第九章紅外分光光度法與檢測技術

1案例導入2006年4月下旬，廣州某醫(yī)院多例重癥肝炎病人先后突然出現(xiàn)急性腎功能衰竭癥狀。院方經(jīng)過排查，將目光鎖定在某制藥公司生產(chǎn)的“亮菌甲素注射液”上。后經(jīng)檢測和反復驗證，確定導致此次悲劇發(fā)生的罪魁禍首是冒充藥用輔料丙二醇的工業(yè)原料二甘醇，檢測機構所使用的檢驗方法之一就是紅外光譜法。2案例導入鑒于藥害事件的頻繁發(fā)生，為加強藥品生產(chǎn)全過程的管理和質(zhì)量監(jiān)控，確保藥品質(zhì)量，我國GMP（2010年修訂）新增條款“應當制定相應的操作規(guī)程，采取核對或檢驗等適當?shù)拇胧?，確保每一包裝內(nèi)的原輔料正確無誤。”這一規(guī)定說明藥品生產(chǎn)企業(yè)對其購進的藥用原輔料負有檢驗職責。其中，對原料藥的入廠檢驗，藥品生產(chǎn)企業(yè)多使用紅外光譜法，如與標準品的紅外光譜對照或與紅外標準圖譜對照等。

3紅外分光光度法（IR）是基于物質(zhì)對紅外輻射的特征吸收而建立起來的分析方法，又稱紅外吸收光譜法。

第一節(jié)概述

4第一節(jié)概述一、紅外線及紅外光譜5第一節(jié)概述1．紅外線

紅外線區(qū)域波長近紅外區(qū)0.76～2.5μm中紅外區(qū)2.5～50μm遠紅外區(qū)50～1000μm0.76～1000μm62．紅外吸收光譜（IR）由物質(zhì)分子吸收中紅外區(qū)的電磁輻射得到。又稱分子振-轉光譜。

第一節(jié)概述7第一節(jié)概述3．紅外光譜的表示方法常用T-σ或T-λ表示。橫坐標表示吸收峰的位置。以2000cm-1為界，采用兩種比例?！扒笆韬竺堋??？v坐標表示吸收峰的強度。8第一節(jié)概述曲線“前疏后密”，吸收峰是向下的“谷”，且多、尖，圖譜復雜。

9第一節(jié)概述二、紅外光譜與紫外-可見光譜的區(qū)別相同點：同屬分子吸收光譜。區(qū)別紅外光譜紫外-可見光譜吸收輻射紅外輻射紫外-可見光躍遷類型振-轉能級外層電子能級別名分子振-轉光譜電子光譜適用范圍振動中伴隨有偶極矩變化的有機物及某些無機物不飽和的，特別是具有共軛體系的有機物特征性峰較密集，信息量多，特征性強峰一般較少，較簡單主要用途定性、結構鑒定定量101．紅外光譜（IR）主要由物質(zhì)分子的振動能級躍遷產(chǎn)生。由于分子的振動能級差大于轉動能級差，分子發(fā)生振動能級躍遷時必然同時伴隨轉動能級躍遷，故紅外光譜又稱分子振-轉光譜。2．紅外光譜由吸收峰的位置（波數(shù)σ（cm-1）或波長λ（μm），橫坐標）和吸收峰的強度（百分透光率T%，縱坐標）共同描述。3．紅外光譜與紫外-可見光譜的相同點是同屬分子吸收光譜，區(qū)別在于產(chǎn)生原因、適用范圍、特征性和用途不同。第一節(jié)概述

