%A8傅里叶红外光谱对不同茶叶成分的分析

1、利用傅里叶红外光谱对不同茶叶成分的分析一、实验目的：1、熟悉傅里叶红外光谱仪的基本操作，掌握固体样品的压片方法。2、进一步理解傅里叶红外光谱仪的工作原理二、实验原理由于在茶叶中含有茶多酚、 蛋白质、咖啡碱、 茶多糖等物质， 而在这些物质 中含有大量 OH、CH3、CH2、CHOH、C O、phH、ph OH 、C O、 COC、N N 、 N H、 HNC O 等官能团，这些官能团在中红外区 有丰富的吸收峰，可利用傅立叶红外光谱技术， 为茶叶识别提供可靠的光谱信息。三、实验部分1. 仪器设备和测试条件红外光谱仪为 Perkin Elmer spectrum100 系列 FTIR 光谱仪，测量范

2、围为 4004 000cm-1,光谱分辨率为 4 cm-1。2. 试剂：分析纯溴化钾3、材料：压片机、模具、玛瑙研钵、金属药勺3、样品及制备1）样品：绿茶：醉乡毛峰，产地：滁州；红茶：明清春色，产地：福建2）制备：茶样经60 T处理至恒重，磨细过筛（颗粒在2卩m左右），按2mg + 198mg（质量比）的比例与KBr压片，以KBr（200mg）为背景测其红外光谱。每个 样品进行 5 次重复测试，所得光谱有良好的重复性。四、结果与分析1 、比较各吸收峰的位置、形状和峰的相对强度2、比较各特征峰的官能团结构的差异。结果表明：同类茶叶在 3000-2800 cm-1、1700-1500 cm-1、1

3、500-1200 cm-1、 1200-1000 cm-1, 900-400 cm -1 区域有固定的特征谱带，茶叶品质的差异导致这 些特征谱带出现波数、强度、形状的明显差异 ,为茶叶品质的鉴别提供了较可靠 的依据。定义:利用物质对红外辐射的吸收所产生的红外吸收光谱，对物质的组成、结构及含量进行分析测定的方法叫红外吸收光谱分析法红外光谱区的划分：习惯上将红外吸收光谱分为远、中、近红外三个区：(1近红外区：波长：0.782.5卩m( 12 8204 000cm1),主要用于研究分 子中的O H、N H、C H键的振动倍频与组频。(2) 中红外区：波长：2.525卩m (4 000400cm-1)

4、，主要用于研究大部分有机化合物的振动基频。(3) 远红外区：波长：25300卩m (40033cm-1),主要用于研究分子的转动光谱及重原子成键的振动。什么是波长(入):相邻两个波峰或波谷之间的直线距离什么是波数：-为波长入的倒数，即1cm中所含波的个数由于近红外光谱技术需要大量样品建立模型 所以在操作上存在一定的局限性其中，中红外区(2.525卩m即4 000400cm-1)是研究和应用最多的区域， 通常说的红外光谱就是指中红外区的红外吸收光谱。又称为分子振动一 转动光谱。红外：用T%来表示吸光强度，光的性质用波长或波数表示红外光谱除用波长入表征横坐标外，更常用波数(wave numbe)表

5、征。纵坐标为 百分透射比T %。红外光谱仪分两种类型：色散型红外分光光度计 (不讲)干涉型(傅立叶变换红外光谱仪)傅里叶红外光谱仪是20世纪70年代发展起来的一种分析仪器，主要用于鉴别化 合物和确定物质分子结构它最大的特点是无分光系统，一次扫描可得到全谱。傅里叶变换红外吸收光谱仪有如下特点：测量时间短，扫描速度快，1s完成全光谱扫描光通量大，适合仪器联用；因而可以检测透射比较低的样品，便于利用 各种附件，如：漫反射、衰减全反射等；并能检测不同的样 品，气体、固体液体、薄膜和金属镀层；灵敏度高，检测限可达10'910"12 g分辨率高，波数精度可达 0.01cm-1,便于观察气

6、态分子的精细结构测定精度高测定光谱范围宽：一台傅里叶红外光谱仪，只要相应的改变光源、分束 器、和检测器的配置，就可以得到整个红外取的光谱仪器结构复杂，价格昂贵用样量少，分析速度快，不破坏样品。应用范围广：从气体、液体到固体，从无机化合物到有机化合物，从高 分子到低分子都可用红外光谱法进行分析。特征性高：就像人的指纹一样，每一种化合物都有自己的特征红外光谱, 所以把红外光谱分析形象的称为物质分子的“指纹”分析。因此大大地扩展了红外光谱法的应用领域。红外光谱在化学领域中的应用：一是用于分子结构的基础研究，应用红外光谱可以测定分子的键长、键角， 以此推断出分子的立体构型；根据所得的力常数可以知道化学

