红外光谱测定注意事项及定性分析1.ppt

红外光谱测定注意事项及定性分析 红外光谱基本概念傅立叶红外光谱仪样品制备及注意事项定性分析 一 红外光谱基本概念 1 红外光谱又称分子振动转动光谱 属分子吸收光谱 样品受到频率连续变化的红外光照射时 分子吸收其中一些频率的辐射 分子振动或转动引起偶极矩的变化 使振 转能级从基态跃迁到激发态 相应于这些区域的透射光强减弱 记录百分透过率T 或吸光度 对波数或波长的曲线 即为红外光谱 2 红外光谱的表示方法 透光率是红外透过样品光强与红外透过背景光强的比值 用百分数表示 吸光度是T的负对数 一般科学论文中以吸光度表示 波数与波长换算公式 光谱图的表示方法 等分法 分裂法 2000cm 1 2200cm 1 1000cm 1 图谱处理 基线校正 校正背景漂移100 扣除背景 药典法 通过计算消除水峰 平滑降供低噪声改善形状等 T 红外光谱以T 或T 来表示 苯酚的红外光谱 3 红外光区划分 4 特点 1 药典所说的红外区实为中红外 振动区 2 5 25 m 4000 400 cm 1 是分子吸收能量产生的振动能级的跃迁 所产生的振动光谱 2 红外光谱 IR 是确定分子组成和结构的有力工具 主要用于化合物鉴定及分子结构表征 亦可用于定量分析 与NMR UV MS并称四大光谱 3 根据光谱中吸收峰的强度 位置和形状 可确定分子中包含哪些基团 官能团 4 优点 灵敏度高 波数准确 重复性好 5 基本概念 吸收峰的位置 峰位 即振动能级跃迁所吸收的红外线的波长或波数 基频峰是分子吸收光子后从一个能基跃迁到相邻的高一能基产生的吸收 倍频峰是分子吸收比原有能量大一倍的光子之后 跃迁两个以上能基产生的吸收峰 出现在基频峰波数n倍处 为弱吸收 和频峰是在两个以上基频峰波数之和或差处出现的吸收峰 为弱峰 基团频率处于不同有机物分子的同一种官能团的振动频率变化不大 具有明显的特征性 即各基团有其自已特征的吸收谱带基团频率受分子中其余部分影响较濉有特征性 可用于鉴别基团 关联峰 6 各种可能的振动形式 以甲基和亚甲基为例 7 影响红外光谱吸收频率的因素 影响基本振动跃迁的波数或频率 基团频率 的直接因素为化学键力常数k和原子质量 k大 化学键的振动波数高 如 kC C 2222cm 1 kC C 1667cm 1 kC C 1429cm 1 质量m大 化学键的振动波数低 如 mC C 1430cm 1 mC N 1330cm 1 mC O 1280cm 1 诱导效应 吸电效应 使振动频率移向高波数区 共轭效应 使振动频率移向低波数区 氢键效应 使伸缩频率降低 OH COOH NH2 H2O等 分子内外其强度增加但峰形变宽杂化的影响 杂化轨道中s轨道成分 键能 键长 如苯环C H 大于3000cm 1 分子互变结构C 0C OH成盐空间效应空间位阻成环 张力 位阻 费米共振峰距离加大样品所处物态 液态 固态 a蒸气 134 b液体 室温 正己酸在液态和气态的红外光谱 8 特征区与指纹区 特征区 4000 1250cm 1的高频区包含H的各种单键 双键和三键的伸缩振动及面内弯曲振动特点 吸收峰稀疏 较强 易辨认指纹区 1250 400cm 1的低频区包含C X X O H N 单键的伸缩振动及各种面内弯曲振动特点 吸收峰密集 难辨认 指纹在红外分析中 通常一个基团有多个振动形式 同时产生多个谱峰 基团特征峰及指纹峰 各类峰之间相互依存 相互佐证 通过一系列的峰才能准确确定一个基团的存在 如水的变曲振动1645cm 1 伸缩振动3400cm 1 叁键及累积双键区 2500 1900cm 1 基频峰分布图 9 红外光谱的吸收强度 峰强度可用很强 vs 强 s 中 m 弱 w 很弱 vw 等来表示 10 影响红外光谱吸收强度的因素 振动中偶极矩的变化幅度越大 吸收强度越大极性大的基团 吸收强度大 分子对称度高 振动偶极矩小 产生的谱带就弱 如C C C C因对称度高 其振动峰强度小 而C X C X 因对称性低 