點滴積累11一、分子的振動和紅外吸收紅外光譜產(chǎn)生的條件：分子中某基團的振動頻率和照射的紅外線頻率一致分子偶極矩發(fā)生變化第二節(jié)基本原理12第二節(jié)基本原理分子振動頻率的大小取決于化學鍵的強度和原子的質(zhì)量?；瘜W鍵越強，原子折合相對質(zhì)量越小，振動頻率就越高。物質(zhì)不同，結構不同，振動時吸收的紅外線頻率不同。13第二節(jié)基本原理1．闡述紅外光譜產(chǎn)生的條件。2．請說出不同的物質(zhì)紅外吸收光譜不同的原因。課堂活動14第二節(jié)基本原理二、振動形式雙原子：伸縮振動。多原子分子伸縮振動彎曲振動對稱伸縮振動（υs）不對稱伸縮振動（υas）面內(nèi)彎曲振動（β）面外彎曲振動（γ）剪式彎曲振動（δ）平面搖擺振動（ρ）扭曲振動（τ）非平面搖擺振動（ω）15第二節(jié)基本原理對同一基團而言，不對稱伸縮振動頻率要稍高于對稱伸縮振動頻率，伸縮振動的頻率高于彎曲振動的頻率。振動形式不同，吸收峰位置不同。16第二節(jié)基本原理17第二節(jié)基本原理18第二節(jié)基本原理三、振動自由度與峰數(shù)非線性分子為3n－3－3=3n－6線性分子為3n－3－2=3n－5分子基本振動的數(shù)目，即分子的獨立振動數(shù)。3n－平動自由度－轉動自由度振動自由度19第二節(jié)基本原理H2O為非線性分子，有3種基本振動形式，即3756cm-13652cm-11595cm-120第二節(jié)基本原理2350cm-11340cm-1666cm-1666cm-1CO2為線性分子，有4種基本振動形式，即21第二節(jié)基本原理紅外光譜基本振動吸收峰數(shù)小于振動自由度的原因：3．儀器性能的限制2．紅外非活性振動1．簡并頻率相同的不同振動形式吸收峰重疊的現(xiàn)象偶極矩不發(fā)生變化的振動22請說出CO2的紅外光譜只有2350cm-1和666cm-1兩個吸收峰的原因。第二節(jié)基本原理課堂活動23第二節(jié)基本原理四、紅外吸收峰的類型(一）基頻峰與泛頻峰1．基頻峰：V=0→V=1倍頻峰二倍頻峰（V=0→V=2）

三倍頻峰（V=0→V=3）

合頻峰、……，差頻峰、……，

2.泛頻峰24第二節(jié)基本原理2．特征峰與相關峰能夠用于鑒別官能團存在并具有較高強度的吸收峰。由一個官能團所產(chǎn)生的一組具有依存關系的特征峰稱為相關吸收峰。25第二節(jié)基本原理五、吸收峰的位置及影響因素峰位：吸收峰的位置。表示形式：吸收的紅外光的λmax（或σmax、νmax）。26第二節(jié)基本原理影響因素：（一）內(nèi)部因素1．電子效應（1）吸電子基團的誘導效應：常使吸收峰向高頻方向移動?；衔铮╟m-1）R-COR1715R-COH1730R-COCl1800R-COF1920R-CONH2192827第二節(jié)基本原理（2）共軛效應：常使吸收峰向低頻方向移動。

1715cm-11685cm-11685cm-11660cm-128第二節(jié)基本原理2．空間效應（1）環(huán)張力，使環(huán)內(nèi)雙鍵伸縮振動頻率降低，環(huán)外雙鍵伸縮振動頻率升高。CHCHCHCH1576cm-11611cm-11644cm-11781cm-11678cm-11657cm-11651cm-129第二節(jié)基本原理（2）空間位阻，使吸收峰向高頻方向移動。1663cm-11686cm-11693cm-130第二節(jié)基本原理3．氫鍵使伸縮振動頻率降低。4．互變異構、費米共振等ν

C=O

～1760ν

O-H3500～3600ν

C=O

～1710ν

O-H3200～250031第二節(jié)基本原理（二）外部因素1．物質(zhì)的狀態(tài)同一化合物聚集狀態(tài)不同，吸收頻率和強度不同。晶型不同，紅外光譜不同。2．溶劑效應極性溶劑中，極性基團的伸縮振動頻率常隨溶劑極性的增大而降低。32第二節(jié)基本原理六、吸收峰的強度及影響因素ε（L/(cm·mol)）吸收峰的強度ε>100非常強峰（vs）20

<ε<100L強峰（s）10<ε<20中強峰（s）1<ε<10弱峰（w）ε<1非常弱峰（vw）33第二節(jié)基本原理影響因素：1．振動過程中偶極矩的變化Δμ越大，ε越大影響偶極矩變化大小的因素：（1）原子電負性：化學鍵兩端原子電負性相差越大，Δμ越大，ε越大。（2）振動形式：一般ενas＞ενs＞εδ（3）分子結構的對稱性：對稱性越差，Δμ越大，ε越大。34第二節(jié)基本原理2．振動能級的躍遷幾率

躍遷幾率越大，吸收峰的強度越大。達到動態(tài)平衡時，激發(fā)態(tài)分子占總分子的百分數(shù)。35第二節(jié)基本原理七、紅外光譜的重要區(qū)域

