傅里葉變換紅外光譜分析

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1、紅外吸收光譜分析FTIR（FourierTranslationInfraredspectroscopy)傅里葉變換紅外光譜分析FTIR概述FTIR是由于物質(zhì)吸收電磁輻射后，分子振動(dòng)-轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)的躍遷而產(chǎn)生的，稱為分子振動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)光譜，簡稱振轉(zhuǎn)光譜。分子光譜的種類有機(jī)分子同其他物質(zhì)一樣始終處于不停的運(yùn)動(dòng)之中。分子在空間自由移動(dòng)需要的能量為移動(dòng)能．沿重心軸轉(zhuǎn)動(dòng)的能量為轉(zhuǎn)動(dòng)能，二個(gè)以上原子連接在一起，它們之間的鍵如同彈簧一樣振動(dòng)，所需能量為振動(dòng)能，分子中的電子從各種成鍵軌躍入反鍵軌所需能量為電能.圖1分子基團(tuán)振動(dòng)的方式分子在未受光照射之前，以上描述的諸能量均處于最低能級(jí)，稱之為基態(tài)．當(dāng)

2、分子受到紅外光的輻射，產(chǎn)生振動(dòng)能級(jí)的躍遷，在振動(dòng)時(shí)伴有偶極矩改變者就吸收紅外光子，形成紅外吸收光譜．紅外光譜根據(jù)不同的波數(shù)范圍分為三個(gè)區(qū)：近紅外區(qū)13,330~400O厘米-1（0.75~2.5微米）中紅外區(qū)4000~650厘米-1（2.5~15.4微米）遠(yuǎn)紅外區(qū)650~10厘米-1（15~1000微米）近紅外區(qū)是可見光紅色末端的一段，只有X-H或多鍵振動(dòng)的倍頻和合頻出現(xiàn)在該區(qū)，在研究含氫原子的官能團(tuán)如O-H，N-H和C-H的化合物，特別是醇、酚、胺和碳?xì)浠衔锷?，以及研究末端亞甲基、環(huán)氧基和順反雙鍵等時(shí)比較重要。中紅外區(qū)是紅外光譜中應(yīng)用最早和最廣的一個(gè)區(qū)．該區(qū)吸收峰數(shù)據(jù)的

3、收集、整理和歸納已臻于完善．由于4000~1000厘米-1區(qū)內(nèi)的吸收峰為化合物中各個(gè)鍵的伸縮和彎曲振動(dòng)，故為雙原子構(gòu)成的官能團(tuán)的特征吸收．1400~650厘米-1區(qū)的吸收蜂大多是整個(gè)分子中多個(gè)原子間鍵的復(fù)雜振動(dòng)，可以得到官能團(tuán)周圍環(huán)境的信息，用于化合物的鑒定，因此中紅外區(qū)是我們討論的重點(diǎn)。遠(yuǎn)紅外區(qū)應(yīng)是200-10厘米-1．由于一般紅外儀測繪的中紅外范圍是5000-650厘米-1或5000-400厘米-1，因此650-200厘米-1也包括在遠(yuǎn)紅外區(qū)．含重原子的化學(xué)鍵伸縮振動(dòng)和彎曲振動(dòng)的基頻在遠(yuǎn)紅外光區(qū)，如C-X鍵的伸縮振動(dòng)頻率為650-450厘米-1，彎曲振動(dòng)頻率為350-2

4、50厘米-1，均是強(qiáng)峰．肟分子中O-H的扭曲振動(dòng)也在375-350厘米-1，為一極強(qiáng)的吸收．有氫鍵的化合物，X-H…X的伸縮振動(dòng)在200-50厘米-1；彎曲振動(dòng)在50厘米-1以下．FTIR的發(fā)展歷程紅外光譜儀的發(fā)展經(jīng)歷了3個(gè)階段第一階段：棱鏡式紅外分光光度計(jì),它是基于棱鏡對(duì)紅外輻射的色散而實(shí)現(xiàn)分光的。其缺點(diǎn)是光學(xué)材料制造麻煩,分辨本領(lǐng)較低,而且儀器要求嚴(yán)格的恒溫降濕。第二個(gè)階段光柵式紅外分光光計(jì)它是基于光柵的衍射而實(shí)現(xiàn)分光的,與第一代相比,分辨能力大大提高,且能量較高,價(jià)格便宜,對(duì)恒溫、恒濕要求不高,是紅外分光光度計(jì)發(fā)展的方向。第三個(gè)階段：基于干涉調(diào)頻分光的傅立葉變換紅外光

