红外光谱仪的使用

红外吸收光谱的使用

一、实验目的

(1) 了解红外光谱仪的基本结构和工作原理；

(2) 学习红外光谱仪的样品制备方法；

(3) 学习红外光谱仪的操作；

(4) 掌握红外光谱的分析

二、红外吸收光谱仪的基本结构和工作原理

2.1 分子振动

振动光谱是指物质因受光的作用，引起分子或原子基团的振动，从而产生对光的吸收。如果将透过物质的光辐射用单色器加以色散，使波长按长短依次排列，同时测量在不同波长处的辐射强度，得到的是吸收光谱。如果用的光源是红外光波长范围，即0.78~10000um，就是红外吸收光谱；如果用的是强单色光，如激光，产生的是激光拉曼光谱。

（1）物质对光的吸收具有选择性：

1）核外电子对光子的吸收，吸收范围（1~20eV）使其由基态跃迁到激发态。

2）分子振动对光子的吸收，吸收范围（0.05~1eV）

3）分子转动对光子的吸收，吸收范围（0.05eV以下）

（2）分子振动模型：

（3）分子振动吸收条件

I 分子振动频率与红外光谱段的某频率相等； II 分子在振动过程中，能引起偶极矩的变化； III 必须遵守旋律原则。

??

?→→拉曼吸收光谱外辐射的振动活性振动）：不吸收红非红外活性振动（拉曼

红外吸收光谱：吸收红外辐射的振动红外活性振动

2.2 红外光谱

（2）红外光谱的表示

连续的红外光与分子相互作用时，若分子中原子间的振动频率恰好与红外波段的某一频率相等时就会

引起共振，使光的透射强度减弱。

（3）红外光谱图的特征

I 谱带数目

II 吸收带的位置

III 谱带的形状

IV 谱带的强度

（4）影响红外光谱图的因素

（5）红外谱带的划分

I 特征谱带区：（4000~1333 cm^-1，或2.5~7.5um）

II 指纹谱带区：（1333~ 667 cm^-1 ，或7.5~15 um）

（6）红外吸收光谱的特点

I 特征性高；

II 不受物质的物理状态的限制，气、液、固均可测定；

III 所需测定的样品数量极少，只需几毫克甚至几微克；

IV 操作方便，测定速度快，重复性好；

V 已有的标准图谱较多，便于查阅。

VI 缺点和局限性：灵敏度和精确度不够高，含量<1%就难以测出，目前多用于定性分析。

（7）红外吸收光谱的测试功能

a．可以确定化合物的类别（芳香类）

b．确定官能团：例：—CO—，—C＝C—，—C≡C—

c．推测分子结构（简单化合物）

d．定量分析

2.3 红外吸收光谱仪

色散型红外光谱仪一般均采用双光束。将光源发射的红外光分成两束，一束通过试样，另一束通过参比，利用半圆扇形镜使试样光束和参比光束交替通过单色器，然后被检测器检测。当试样光束与参比光束强度相等时，检测器不产生交流信号；当试样有吸收，两光束强度不等时，检测器产生与光强差成正比的交流信号，从而获得吸收光谱。

1 . 光源

红外光谱仪中所用的光源通常是一种惰性固体，用电加热使之发射高强度的连续红外辐射。

常用的是Nernst灯或硅碳棒。Nernst灯是用氧化锆、氧化钇和氧化钍烧结而成的中空棒和实心棒。工作温度约为1700℃，在此高温下导电并发射红外线。但在室温下是非导体，因此，在工作之前要预热。它的特点是发射强度高，使用寿命长，稳定性较好。缺点是价格比硅碳棒贵，机械强度差，操作不如硅碳棒方便。硅碳棒是由碳化硅烧结而成，工作温度在1200-1500℃左右。

2 . 吸收池

因玻璃、石英等材料不能透过红外光，红外吸收池要用可透过红外光的NaCl、KBr、CsI、KRS-5（TlI

58%，TlBr42%）等材料制成窗片。用NaCl、KBr、CsI等材料制成的窗片需注意防潮。固体试样常与纯KBr混匀压片，然后直接进行测定。

3 . 单色器

单色器由色散元件、准直镜和狭缝构成。

色散元件常用复制的闪耀光栅。由于闪耀光栅存在次级光谱的干扰，因此，需要将光栅和用来分离次光谱的滤光器或前置棱镜结合起来使用。

4 . 检测器

常用的红外检测器有高真空热电偶、热释电检测器和碲镉汞检测器。

5.记录系统

三、样品制备方法

3.1 制样要求

要获得一张高质量红外光谱图，除了仪器本身的因素外，还必须有合适的样品制备方法。红外光谱法对试样的要求

I 试样应该是单一组份的纯物质，纯度应 >98% 或符合商业规格，才便于与纯物质的标准光谱进行对照。多组份试样应在测定前尽量预先用分馏、萃取、重结晶或色谱法进行分离提纯，否则各组份光谱相互重叠，难于判断。

