分子光譜分析法第三彈—紅外光譜

　　紅外光譜(infrared absorption spectrum ,IR)又稱分子振動轉動光譜,屬分子吸收光譜。樣品受到頻率連續變化的紅外光照射時,分子吸收其中一些頻率的輻射, 使振-轉能級從基態躍遷到激發態,相應于這些區域的透射光強減弱,記錄百分透過率T%對波數或波長的曲線,即紅外光譜。

　　紅外光譜的研究開始于20世紀初期，自1940年商品紅外光譜儀問世以來，紅外光譜在有機化學研究中得到廣泛的應用。近幾十年來一些新技術（如發射光譜、光聲光譜、色—紅聯用等）的出現，使紅外光譜技術得到更加蓬勃的發展。

　　紅外光去的劃分

　　通常將紅外光譜分為三個區域：近紅外區(0.75~2.5μm)、中紅外區(2.5~25μm)和遠紅外區(25~300μm)。一般說來，近紅外光譜是由分子的倍頻、合頻產生的；中紅外光譜屬于分子的基頻振動光譜；遠紅外光譜則屬于分子的轉動光譜和某些基團的振動光譜。由于絕大多數有機物和無機物的基頻吸收帶都出現在中紅外區，因此中紅外區是研究和應用最多的區域，積累的資料也最多，儀器技術最為成熟。通常所說的紅外光譜即指中紅外光譜。

　　紅外光譜分析原理

　　將一束不同波長的紅外射線照射到物質的分子上，某些特定波長的紅外射線被吸收，形成這一分子的紅外吸收光譜。每種分子都有由其組成和結構決定的獨有的紅外吸收光譜，據此可以對分子進行結構分析和鑒定。

　　分子的振動形式

　　分子的振動分為伸縮振動和變形振動兩類。伸縮振動是沿原子核之間的軸線作振動，鍵長有變化而鍵角不變，用字母υ來表示。

　　伸縮振動分為不對稱伸縮振動υas和對稱伸縮振動υs。

　　變形振動是鍵長不變而鍵角改變的振動方式，用字母δ表示。

　　紅外吸收光譜產生的條件

　　滿足兩個條件：

　　(1)輻射應具有能滿足物質產生振動躍遷所需的能量

　　(2)輻射與物質間有相互偶合作用。

　　對稱分子：沒有偶極矩，輻射不能引起共振，無紅外活性。如：N2、O2、Cl2 等。

　　非對稱分子：有偶極矩，紅外活性。

　　紅外光譜儀的組成

　　組成：光源、單色器、樣品池、檢測器。

　　光源：①能提供連續的輻射；②光強度足夠大；③在整個光譜區內光譜強度不隨波長有明顯變化；④光譜范圍寬；⑤使用壽命長，價格低。 鎢燈——可見光區 320～2500nm，氫燈或氘燈——紫外光區 195－375nm，U3010（碘鎢燈、氘燈）波長范圍190-900nm。

