度改變的振動稱為伸縮振動，鍵角小于HOH改變的振動稱為彎曲振動。通常鍵長的改變比鍵角的改變需要更大的能量，因此伸縮振動出現在高波數區(qū)，彎曲振動出現在低波數區(qū)。(3) 紅外光譜及其表示方法紅外光譜所研究的是分子中原子的相對振動，也可歸結為化學鍵的振動。不同的化學鍵或官能團，其振動能級從基態(tài)躍遷到激發(fā)態(tài)所需要的能量不同，因此要吸收不同的紅外光。物理吸收不同

6、的紅外光，將在不同波長上出現吸收峰。紅外光譜就是這樣形成的。紅外光譜的表示方法如下圖所示：典型的紅外光譜。橫坐標為波數(cm-1，最常見)或波長(mm)，縱坐標為透光率或吸光度。紅外波段通常分為近紅外（133004000cm-1）、中紅外（4000400cm-1）和遠紅外（40010cm-1）。其中研究最為廣泛的是中紅外區(qū)。(4) 紅外譜帶的強度紅外吸收峰的強度與偶級矩變化的大小有關，吸收峰的強弱與分子振動時偶極矩變化的平方成正比，一般，永久偶極矩變化大的，振動時偶極矩變化也較大，如C=O（或C-O）的強度比C=C（或C-C）要大得多，若偶極矩變?yōu)榱悖瑒t無紅外活性，即無紅外吸收峰。4、實驗設備

7、儀器設備：SHIMADZU IRPresting-21型傅立葉變換紅外光譜儀 SHIMADZU IRPresting-21 傅立葉變換紅外光譜儀的工作原理圖固定平面鏡、分光器和可調凹面鏡組成傅立葉變換紅外光譜儀的核心部件邁克爾干涉儀。由光源發(fā)出的紅外光經過固定平面鏡反射鏡后，由分光器分為兩束：50的光透射到可調凹面鏡，另外50的光反射到固定平面鏡?？烧{凹面鏡移動至兩束光光程差為半波長的偶數倍時，這兩束光發(fā)生相長干涉，干涉圖由紅外檢測器獲得，經過計算機傅立葉變換處理后得到紅外光譜圖。IRPresting-21型傅立葉變換紅外光譜儀具300入射邁克爾遜密閉型干涉儀，單光束光學系統(tǒng)，空冷陶瓷光源，鍍

8、鍺KBr基片分束器，溫度可調的DLATGS檢測器，波數范圍7,800350cm-1，S/N大于40,0001（4 cm-1，1分鐘，2,100 cm-1附近，PP），具有自診斷功能和狀態(tài)監(jiān)控器?？墒占屑t外、近紅外、遠紅外范圍光譜。5、實驗內容了解并初步掌握傅立葉變換紅外光譜儀的基本原理與構造；學習紅外光譜法測定化合物結構的方法；通過測定已知和未知樣品的紅外光譜，初步掌握獲得譜圖的一般操作程序與技術；學習樣品制備的方法；了解影響分析測定的重要因素，學會優(yōu)化分析條件；學習譜圖的解析方法。6、實驗步驟(1) 樣品制備技術簡介(a) 固體樣品制樣固體樣品制樣由壓模進行，壓模的構造

9、如圖所示：壓模由壓桿和壓舌組成。奪舌的直徑為13mm，兩個壓舌的表面光潔度很高，以保證壓出的薄片表面光滑。因此，使用時要注意樣品的粒度、濕度和硬度，以免損傷壓舌表面的光潔度。組裝壓模時，將其中一個壓舌光潔面朝上放在底座上，并裝上壓片套圈，加入研磨后的樣品，再將另一壓舌光潔面朝下壓在樣品下，輕輕轉動以保證樣品面平整，最后順序放在壓片套筒、彈簧和壓桿，通過液壓器加壓力至10t，保持3min。(b) 液體樣品制樣液體池構造如下圖所示：液體池是由后框架、墊片、后窗片、間隔片、前窗片和前框架 7 個部分組成。一般后框架和前框架由金屬材料制成；前窗片和后窗片為氯化鈉、溴化鉀等晶體薄片；間隔片常由鋁箔和聚四