其振动峰强度就大 使基团极性降低的诱导效应使吸收强度减小 使基团极性增大的诱导效应使吸收强度增加 共轭效应使 电子离域程度增大 极化程度增大 吸收强度增加 振动耦合使吸收增大 费米振动使倍频或组频的吸收强度显著增加 氢键使参与形成氢键的化学键伸缩振动吸收显著增加 二 傅立叶红外光谱仪 1 红外光谱仪目前有两类红外光谱仪 色散型和傅立叶变换型色散型 与双光束UV Vis仪器类似 目前已少用 2 傅立叶红外光谱仪20世纪70年代引入我国它是利用光的相干性原理而设计的干涉型红外分光光度仪 仪器组成为 红外光源 摆动的凹面镜 摆动的凹面镜 迈克尔逊干扰仪 检测器 样品池 参比池 同步摆动 干涉图谱 计算机解析 红外谱图 还原 M1 BS I II M2 D 光学系统 光阑 迈克逊干涉仪 干涉图 单色光 单色光 二色光 多色光 单 双及多色光的干涉示意图 3 FTIR光谱仪的优点 光学部件简单 只有一个动镜在实验中运动 不易磨损 测量波长范围宽 其波长范围可达到45000 6cm 1精度高 光通量大 所有频率同时测量 检测灵敏度高 扫描速度快 可作快速反应动力学研究 并可与GC LC联用 杂散光不影响检测 对温度湿度要求不高 4 红外光谱仪的保养和维护 仪器安装 电源 220V 火 零 地三相电源 并安装磁力启动器 如无规范的地线应单独安装 要求接地良好 电阻在1 以下最好配稳压电源 环境 温度17 27 相对湿度50 左右 湿度太低易产生静电 太高仪器部件易损 注意防尘 地面不宜铺地毯并与化学实验室分开 防止卤化物进入 实验台应结实 牢靠 防止长期放置产生变形弯曲 仪器后留一定空间 离墙壁0 5米以上 验收 仪器的最高分辨率 红外仪最重要指标 一般测量水汽光谱吸收峰半高宽 仪器的信噪比 透射率光谱100 线峰 峰值 稳定性和基线的倾斜程度 4cm 1分辨率测100 线 10min测1次测6次 波数的准确性和重复性 聚苯乙烯薄膜 4000 2000cm 1允许误差 8cm 1 2000cm 1以下 4cm 1 7个峰 大于18 日常管理1 电源通电15分能量就能达到最高 开机30分即可测试样品 减少开关机次数 下班后关机切断电源 2 控制空气湿度 特别夏天 致少每周开机几小时 如天天使用 即使空气湿度大 对仪器也不会造成影响 3 红外光谱仪除样品舱外 其余部分为密闭体系 并安装有干燥剂除湿 要经常观察干燥剂的颜色 及时处理和更换失效的干燥剂 样品舱中放干燥剂 并经常于120 干燥 放至室温后放入样品舱 4 发束器和检测器最容易损坏 由于含有溴化钾或碘化铯结晶最怕潮气 一定要保持光学部分的干燥剂处于有效状态 分束器不要轻易取出 光学台定期用干燥的氮气或空气吹扫 常见故障的处理 1 干涉仪不扫描 不出现干涉图计算机与红外通讯失败分束器没固定好或已坏控制电路板损坏电源输出电压不正常室温太高或太低He NE激光器不亮或能量太低软件出现问题 2 干涉图能量太低分束器出现裂缝光阑孔径太小光路没有准直好检测器损坏光源能量太低各种红外反射镜太脏 3 干涉图能量溢出光阑孔径太大动镜传动速度太慢 4 干涉图不稳定 控制电路板元件损坏或疲劳5 空气背景光谱有杂峰 光学台有污染气体或反射镜 分束器 检测器上有污染物6 光中检测时基线漂移 开机时间不够长 三 样品制备及注意事项 对固体 液体 气体样品 对单一组分的纯净物和多组分混物都可用红外光谱法测定不同的样品采用不同的制样技术 同一样品采用不同的制样技术 可能会得到不同的光谱要得到一张高质量的光谱图 除优良的仪器 选用合适的制样方法 制样技术和技巧也非常重要 可能相同的样品 采用相同的制样方法 不同的实验者制备的样品测定的光谱差别很大 正己酸在液态和气态的红外光谱a蒸气 134 b液体 室温 固体样品 压片法 糊状法 溶液法 薄膜法液体样品的制备 溶液法 成膜法气体样品的制备 充入气体样品槽 药品检验中最常见为固体样品压片法 红外样品的制备 固体样品的制备 压片法 压片法需稀释剂 KBr或kCl 玛瑙研钵 