　　單色器：包括狹縫、準直鏡、色散元件。

　　吸收池：玻璃—由于吸收紫外UV光，僅適用于可見光區； 石英—適用于紫外和可見光區。

　　檢測器（將光信號轉變為電信號的裝置）：光電管；光電倍增管；二極管陣列檢測器。

　　記錄裝置：訊號處理和顯示系統。

　　紅外光譜法對樣品要求

　　樣品要求以及注意事項：參照池和吸收池應是一對經校正好的匹配的吸收池，材料和規格一致；使用前后應將洗手池洗凈，測量時不能用手接觸窗口；

　　已匹配好的比色皿不能用爐子和火焰干燥，不能加熱，以免引起光程長度上的改變；

　　選擇適宜波長的入射光，由于有色物質對光有選擇性吸收,為了使測定結果有較高的靈敏度,必須選擇溶液最大吸收波長的入射光；

　　控制吸光度A的準確的讀數范圍,由朗伯-比耳定律可知,吸光度只有控制在0.2--0.7讀數范圍內時,測量的準確度較高；

　　選擇參比溶液，參比溶液是用來調節儀器工作零點的。若樣品溶液，試劑，顯色劑無色可用蒸餾水作參比溶液，反之應采用不加顯色劑的樣品液作參比溶液。

　　紅外吸收光譜的特點

　　1.只有振-轉躍遷,能量低

　　2.應用范圍廣，除單原子分子及單核分子外，幾乎所有物質均有紅外吸收；

　　3.分子結構更為精細的表征，通過IR譜的波數位置、波峰數目具強度確定分子基團、分子結構。

　　4.可以進行定量分析

　　5.樣品不限形式,用量少,不破壞樣品

　　6.分析速度快

　　7.可與色譜等聯用具有強大的定性功能。

　　紅外光譜法的應用

　　一、定性分析

　　1. 已知物的鑒定

　　 將試樣譜圖與標準譜圖對照或與相關文獻上的譜圖對照。

　　2. 未知物結構分析

　　 如果化合物不是新物質，可將其紅外譜圖與標準譜圖對照；

　　 如果化合物為新物質，則須進行光譜解析，其步驟為：

　　（1）該化合物的信息收集：試樣來源、熔點、沸點、折光率、旋光度等；

　　（2）不飽和度的計算：

　　通過元素分析得到該化合物的分子式，并求出其不飽和度W。

　　W＝0 時，分子是飽和的，分子為鏈狀烷烴或其不含雙鍵的衍生物；

　　W＝1 時，分子可能有一個雙鍵或脂環；

　　W＝2 時，分子可能有一個三鍵或兩個雙鍵；

　　W＝4 時，分子可能有一個苯環。

　　注意：一些雜原子如S、O不參加計算。

　　（3）查找基團頻率，推測分子可能的基團；

　　（4）查找紅外指紋區，進一步驗證基團的相關峰；

　　（5）能過其它定性方法進一步確證：UV-Vis、MS、NMR、Raman光譜等。

　　二、定量分析

　　紅外光譜的譜帶較多，選擇余地大，所以能方便地對單一組分或多組分進行定量分析，并且該方法不受試樣狀態的限制。但紅外光譜法的靈敏度較低，尚不適于微量組分測定。

　　定量分析的依據也是基于朗伯-比爾定律，通過對特征吸收譜帶強度的測量求組分含量。

　　但紅外譜圖復雜，相鄰峰重疊多，難以找到合適的檢測峰；紅外譜圖峰形窄，光源強度低，檢測器靈敏度低，測定時必須使用較寬的狹縫，從而導致對朗伯-比爾定律的偏離；紅外測定時吸收池厚度不易確定，利用參比難以消除吸收池、溶劑的影響。

　　紅外光譜儀的使用注意事項

　　1.測定時實驗室的溫度應在15～30℃，相對濕度應在65%以下，所用電源應配備有穩壓裝置和接地線。因要嚴格控制室內的相對濕度，因此紅外實驗室的面積不要太大，能放得下必須的儀器設備即可，但室內一定要有除濕裝置。

　　2.如所用的是單光朿型傅里葉紅外分光光度計(目前應用最多)，實驗室里的CO2含量不能太高，因此實驗室里的人數應盡量少，無關人員最好不要進入，還要注意適當通風換氣。

　　3.如供試品為鹽酸鹽，因考慮到在壓片過程中可能出現的離子交換現象，標準規定用氯化鉀(也同溴化鉀一樣預處理后使用)代替溴化鉀進行壓片，但也可比較氯化鉀壓片和溴化鉀壓片后測得的光譜，如二者沒有區別，則可使用溴化鉀進行壓片。

　　4.為防止儀器受潮而影響使用壽命，紅外實驗室應經常保持干燥，即使儀器不用，也應每周開機至少兩次，每次半天，同時開除濕機除濕。特別是霉雨季節，最好是能每天開除濕機。

　　5.紅外光譜測定最常用的試樣制備方法是溴化鉀(KBr)壓片法(藥典收載品種90%以上用此法)，因此為減少對測定的影響，所用KBr最好應為光學試劑級，至少也要分析純級。使用前應適當研細(200目以下)，并在120℃以上烘4小時以上后置干燥器中備用。如發現結塊，則應重新干燥。制備好的空KBr片應透明，與空氣相比，透光率應在75%以上。

　　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，故常憑經驗取用。一般要求所沒得的光譜圖中絕大多數吸收峰處于10%～80%透光率范圍在內。最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，如最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，此時均應調整取樣量后重新測定。

　　7.測定用樣品應干燥，否則應在研細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。

　　8.壓片時KBr的取用量一般為200mg左右(也是憑經驗)，應根據制片后的片子厚度來控制KBr的量，一般片子厚度應在0.5mm以下，厚度大于0.5mm時，常可在光譜上觀察到干涉條紋，對供試品光譜產生干擾。

　　9.壓片時，應先取供試品研細后再加入KBr再次研細研勻，這樣比較容易混勻。研磨所用的應為瑪瑙研缽，因玻璃研缽內表面比較粗糙，易粘附樣品。研磨時應按同一方向(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生轉晶，從而影響測定結果。

　　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，應通過一小的漏斗倒入到壓片模具中(因模具口較小，直接倒入較難)，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，并因此對測定產生影響。另外，如壓好的片子上出現不透明的小白點，則說明研好的試樣中有未研細的小粒子，應重新壓片。

　　10.壓片用模具用后應立即把各部分擦干凈，必要時用水清洗干凈并擦干，置干燥器中保存，以免銹蝕。