10、氟乙烯等材料制成，起著固定液體樣品的作用，厚度為 0.012mm。液體池的裝樣操作 將吸收池傾斜 30°，用注射器（不帶針頭）吸取待測的樣品，由下孔注入直到上孔看到樣品溢出為止，用聚四氟乙烯塞子塞住上、下注射孔，用高質量的紙巾擦去溢出的液體后，便可進行測試。在液體池裝樣操作過程中，應注意以下幾點： 灌樣時要防止氣泡； 樣品要充分溶解，不應有不溶物進入液體池內； 裝樣品時不要將樣品溶液外溢到窗片上。液體池的清洗操作 測試完畢，取出塞子，用注射器吸出樣品，由下孔注入溶劑，沖洗 2-3次。沖洗后，用吸耳球吸取紅外燈附近的干燥空氣吹入液體池內以除去殘留的溶劑，然后放在紅外燈下烘烤至干，最后將

11、液體池存放在干燥器中。注意！液體池在清洗過程中或清洗完畢時，不要因溶劑揮發(fā)而致使窗片受潮。液體池厚度的測定:根據均勻的干涉條紋的數目可測定液體池的厚度。測定的方法是將空的液體池作為樣品進行掃描，由于兩鹽片間的空氣對光的折射率不同而產生干涉。根據干涉條紋的數目計算池厚（如圖所示）。一般選 1500600cm 1的范圍較好，計算公式：式中，b 是液體池厚度，cm；n 是兩波數間所夾的完整波形個數；、 分別為起始和終止的波數，cm-1。(c) 載樣材料的選擇目前以中紅外區(qū)（4000400cm-1）應用最為廣泛，一般的光學材料為氯化鈉（4000600 cm-1）、溴化鉀（4000400 cm-1）；這

12、些晶體很容易吸水使表面發(fā)烏，影響紅外光的透過。因此，所用的容片應放在干燥器內，要在濕度小的環(huán)境下操作。(2) 上機操作的基本思路A樣品的制備不同的樣品狀態(tài)（固體、液體、氣體及粘稠樣品）需要與之相應的制樣方法。制樣方法的選擇和制樣技術的好壞直接影響譜帶的頻率、數目和強度。a) 液膜法：樣品的沸點高于100可采用液膜法測定。粘稠樣品也可采用液膜法。這種方法較簡單，只要在兩個鹽片之間滴加12滴未知樣品，使之形成一層薄的液膜。流動性較大的樣品，可選擇不同厚度的墊片來調節(jié)液膜的厚度。樣品制好后，用夾具輕輕夾住進行測定。b) 液池法：樣品的沸點低于100可采用液池法。選擇不同的墊片尺寸可調節(jié)液池的厚度，對

13、強吸收的樣品用溶劑稀釋后再測定。本底采用相應的溶劑。c) 糊狀法：需準確知道樣品是否含有OH基團（避免KBr中水的影響）時采用糊狀法。這種方法是將干燥的粉末研細，然后加入幾滴懸浮劑（常用石蠟油或氟化煤油）在瑪瑙研缽中研成均勻的糊狀，涂在鹽片上測定。本底采用相應的懸浮劑。d) 壓片法：粉末狀樣品常采用壓片法。將研細的粉末分散在固體介質中，并用壓片器壓成透明的薄片后測定。固體分散介質一般是KBr，使用時將其充分研細，顆粒直徑最好小于2m（因為中紅外區(qū)的波長是從2.5m開始的）。本底最好采用相應的分散介質（KBr）。e) 薄膜法：對于熔點低，熔融時不發(fā)生分解、升華和其他化學變化的物質，可采用加熱熔融的方法壓制成薄膜后測定。B樣品測試a) 將制好的樣品用夾具夾好，放入儀器內的固定支架上進行測定，樣品測定前要先行測定本底；b) 測試操作和譜圖處理按工作站操作說明書進行，主要包括輸入樣品編號、測量、基線校正、譜峰標定、譜圖打印等幾個命令。c) 測量結束后，用無水乙醇將研缽，壓片器具洗干凈，烘干后，存放于干燥器中。(3) 譜圖解析(4) 數據分析和實驗報告7、注意事項(1) 必須嚴格按照儀器操作規(guī)程進行操作；實驗未涉及的命令禁止亂動；(2) 在紅外燈下操