（一）官能團區(qū)：波數(shù)在4000～1500cm-1之間的區(qū)域

X—H伸縮振動區(qū)（4000～2500cm-1

）X代表O、N、C、S等原子。（1）O—H伸縮振動：游離羥基在3700~3500cm-1處有尖峰（2）N—H伸縮振動：位于3500~3300cm-1

（3）C—H伸縮振動：以3000cm-1為界，區(qū)分飽和烴與不飽和烴。36第二節(jié)基本原理2.叁鍵和累積雙鍵伸縮振動區(qū)（2500～2000cm-1）主要是叁鍵伸縮振動與累積雙鍵的不對稱伸縮振動。

雙鍵伸縮振動區(qū)2000～1500cm-1羰基1900～1650cm-1碳碳雙鍵1670～1450cm-1芳環(huán)骨架1600～1500cm-13.雙鍵伸縮振動區(qū)37第二節(jié)基本原理（二）指紋區(qū)：波數(shù)低于1500cm-1的區(qū)域。主要由化學鍵的彎曲振動和部分單鍵（C—X，X＝C、O、N等）的伸縮振動引起。

38第二節(jié)基本原理1．振動自由度反映的是分子基本振動的數(shù)目，但并非每種振動都出現(xiàn)吸收峰。2．同一基團的振動形式不同，吸收峰位置不同。3．基頻峰的強度大，是紅外光譜上的主要吸收峰；泛頻峰強度較弱，不易辨認，但增加了紅外光譜的特征性。4．特征峰常出現(xiàn)在官能團區(qū)，相關峰中的某些峰常出現(xiàn)在指紋區(qū)。官能團區(qū)吸收峰較強且稀疏，易辨認；指紋區(qū)吸收峰密集，難辨認。點滴積累39一、紅外光譜儀的主要部件（一）色散型紅外分光光度計1．光源常用的有硅碳棒和能斯特燈。2．吸收池（1）氣體池：氣體試樣及易揮發(fā)的液體試樣。（2）液體池：常溫下不易揮發(fā)的液體試樣及固體試樣。3．單色器目前主要采用反射光柵作為色散元件。4．檢測器常用真空熱電偶。5．記錄儀第三節(jié)紅外光譜儀與制樣40第三節(jié)紅外光譜儀與制樣（二）傅里葉變換紅外光譜儀1．光源常用硅碳棒和能斯特燈2．單色器邁克爾遜干涉儀3．檢測器熱電型和光電導型檢測器4．計算機和記錄系統(tǒng)41二、紅外光譜儀的工作原理（一）色散型紅外分光光度計第三節(jié)紅外光譜儀與制樣42（二）傅里葉變換紅外光譜儀

第三節(jié)紅外光譜儀與制樣43三、試樣制備（一）氣體試樣在玻璃氣槽內(nèi)進行測定

（二）液體試樣1．液膜法2．溶液法（三）固體試樣1．薄膜法2．糊法3．壓片法KBr為最常用的固體分散介質(zhì)。

第三節(jié)紅外光譜儀與制樣44第三節(jié)紅外光譜儀與制樣四、紅外光譜法的應用示例1．定性分析已知物圖譜對照

標準圖譜對照45第三節(jié)紅外光譜儀與制樣此外，紅外分光光度法在藥物雜質(zhì)檢查方面也有應用，主要用于無效或低效晶型的檢查。

案例分析驅腸蟲藥甲苯咪唑有三種不同的晶型，其中C晶型為有效晶型，而A晶型為無效晶型，《中國藥典》采用紅外分光光度法對A晶型進行檢查。甲苯咪唑無效A晶型在640cm-1處有強吸收，而C晶型在此吸收很弱，但在662cm-1處，C晶型吸收較強，而A晶型吸收很弱。當試樣中含有無效晶型A時，在640cm-1和662cm-1處吸光度的比值將發(fā)生變化。

46第三節(jié)紅外光譜儀與制樣2．結構分析（1）收集待分析物質(zhì)的相關數(shù)據(jù)和資料（2）計算未知物的不飽和度47（3）圖譜解析第三節(jié)紅外光譜儀與制樣識別峰位觀看峰強分析峰形官能團區(qū)指紋區(qū)高頻區(qū)低頻區(qū)強峰弱峰48第三節(jié)紅外光譜儀與制樣3．定量分析可用于氣體、液體和固體試樣的定量分析。依據(jù)：朗伯-比爾定律。