II 试样中不应含有游离水。水本身有红外吸收，会严重干扰样品谱，而且会侵蚀吸收池的盐窗。

III 试样的浓度和测试厚度应选择适当，且均匀，以使光谱图中的大多数吸收峰的透射比处于10%~80%范围内。

3.2 制样方法

（1）固体样品制样方法

１）压片法，是把固体样品的细粉，均匀地分散在碱金属卤化物中并压成透明薄片的一种方法；

２）粉末法，是把固体样品研磨成２μm以下的粉末，悬浮于易挥发溶剂中，然后将此悬浮液滴于KBr 片基上铺平，待溶剂挥发后形成均匀的粉末薄层的一种方法；

３）薄膜法，是把固体试样溶解在适当的的溶剂中，把溶液倒在玻璃片上或KBr窗片上，待溶剂挥发后生成均匀薄膜的一种方法；

４）糊剂法，是把固体粉末分散或悬浮于石蜡油等糊剂中，然后将糊状物夹于两片KBr等窗片间测绘其光谱。

在红外光谱分析的具体操作中，对于固体样品，常用的制样方法有以下四种。其中最常用的是压片法，但此法常因样品浓度不合适或因片子不透明等问题需要一再返工。现在采用溴化钾压片作片基，在得到同等效果图谱的情况下，降低了重新压片的次数，减少了清洗液体池和窗片的时间，避免了窗片破裂和损耗的可能性，而且此方法成本很低。

（2）液体样品制样方法

液体样品制样方法有三种，其中最常用的是液膜法，此法所使用的窗片是由整块透明的溴化钾（或氯化钠）晶体制成，制作困难，价格昂贵，稍微使用不当就容易破裂，而且由于长期使用也会被试样中微量水分将其慢慢侵蚀，到一定时候这对窗片也就报废了。

１）薄膜法，用刮刀取适量的试样均匀涂于窗片上，然后将另一块窗片盖上，稍加压力，来回推移，使之形成一层均匀无气泡的液膜。

２）液膜法，是在可拆液体池两片窗片之间，滴上１～２滴液体试样，使之形成一薄的液膜，适用于沸点较高的试样；

３）液体池法，是将液体样品注入到封闭抽真空的液体池中，液层厚度一般为0.01~1mm，适用于沸点较低，挥发性较大的试样

对于一些吸收很强的液体，当用调整厚度的方法仍然得不到满意的谱图时，可用适当的溶剂配成稀溶液进行测定。一些固体也可以溶液的形式进行测定。常用的红外光谱溶剂应在所测光谱区内本身没有强烈的吸收，不侵蚀盐窗，对试样没有强烈的溶剂化效应等。

（3）气体样品制样方法

气态样品可在玻璃气槽内进行测定，它的两端粘有红外透光的NaCl或KBr窗片。先将气槽抽真空，再将试样注入。

3.3 制样过程

（1）压片法：将1~2mg固体试样于玛瑙蹈研钵中，充分研磨，再加入大约200mg纯KBr粉末研细均匀，置于模具中，用110Pa压力在油压机上压成透明薄片，即可用于测定。试样和KBr都应经干燥处理，研磨到粒度小于2微米，以免散射光影响。

（2）夹片法：称取大约300mg已烘干的溴化钾于玛瑙研钵中，仔细密细后分为两等份，分别装入压模中，在压片机下抽真空2min，于110Pa压力下加压5min便压成一个透明的溴化钾空白片。用带尖的细玻璃棒蘸一小滴液体样品滴于一片溴化钾空白片上，其上再覆盖一片溴化钾空白片。