压片磨具和压片机取供试品1 1 5mg 置玛瑙研钵中 加入干燥的稀释剂细粉约200 300mg 为200 1 充分研磨均匀 置压片机中 使铺布均匀 抽真空2分钟 加压至8 10T cm2 保持压力2分钟撤去压力并放气后取出制成的供试片 目视检测 片子应呈透明状 其中样品分布应均匀 并无明显的颗粒状样品 亦可采用其它直径的压模制片 样品与分散剂的用量需相应调整以制得浓度合适的片子 注意事项 为了保证一次成功 粉未用天平称量 特别是1mg的样品 非结晶粉未轻 结晶粉未重 量太少光谱吸收度太低 信燥比不能满足要求 水汽峰干扰严重 量大 会有全吸收 最强吸收峰吸光度在0 5 1 4 透射率约4 30 含强极性基团的样品 如含羰基化合物 特别是脂肪酸类 氰根化合物 碳酸盐 硫酸盐 磷酸盐 硝酸盐 样品只需取0 5mg左右 溴化钾取150mg为宜 太少易碎 太多不易透明 潮湿的样品需真空或40 烘箱干燥后方可压片极易吸潮的样品不能用KBr压片法易由固变液的样品不能用KBr压片法 注意事项 分析纯溴化钾可满足测试要求溴化钾易吸潮 用前至少需经120 干燥4小时 并置于干燥器中保存 新购的溴化钾 经空白片测定 其光谱图中未有杂质吸收峰即可使用溴化钾烘干前应研磨至2 5 m以下 颗粒大小在2 5 25 m 会引起散射 供试品研磨应适度 通常以粒度2 5 m为宜 供试品过度研磨有时易引起本身的分解破坏 粒度不够细则易引起光散射能量损失 使整个光谱基线倾斜 甚至严重变形 该现象在4000 2000cm 1高频端最为明显 不同分辨率下的背景光谱 若供试品为盐酸盐 为避免可能发生的离子交换反应 以使用氯化钾为宜 若供试品与溴化钾并不反应 则仍可使用溴化钾 将磨好的样品装入模具后 用扁铲将混合物铺平 用压杆下压并旋转 合混合更加平整后再压片 否则压出的锭片会局部不透明 压力过大 研磨过度可能改变样品的晶型抽真空比不抽真空压出的锭片更透明 压片模具每次用后均应清洗 并将其保存在干燥器中 压片法制成的片厚在0 5mm以下或金字锭片压得又透明又增整时会在光谱记录上产生干涉条纹特别是在低频 对样品自身弱峰能产生干扰 一般可将片厚调节至0 5mm以上即可避免 也可用金相砂纸将片稍微磨毛一些以去除 或锭片斜对着光路 防止干涉 研磨好的样品在红外灯下烤0 5h 除水分扣空白和差减方法 由于晶型影响 与标准不一致的按规定的前处理方法处理有特殊要求的在药品红外光谱集或该药品正文中会列出预处理方法 如重结晶和干燥条件 如光谱集952图利福定规定 取供试品适量 加少量无水乙醇溶解 置水浴上蒸干 真空干燥后测定一般处理后图谱应一致 如不一致 可用对照品平行操作后测定如还不一致 可改用溶液法 含结晶水的样品 可能由于风化使图谱不一致 如 葡萄糖 枸椽酸葡萄糖 可于105度干燥2小时以上后测定 与无水葡萄糖标准图谱比较枸椽酸 可用水重结晶后测定 谱库图 相似度0 7 重结晶后 糊法 取供试品约5mg 置玛瑙研体中 粉碎研细后 滴加少量液状石蜡或其它适宜的糊剂 研成均匀的糊状物 取适量糊状物夹于两个窗片或空白溴化钾片 每片约150mg 之间 作为供试片 另以溴化钾约300mg制成空白片作为补偿 亦可用专用装置夹持糊状物 制备时应注意尽量使糊状样品在窗片间分布均匀 糊法可克服出现水吸收带和发生离子交换在样品表面形成保护膜 保护样品 研磨中一般不发生转晶石蜡是饱合直链碳氢化合物 有碳氢吸收峰 膜法参照上述糊法所述的方法 将能形成薄膜的液体样品铺展于适宜的盐片中 形成薄膜后测定 若为高分子聚合物 可先制成适宜厚度的高分子薄膜 直接置于样品光路中测定 熔点较低的固体样品可采用熔融成膜的方法制样 溶液法将供试品溶于适宜的溶剂中 制成1 10 浓度的溶液 灌入适宜厚度的液体池中测定 常用溶剂有四氯化碳 三氯甲烷 二硫化碳 己烷 环己烷及二氯乙烷等 选用溶液应在被测定区域中透明或仅有中 弱的吸收 且与样品间的相互作用应尽可能小 气体样品测定需气体池 压力5 10kPa 四 定性分析 与物质的其它物理性质一样 