標準曲線法解聯(lián)立方程組法單組分試樣、混合物中各組分吸收峰不重疊時各組分的測定混合物中各組分的吸收峰有重疊時49第三節(jié)紅外光譜儀與制樣例9-1某化合物C9H10O的紅外吸收光譜上主要吸收峰位為3080cm-1、3040cm-1、2980cm-1、2920cm-1、1690cm-1（s）、1600cm-1、1580cm-1、1500cm-1、1370cm-1、1230cm-1、750cm-1和690cm-1，試推斷該化合物的分子結構。50第三節(jié)紅外光譜儀與制樣解：推測結構式中可能含有一個苯環(huán)和一個雙鍵。1690cm-1（s)推測為峰，3080cm-1、3040cm-1，可能為苯環(huán)的峰；1600cm-1、1580cm-1、1500cm-1，可能為苯環(huán)的峰，1580cm-1，提示碳氧雙鍵可能直接連接在苯環(huán)上而發(fā)生共軛；51第三節(jié)紅外光譜儀與制樣750cm-1和690cm-1，提示為單取代苯環(huán)的峰；2980cm-1可能為峰，2920cm-1可能為峰，1370cm-1可能為峰；1230cm-1可能為峰。綜上，推測該化合物的可能結構為：52第三節(jié)紅外光譜儀與制樣1．紅外光譜法試樣不同，制備方法不同。2．不飽和度是衡量分子不飽和程度的指標。3．紅外光譜法主要用于物質(zhì)的定性分析和結構鑒定，在定量分析方面受到測定條件和靈敏度等的限制。點滴積累53第九章紅外分光光度法與檢測技術一、選擇題（一）單項選擇題1．關于紅外光描述正確的是:A．能量比紫外光大、波長比紫外光長B．能量比紫外光小、波長比紫外光長C．能量比紫外光小、波長比紫外光短D．能量比紫外光大、波長比紫外光短2．紅外光譜吸收的電磁波是:A．微波B．可見光C．紅外光D．無線電波【目標檢測】543．產(chǎn)生紅外光譜的原因是:A．原子內(nèi)層電子能級躍遷B．分子外層價電子躍遷C．分子轉動能級躍遷D．分子振動-轉動能級躍遷4．紅外光譜又稱為:A．電子光譜B．分子振動-轉動光譜C．原子吸收光譜D．原子發(fā)射光譜第九章紅外分光光度法與檢測技術555．紅外光譜圖中用作縱坐標的標度是:A．百分透光率T%B．光強度I

C．波數(shù)σD．波長λ6．紅外光譜屬于:A．原子吸收光譜B．分子吸收光譜C．電子光譜D．磁共振譜

第九章紅外分光光度法與檢測技術567．紅外光譜與紫外-可見光譜比較:A．紅外光譜的特征性強B．紫外-可見光譜的特征性強C．紅外光譜與紫外-可見光譜的特征性均強D．紅外光譜與紫外-可見光譜的特征性均不強第九章紅外分光光度法與檢測技術578．伸縮振動指的是:A．鍵角發(fā)生變化的振動B．分子平面發(fā)生變化的振動C．吸收峰強度發(fā)生變化的振動D．鍵長沿鍵軸方向發(fā)生周期性變化的振動

第九章紅外分光光度法與檢測技術589．振動能級由基態(tài)躍遷至第一激發(fā)態(tài)所產(chǎn)生的吸收峰是:A．合頻峰B．基頻峰C．差頻峰D．泛頻峰10．紅外非活性振動是指:A．分子的偶極矩為零B．非極性分子C．振動時分子偶極矩無變化D．分子沒有振動第九章紅外分光光度法與檢測技術5911．下列敘述不正確的是:A．共軛效應使紅外吸收峰向低波數(shù)方向移動B．誘導效應使紅外吸收峰向高波數(shù)方向移動C．分子的振動自由度數(shù)等于紅外吸收光譜上的吸收峰數(shù)D．氫鍵的形成使伸縮振動頻率降低

第九章紅外分光光度法與檢測技術6012．有一含氧化合物，如用紅外光譜判斷它是否為羰基化合物，主要依據(jù)的譜帶范圍為:A．1900～1650cm-1B．3500～3200cm-1

C．1500～1300cm-1D．1000～650cm-1

13．紅外吸收峰數(shù)常小于振動自由度數(shù)的原因之一是:A．紅外活性振動B．簡并C．產(chǎn)生泛頻峰D．分子振動時偶極矩變化不為零第九章紅外分光光度法與檢測技術6114．CO2分子的振動自由度數(shù)和不飽和度分別是:A．4、3B．3、2C．4、2D．3、3（二）多項選擇題1．彎曲振動包括:A．剪式振動B．平面搖擺振動C．扭曲振動D．對稱伸縮振動E．不對稱伸縮振動第九章紅外分光光度法與檢測技術622．紅外光譜產(chǎn)生的條件是:A．紅外輻射能量等于分子振動-轉動躍遷的能量B．振動能級由基態(tài)躍遷至第一激發(fā)態(tài)C．