（2）石蜡糊法：将干燥处理后的试样研细，与液体石蜡或全氟代烃混合，调成糊状，夹在盐片中测定。

（3）薄膜法：主要用于高分子化合物的测定。可将它们直接加热熔融后涂制或压制成膜。也可将试样溶解在低沸点的易挥发溶剂中，涂在盐片上，待溶剂挥发后成膜测定。

当样品量特别少或样品面积特别小时，采用光束聚光器，并配有微量液体池、微量固体池和微量气体池，采用全反射系统或用带有卤化碱透镜的反射系统进行测量。

3.4 注意事项

(1)对每一种样品，在制好样之后应立即进行测定或溶剂挥发。

(2)压好的溴化钾片，应放在干燥器中，以防吸潮。

(3)可能会由于液体吸收池的塞子不严，溶剂迅速挥发，在未完成扫描之前池中的溶液就挥发殆尽，得不到完整的谱图。

(4)在使用夹片法或压片法绘制的红外吸收光谱中，常出现水的吸收峰，解析谱图时应注意。

四、仪器与材料

4.1 仪器与设备

红外光谱仪、压片机、真空泵；0.1mm液体吸收池；1ml 注射器、玛瑙研钵、带尖玻璃棒、称量瓶等。

本实验室使用的FTIR是美国尼高力公司生产的FT 6700型傅立叶变换红外光谱仪。它通过测量分子的振动和转动光谱来研究分子的结构和性能，具有测定方法简便、迅速、所需试样量少（1~2 mg），得到的信息量大的优点，具有光通量大、杂散光少、分辨率可调、精度高、扫描速度快和测量波数范围宽的特点，广泛应用于地质学、化学、医药、材料科学、环境保护等行业。其主要用途是：对未知化合物进行准确的定性分析。

4.2 药品及试剂

化学纯的苯甲醒、苯脂、苯胺、苯甲酸及邻苯二甲酸二甲酯；分析纯的二硫化碳、四氯化碳及溴化钾。

五、测试

NICOLET 6700 傅里叶变换红外光谱仪的使用

1、仪器性能

光谱范围：4000~400cm-1

分辨率：0.09cm-1

信噪比：24000:1

2、使用方法

1）电源的开启。打开稳压电源开关，待电压稳定于220V后，开启一级插线板，开启二级插线板。

2）开机。按以下顺序开机：红外主机，电脑显示器，电脑主机。

3）开启EZ OMNIC软件。双击电脑桌面(或程序中OMNIC E. P. S.)上的EZ OMNIC窗口，打开软件，

参见图1。

图1 EZ OMNIC软件窗口

4）实验条件的设置。点击菜单中的“Collect”，打开“Experiment Setup”，正确选择“扫描次数”、“分辨率”以及采样、采集背景的方式，最好选择“Collect background before every sample”参见图2。

图2 EZ OMNIC仪器设置窗口

5）制样。按正确的制样方法制样。

6）样品测试。点击菜单中的“Collect”,打开“Collect Sample”命令，按选定的采集数据方式，如采用4）中的选择，则要在采集背景图后，再打开试样窗口插入样品晶片，作样品谱图。

样品溶液可注入液体吸收池内进行测定。将吸收池的两个聚四氟乙烯塞打开，用注射器依次注入纯溶剂及待测溶液，各洗涤吸收池2~3次，然后注满持测溶液。溶液从一个口注入，从另一个口溢出时认为吸收池已充满溶液，塞紧塞子。将充满溶液的吸收池置于红外光谱仪的光路中，对四氯化碳溶液在4000~1350 cm-1范围内扫描，对二硫化碳溶液在1350～650 cm-1范围内扫描。

将夹有或含有样品的溴化钾片安置在磁性压片架上，连同压片架一起置于红外光谱仪的光路中，在4000～650 cm-1区间扫描以绘制红外吸收光谱。

7．点击“Analyse”栏标峰，或手动标峰。

8．打印分析结果。开启打印机，鼠标点击“Print”。

9．操作结束，退出EZ OMNIC。关机顺序：电脑主机→电脑显示屏→红外主机→插线板→稳压电源3、使用注意事项

1）仪器开启至少15min后，进行测定。

2）尽可能缩短主机试样窗口拉盖开启时间。

3）严格防潮：干燥剂、干操管及时更换，除湿机常开。

4）仪器常开。

5）测定前，检查仪器是否处于正常工作状态。

6）定期尤其是气候变化时，进行仪器自校定。

7）严格按规程操作。

六、图谱分析

1、记录实验条件。

2、在获得的红外吸收光谱图上，从高波数到低波数，标出特征吸收峰的频率，并指出各特征吸收峰属于何种基团的什么形式的振动。

在解释红外吸收光谱时，一般从高波数到低波数，但不必对光谱图的每一个吸收峰都进行解释，只需指出各基团的特征吸收峰即可。