2012-06-14
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紅外吸收光譜分析
分子的振動能量比轉動能量大，當發生振動能級躍遷時，不可避免地伴隨有轉動能級的躍遷，所以無法測量純粹的振動光譜，而只能得到 分子的振動-轉動光譜，這種光譜稱為紅外吸收光譜。
紅外吸收光譜也是一種分子吸收光譜。
當樣品受到頻率連續變化的紅外光照射時，分子吸收了某些頻率的輻射，并由其振動或轉動運動引起偶極矩的凈變化，產生分子振動和轉動能級從基態到激發態的躍遷,使相應于這些吸收區域的透射光強度減弱。記錄紅外光的百分透射比與波數或波長關系曲線，就得到紅外光譜。
一、紅外光區的劃分
紅外光譜在可見光區和微波光區之間，波長范圍約為 0.75 ~ 1000µm，根據儀器技術和應用不同，習慣上又將紅外光區分為三個區：近紅外光區（0.75 ~ 2.5µm ），中紅外光區（2.5 ~ 25µm ），遠紅外光區（25 ~ 1000µm ）。
近紅外光區（0.75 ~ 2.5µm ）
近紅外光區的吸收帶主要是由低能電子躍遷、含氫原子團（如O—H、N—H、C—H）伸縮振動的倍頻吸收等產生的。該區的光譜可用來研究稀土和其它過渡金屬離子的化合物，并適用于水、醇、某些高分子化合物以及含氫原子團化合物的定量分析。
中紅外光區（2.5 ~ 25µm ）
絕大多數有機化合物和無機離子的基頻吸收帶出現在該光區。由于基頻振動是紅外光譜中吸收zui強的振動，所以該區zui適于進行紅外光譜的定性和定量分析。同時，由于中紅外光譜儀zui為成熟、簡單，而且目前已積累了該區大量的數據資料，因此它是應用極為廣泛的光譜區。通常，中紅外光譜法又簡稱為紅外光譜法。
遠紅外光區 （25 ~ 1000µm ）
該區的吸收帶主要是由氣體分子中的純轉動躍遷振動-轉動躍遷、液體和固體中重原子的伸縮振動、某些變角振動、骨架振動以及晶體中的晶格振動所引起的。 由于低頻骨架振動能很靈敏地反映出結構變化，所以對異構體的研究特別方便。此外，還能用于金屬有機化合物（包括絡合物）、氫鍵、吸附現象的研究。但由于該光區能量弱，除非其它波長區間內沒有合適的分析譜帶，一般不在此范圍內進行分析。
曲線或T~?紅外吸收光譜一般用T~ （單位為µm?波數曲線表示。縱坐標為百分透射比T%，因而吸收峰向下，向上則為谷；橫坐標是波長 ），或波數（單位為cm-1）。
與波數之間的關系為：?波長
/ µm ）?波數/ cm-1 =104 /（
中紅外區的波數范圍是4000 ~ 400 cm-1 。
二、紅外光譜法的特點
紫外、可見吸收光譜常用于研究不飽和有機物，特別是具有共軛體系的有機化合物，而紅外光譜法主要研究在振動中伴隨有偶極矩變化的化合物（沒有偶極矩變化的振動在拉曼光譜中出現）。因此，除了單原子和同核分子如Ne、He、O2、H2等之外，幾乎所有的有機化合物在紅外光譜區均有吸收。除光學異構體，某些高分子量的高聚物以及在分子量上只有微小差異的化合物外，凡是具有結構不同的兩個化合物，一定不會有相同的紅外光譜。通常紅外吸收帶的波長位置與吸收譜帶的強度，反映了分子結構上的特點，可以用來鑒定未知物的結構組成或確定其化學基團；而吸收譜帶的吸收強度與分子組成或化學基團的含量有關，可用以進行定量分析和純度鑒定。由于紅外光譜分析特征性強，氣體、液體、固體樣品都可測定，并具有用量少，分析速度快，不破壞樣品的特點。因此，紅外光譜法不僅與其它許多分析方法一樣，能進行定性和定量分析，而且該法是鑒定化合物和測定分子結構的zui有用方法之一。
一、產生紅外吸收的條件
1 . 輻射光子具有的能量與發生振動躍遷所需的躍遷能量相等
紅外吸收光譜是分子振動能級躍遷產生的。因為分子振動能級差為0.05~1.0eV，比轉動能級差（0.0001 ? 0.05eV）大，因此分子發生振動能級躍遷時，不可避免地伴隨轉動能級的躍遷，因而無法測得純振動光譜，但為了討論方便，以雙原子分子振動光譜為例說明紅外光譜產生的條件。若把雙原子分子（A-B）的兩個原子看作兩個小球，把連結它們的化學鍵看成質量可以忽略不計的彈簧，則兩個原子間的伸縮振動，可近似地看成沿鍵軸方向的間諧振動。
在室溫時，分子處于基態，此時，伸縮振動的頻率很小。當有紅外輻射照射到分子時，若紅外輻射的光子所具有的能量恰好等于分子振動能級的能量差時，則分子將吸收紅外輻射而躍遷至激發態，導致振幅增大。
只有當紅外輻射頻率等于振動量子數的差值與分子振動頻率的乘積時，分子才能吸收紅外輻射，產生紅外吸收光譜。
（2）輻射與物質之間有耦合作用
為滿足這個條件，分子振動必須伴隨偶極矩的變化。紅外躍遷是偶極矩誘導的，即能量轉移的機制是通過振動過程所導致的偶極矩的變化和交變的電磁場（紅外線）相互作用 發生的。分子由于構成它的各原子的電負性的不同，也顯示不同的極性，稱為偶極子。通常用分子的偶極矩來描述分子極性的大小。當偶極子處在電磁輻射的電場中時，該電場作周期性反轉，偶極子將經受交替的作用力而使偶極矩增加或減少。由于偶極子具有一定的原有振動頻率，顯然，只有當輻射頻率與偶極子頻率相匹時，分子才與輻射相互作用（振動耦合）而增加它的振動能，使振幅增大，即分子由原來的基態振動躍遷到較高振動能級。因此，并非所有的振動都會產生紅外吸收，只有發生偶極矩變化的振動才能引起可觀測的紅外吸收光譜，該分子稱之為紅外活性的。
當一定頻率的紅外光照射分子時，如果分子中某個基團的振動頻率和它一致，二者就會產生共振，此時光的能量通過分子偶極矩的變化而傳遞給分子，這個基團就吸收一定頻率的紅外光，產生振動躍遷。如果用連續改變頻率的紅外光照射某樣品，由于試樣對不同頻率的紅外光吸收程度不同，使通過試樣后的紅外光在一些波數范圍減弱，在另一些波數范圍內仍然較強，用儀器記錄該試樣的紅外吸收光譜，進行樣品的定性和定量分析。
衰減全反射（ATR）是FRIR的進樣附件，通常為單點接觸衰減全反射。可以有效的得到聚合材料的紅外圖譜，不再需要進行樣品處理。
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