紅外光譜法是利用物質(zhì)分子對紅外輻射的吸收,并由其振動或轉(zhuǎn)動運動引起偶極矩的精變化,產(chǎn)生分子振動和轉(zhuǎn)動能級從基態(tài)到激發(fā)態(tài)的躍遷,得到由分子振動能級和轉(zhuǎn)動能級變化產(chǎn)生的振動-轉(zhuǎn)動光譜,又稱為紅外光譜。
紅外光譜法是一種鑒別化合物和確定物質(zhì)分子結(jié)構(gòu)的常用分析手段,不僅可以對物質(zhì)進行定性分析,還可對單一組分或混合物中各組分進行定量分析,尤其是在對于一些較難分離并在紫外、可見區(qū)找不到明顯特征峰的樣品,可以方便、迅速地完成定量分析。
紅外光譜分析步驟
1.首先依據(jù)譜圖推出化合物碳架類型:根據(jù)分子式計算不飽和度,公式:不飽和度=(2C+2-H-Cl+N)/2其中:Cl為鹵素原子。例如:比如苯:C6H6,不飽和度=(2*6+2-6)/2=4,3個雙鍵加一個環(huán),正好為4個不飽和度。
2.分析3300~2800cm-1區(qū)域C-H伸縮振動吸收;以3000cm-1為界:高于3000cm-1為不飽和碳C-H伸縮振動吸收,有可能為烯,炔,芳香化合物,而低于3000cm-1一般為飽和C-H伸縮振動吸收。
3.若在稍高于3000cm-1有吸收,則應(yīng)在2250~1450cm-1頻區(qū),分析不飽和碳碳鍵的伸縮振動吸收特征峰,其中:?炔2200~2100cm-1,烯1680~1640cm-1,芳環(huán)1600,1580,1500,1450cm-1泛峰。若已確定為烯或芳香化合物,則應(yīng)進一步解析指紋區(qū),即1000~650cm-1的頻區(qū),以確定取代基個數(shù)和位置(順、反;鄰、間、對)。
4.碳骨架類型確定后,再依據(jù)其他官能團,如C=O,O-H,C-N等特征吸收來判定化合物的官能團。
5.解析時應(yīng)注意把描述各官能團的相關(guān)峰聯(lián)系起來,以準(zhǔn)確判定官能團的存在。
近紅外光譜儀是用來分析樣品中的蛋白質(zhì)、纖維以及蛋氨酸等元素的,為煙草、醫(yī)療以及化工等領(lǐng)域提供了一個非常廣泛的空間。為了讓近紅外光譜儀的使用壽命更長,平時一定要注意好好保養(yǎng)才行。
紅外光譜儀的保養(yǎng)維護
1、實驗室的溫度應(yīng)在15~30℃,相對濕度應(yīng)在65%以下,所用電源應(yīng)配備有穩(wěn)壓裝置和接地線。
因要嚴(yán)格控制室內(nèi)的相對濕度,因此紅外實驗室的面積不要太大,能放得下必須的儀器設(shè)備即可,但室內(nèi)一定要有除濕裝置。
2、為防止儀器受潮而影響使用壽命,紅外實驗室應(yīng)經(jīng)常保持干燥,即使儀器不用,也應(yīng)每周開機至少兩次;
每次半天,同時開除濕機除濕。特別是霉雨季節(jié),蕞好是能每天開除濕機。
3、如所用的是單光朿型傅里葉紅外分光光度計(目前應(yīng)用蕞多),實驗室里的CO2含量不能太高,因此實驗室里的人數(shù)應(yīng)盡量少,無關(guān)人員蕞好不要進入,還要注意適當(dāng)通風(fēng)換氣。
4、紅外光譜測定蕞常用的試樣制備方法是溴化鉀(KBr)壓片法,因此為減少對測定的影響,所用KBr蕞好應(yīng)為光學(xué)試劑級,至少也要分析純級。
使用前應(yīng)適當(dāng)研細(xì)(200目以下),并在120℃以上烘4小時以上后置干燥器中備用。
如發(fā)現(xiàn)結(jié)塊,則應(yīng)重新干燥。制備好的空KBr片應(yīng)透明,與空氣相比,透光率應(yīng)在75%以上。
5、如供試品為鹽酸鹽,因考慮到在壓片過程中可能出現(xiàn)的離子交換現(xiàn)象,標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定用KCl(也同溴化鉀一樣預(yù)處理后使用)代替溴化鉀進行壓片;
但也可比較KCl壓片和溴化鉀壓片后測得的光譜,如二者沒有區(qū)別,則可使用溴化鉀進行壓片。
6、壓片法時取用的供試品量一般為1~2mg,因不可能用天平稱量后加入,并且每種樣品的對紅外光的吸收程度不一致,故常憑經(jīng)驗取用。
一般要求所沒得的光譜圖中絕大多數(shù)吸收峰處于10%~80%透光率范圍在內(nèi)。
蕞強吸收峰的透光率如太大(如大于30%),則說明取樣量太少;相反,如蕞強吸收峰為接近透光率為0%,且為平頭峰,則說明取樣量太多,此時均應(yīng)調(diào)整取樣量后重新測定。
7、壓片時KBr的取用量一般為200mg左右,應(yīng)根據(jù)制片后的片子厚度來控制KBr的量;
一般片子厚度應(yīng)在0.5mm以下,厚度大于0.5mm時,常可在光譜上觀察到干涉條紋,對供試品光譜產(chǎn)生干擾。