红外光谱与物质间的对应关系很严格 光谱中吸收峰的位置和强度不仅与组成此原子的质量和化学键的性质有关 而且也被化合物的几何构型所决定 位异构 顺反 多晶 红外光谱在药品分析中 主要用于定性鉴别和物相分析 官能团分析 已知物的验证方法 选择合适的样品制备方法定性鉴别时 主要着眼于供试品光谱与对照光谱全谱谱形的比较 比较图谱时 首先是谱带的有与无 然后是各谱带的相对强弱 先比较最强的吸收峰的位置和形状是否一致 然后再中等强度峰和弱峰是否相对应 如完全一致 认为是同一物质 只有少数例外 如有些光学异构体或大分子同系物等 若两光谱图不同 则可判定两化合物不同 也可检索红外标准谱图数据库也可求导后进行波谱比较 若两光谱图不同 则可判定两化合物不同 但下此结论时 须考虑供试品是否存在多晶现象 纯度如何 以及其他外界因素的干扰 多晶现象一般可按照 药品红外光谱集 中重结晶处理后排除 其影响常可通过修改制样技术而解决 若开形状相似 但波数有差距 可用聚苯乙烯薄膜测定 检查仪器的准确性 再增加测定次数波数的允差范围 在4000 2000cm 1间允许误差为 8cm 1 2000cm 1以下 允许误差为 4cm 1 红外光谱的分区 4000 2500cm 1 这是X H单键的伸缩振动区 2500 2000cm 1 此处为叁键和累积双键伸缩振动区2000 1500cm 1 此处为双键伸缩振动区1500 600cm 1 此区域主要提供C H弯曲振动的信息 常见的外界干扰因素 大气吸收 1 二氧化碳2350cm 1 667cm 1 2 水气3900 3300cm 1 1800 1500cm 1 3 溶剂蒸汽干涉条纹规律性的正弦形曲线叠加在光谱图上 红外定性分析 二氧化碳峰 二氧化碳2350cm 1667cm 1 正己烷的红外光谱图 二甘醇HOCH2CH20CH2CH2OH 丙二醇CH2OHCHOHCH3 水蒸汽 与红外谱库进行比较 二甘醇 红 丙二醇分析纯一阶段导数 二甘醇分析醇与样品一阶段导数 二甘醇 红 丙二醇分析纯二阶段导数 二甘醇分析醇与样品二阶段导数 红外光谱技术的进展及其应用 红外显微镜 IRmicroscope 漫反射傅立叶变换红外光谱技术 diffusereflectancespectroscopy DRS 衰减全反射傅立叶变换红外光谱技术 attenuatedtotalinternalreflectanceFTIR ATR FTIR 光声光谱技术 photoacousticspectoscopu PAS 红外联用技术 气相色谱 红外联用 GC IR 技术 超临界流体色谱与红外光谱联用 全反射光路图 n1光密物质n2光疏物质dp光在光疏物质中入射深度 光线在样品和棱镜间多次全反射图中上层为样品 下层为棱镜 图4 47人毛发的截面图象 a 可见图象 b 3300cm 1的NH伸缩振动红外成象 红外显微镜 衰减全反射傅立叶变换红外光谱技术具有以下优点 不破坏样品 不需要对样品进行分离和制样 对样品的大小 形状没有特殊要求 2 可测量含水和潮湿的样品 3 检测灵敏度高 测量区域小 检测点可为数微米 4 能得到测量位置物质分子的结构信息 某化合物或官能团空间分布的红外光谱图象及微区的可见显微图象 5 能进行红外光谱数据库检索以及化学官能团辅助分析 以确定物质的种类和性质 6 操作简便 自动化 用计算机进行选点 定位 聚焦和测量 烯烃双键的特征吸收 影响双键碳碳伸缩振动吸收的因素 对称性 对称性越高 吸收强度越低 与吸电子基团相连 振动波数下降 吸收强度增加 取代基的质量效应 双键上的氢被氘取代后 波数下降10 20厘米 1 共轭效应 使波数下降约30厘米 1 CH的面外弯曲振动 炔烃化合物 C H伸缩振动 3340 3300厘米 1 波数高于烯烃和芳香烃 峰形尖锐 C C叁键伸缩振动 2100厘米 1 峰形尖锐 强度中到弱 干扰少 位置特征 末端炔基该吸收强 分子对称性强时 该吸收较弱 腈类化合物 C N叁键伸缩振动出现在2300 22