5、譜。它的出現(xiàn)為紅外光譜的應(yīng)用開辟了新的領(lǐng)域傅里葉變換紅外光譜儀紅外光譜的原理構(gòu)成物質(zhì)的分子和原子存在微觀的運(yùn)動(dòng)如：水分子的振動(dòng)反對(duì)稱伸縮彎曲振動(dòng)對(duì)稱伸縮通常非對(duì)稱伸縮振動(dòng)較對(duì)稱伸縮振動(dòng)在較高的波數(shù)出現(xiàn)彎曲(1595cm-1)對(duì)稱伸縮(3657cm-1)非對(duì)稱伸縮(3756cm-1)紅外光譜原理用一束紅外光（連續(xù)波長）照射試樣；若其頻率相應(yīng)的能量與某個(gè)分子的振動(dòng)或轉(zhuǎn)動(dòng)能量差相當(dāng)時(shí)，就被分子吸收；ΔE=E’’-E’=hv=hc/λ分子由低能態(tài)過渡到高能態(tài)，產(chǎn)生能級(jí)躍遷；出現(xiàn)紅外分子吸收光譜吸收譜帶的強(qiáng)度決定于偶極矩的變化大小μ=qrμ:偶極矩,衡量分子有無極性和極性大小的物理量

6、,從正電中心指向負(fù)電中心q:電荷量r:偶極間距離偶極矩變化振動(dòng)偶極矩變化紅外吸收偶極矩變化的大小吸收強(qiáng)度的大小ClHNN傅立葉變換紅外光譜儀工作原理示意圖紅外吸收光譜分析IR光譜的產(chǎn)生條件紅外光譜是由于物質(zhì)吸收電磁輻射后，分子振動(dòng)-轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)的躍遷而產(chǎn)生的。物質(zhì)能吸收電磁輻射應(yīng)滿足兩個(gè)條件，即：（1）輻射應(yīng)具有剛好能滿足物質(zhì)躍遷時(shí)所需的能量；（2）輻射與物質(zhì)之間有相互作用。紅外吸收光譜分析IR光譜的產(chǎn)生條件當(dāng)一定頻率（一定能量）的紅外光照射分子時(shí)，如果分子中某個(gè)基團(tuán)的振動(dòng)頻率和外界紅外輻射的頻率一致，就滿足了第一個(gè)條件。為滿足第二個(gè)條件，分子必須有偶極矩的改變。已知任何分子就

7、其整個(gè)分子而言，是呈電中性的，但由于構(gòu)成分子的各原子因價(jià)電子得失的難易，而表現(xiàn)出不同的電負(fù)性，分子也因此而顯示不同的極性。紅外吸收光譜分析IR光譜的產(chǎn)生條件通常用分子的偶極矩?來描述分子極性的大小:?=q·d圖4HCl、H2O的偶極矩由于分子內(nèi)原子處于在其平衡位置不斷地振動(dòng)的狀態(tài)，在振動(dòng)過程中d的瞬時(shí)值亦不斷地發(fā)生變化，因此分子的?也發(fā)生相應(yīng)的改變，分子亦具有確定的偶極距變化頻率。對(duì)稱分子由于正負(fù)電荷中心重疊，d=0，故?=0。紅外吸收光譜分析紅外吸收光譜分析上述物質(zhì)吸收輻射的第二個(gè)條件，實(shí)質(zhì)上是外界輻射遷移它的能