8、壓片時,應(yīng)先取供試品研細(xì)后再加入KBr再次研細(xì)研勻,這樣比較容易混勻。研磨所用的應(yīng)為瑪瑙研缽,因玻璃研缽內(nèi)表面比較粗糙,易粘附樣品。
研磨時應(yīng)按同一方向(順時針或逆時針)均勻用力,如不按同一方向研磨,有可能在研磨過程中使供試品產(chǎn)生轉(zhuǎn)晶,從而影響測定結(jié)果。
研磨力度不用太大,研磨到試樣中不再有肉眼可見的小粒子即可。
試樣研好后,應(yīng)通過一小的漏斗倒入到壓片模具中,并盡量把試樣鋪均勻,否則壓片后試樣少的地方的透明度要比試樣多的地方的低,并因此對測定產(chǎn)生影響。
另外,如壓好的片子上出現(xiàn)不透明的小白點,則說明研好的試樣中有未研細(xì)的小粒子,應(yīng)重新壓片。
9、測定用樣品應(yīng)干燥,否則應(yīng)在研細(xì)后置紅外燈下烘幾分鐘使干燥。
試樣研好并具在模具中裝好后,應(yīng)與真空泵相連后抽真空至少2分鐘,以使試樣中的水分進一步被抽走,然后再加壓到0.8~1GPa(8~10T/cm2)后維持2~5min。不抽真空將影響片子的透明度。
10、壓片用模具用后應(yīng)立即把各部分擦干凈,必要時用無水乙醇棉球擦洗干凈,置干燥器中保存,以免污染、銹蝕。
紅外光譜又叫做紅外吸收光譜,它是紅外光子與分子振動、轉(zhuǎn)動的量子化能級共振產(chǎn)生吸收而產(chǎn)生的特征吸收光譜曲線。要產(chǎn)生這一種效應(yīng),需要分子內(nèi)部有一定的極性,也就是說存在分子內(nèi)的電偶極矩。在光子與分子相互作用時,通過電偶極矩躍遷發(fā)生了相互作用。因此,那些沒有極性的分子或者對稱性的分子,因為不存在電偶極矩,基本上是沒有紅外吸收光譜效應(yīng)的。
拉曼光譜一般也是發(fā)生在紅外區(qū),它不是吸收光譜,而是在入射光子與分子振動、轉(zhuǎn)動量子化能級共振后以另外一個頻率出射光子。入射和出射光子的能量差等于參與相互作用的分子振動、轉(zhuǎn)動躍遷能級。與紅外吸收光譜不同,拉曼光譜是一種階數(shù)更高的光子——分子相互作用,要比紅外吸收光譜的強度弱很多。但是由于它產(chǎn)生的機理是電四極矩或者磁偶極矩躍遷,并不需要分子本身帶有極性,因此特別適合那些沒有極性的對稱分子的檢測。
一、相同點在于:
對于一個給定的化學(xué)鍵,其紅外吸收頻率與拉曼位移相等,均代表第一振動能級的能量。因此,對某一給定的化合物,某些峰的紅外吸收波數(shù)和拉曼位移完全相同,紅外吸收波數(shù)與拉曼位移均在紅外光區(qū),兩者都反映分子的結(jié)構(gòu)信息。拉曼光譜和紅外光譜一樣,也是用來檢測物質(zhì)分子的振動和轉(zhuǎn)動能級。
二、不同點在于:
兩者產(chǎn)生的機理不同;紅外光譜的入射光及檢測光均為紅外光,而拉曼光譜的入射光大多數(shù)是可見光,散射光也是可見光;紅外光譜測定的是光的吸收,而拉曼測定的是光的散射;紅外光譜對于水溶液、單晶和聚合物的檢測比較困難,但拉曼光譜幾乎可以不必特別制樣處理就可以進行分析,比較方便;紅外光譜不可以用水做溶劑,但是拉曼可以,水似拉曼光譜的一種優(yōu)良溶劑;拉曼光譜的是利用可見光獲得的,所以拉曼光譜可用普通的玻璃毛細(xì)管做樣品池,拉曼散射光能全部透過玻璃,而紅外光譜的樣品池需要特殊材料做成的。
本質(zhì)區(qū)別:紅外是吸收光譜,拉曼是散射光譜;拉曼光譜光譜與紅外光譜兩種技術(shù)包含的信息通常是互補的。
主要區(qū)別:
1、光譜的選擇性法則是不一樣的,紅外光譜是要求分子的偶極矩發(fā)生變化才能測到,而拉曼是分子的極化性發(fā)生變化才能測到;
2、紅外很容易測量,而且信號很好,而拉曼的信號很弱;
3、使用的波長范圍不一樣,紅外光譜使用的是紅外光,尤其是中紅外,而拉曼可選擇的波長很多,從可見光到NIR,都可以使用;
4、拉曼和紅外大多數(shù)時候都是互相補充的,就是說,紅外強,拉曼弱,反之也是如此;
5、在鑒定有機化合物方面,紅外光譜具有較大的優(yōu)勢,無機化合物的拉曼光譜信息量比紅外光譜的大。
6、理論基礎(chǔ)和檢測方法存在明顯的不同。我們說物質(zhì)分子總在不停地振動,這種振動是由各種簡正振動疊加而成的。當(dāng)簡正振動能產(chǎn)生偶極矩的變化時,它能吸收相應(yīng)的紅外光,即這種簡正振動具有紅外活性;具有拉曼活性的簡正振動,在振動時能產(chǎn)生極化度的變化,它能與入射光子產(chǎn)生能量交換,使散射光子的能量與入射光子的能量產(chǎn)生差別,這種能量的差別稱為拉曼位移,它與分子振動的能級有關(guān),拉曼位移的能量水平也處于紅外光譜區(qū)。
紅外光譜法的檢測直接用紅外光檢測處于紅外區(qū)的分子的振動和轉(zhuǎn)動能量;而拉曼光譜法的檢測是用可見激光來檢測處于紅外區(qū)的分子的振動和轉(zhuǎn)動能量,它是一種間接的檢測方法。