7、键的强弱； 由简正 频率来计算热力学函数。二是用于化学组成的分析，红外光谱最广泛的应用在于对物质的化学组成进 行分析，用红外光谱法可以根据光谱中吸收峰的位置和形状来推断未知物结构， 依照特征吸收峰的强度来测定混合物中各组分的含量，它已成为现代结构化学、 分析化学最常用和不可缺少的工具。傅立叶变换红外吸收光谱仪（FI-IR ）组成:1）光源：能够发射高强度连续红外辐射的物质，通常采用惰性固体作光源 能斯特灯一由锆、钇、铈或钍的氧化物特点：发射强度大，尤其在高于1000cm-1的区域，稳定性较好；机械强 度较差，价格较贵硅碳棒一由碳化硅烧结而成特点：在低波数区发射较强，波数范围宽，400 4000

8、cm1;坚固、寿命长, 发光面积大用的较多2）吸收池玻璃、石英等对红外光均有吸收红外吸收池窗口，一般用一些盐类的单晶制作：如KBr或NaCI等（它们极易吸湿，吸湿后会引起吸收池窗口模糊。要求恒湿环境可测定固、液、气态样品气态：将气态样品注入抽成真空的气体样品池液态：液体样品可滴在可拆池两窗之间形成薄的液膜；一般将液体样品注入液体吸收池中固态：12mg固体样品+100200 mg KBr研磨混匀后 压成1mm厚的薄片用于测定红外光谱的样品有较高的纯度（98% ），样品中不应含有水分3）单色器单色器主要区别：用干涉计取代了单色器：迈克尔逊干涉仪迈克逊干涉计的作用：一一由光源发出的红外光分成两束光，

9、经动镜、定镜反射后到达检测器并产生干涉现象。单色器的作用是把通过样品池和参比池的复合光色散成单色光，再射到检测 器上加以检测光栅光栅单色器不仅对恒温恒湿要求不高，而且具有线性色散，分辨率咼和能量损失小等优点棱镜一一早期的红外光谱仪使用一些能透过红外光的无机盐如NaCI、KBr等晶体制作棱镜；易吸湿，需恒温、恒湿；近年来已被淘汰4）检测器检测器的作用是将照射在它上面的红外光变成电信号。红外区光子能量低，不能使用紫外可见吸收光谱仪上的 光电管或光电倍增管 常用的红外检测器有三种：真空热电偶、测辐射热计、热电检测器5）记录器由检测器产生的微弱电信号经 电子放大器 放大后，由记录笔自动记录下来 新型的

10、仪器配有微处理机以控制仪器操作、谱图检查等传统的茶叶鉴别方法是感官评定法和化学方法。感官评定的结果受人为因素和外 界环境的干扰很大，影响到结果的客观性；化学方法虽然能够准确地鉴别茶叶， 但是繁琐的步骤和昂贵的费用使它不能应用到茶叶的快速鉴别上。茶叶的主要成分 包括：茶多酚、蛋白质、咖啡碱、茶多糖 等。茶多酚（TP）是一类多酚类化合物的总称12，其中儿茶素类化合物占茶多酚总 量的65% -80%,它包括表没食子儿茶素（EGC）、表儿茶素（EC）、表没食子 儿茶素没食子酸酯（EGCG）及表儿茶素没食子酸酯（ECG）.。茶多糖（TPS）是一类与蛋白质结合的酸性多糖或酸性糖蛋白13咖啡碱是1,2, 3

11、-三甲基黄嘌呤（C8H1O2N4）.茶叶蛋白约占茶叶质量的15% -30%,其中游离氨基酸的主要成分为 茶氨酸,在上述物质中,含有大量一OH、一CH3、一CH2 、一 CHOH、C 0、phH、ph OH、C0、一 C 0C、一 N N 、N H、一 HN C 0 等各种官能 团，它们在中红外区有丰富的吸收峰，可以为茶叶识别提供可靠的光谱信 息.样品制备技术：1）试样的浓度和测试厚度应选择适当，以使光谱图中大多数吸收峰的透射比处 于1570%范围内。浓度太小，厚度太薄，会使一些弱的吸收峰和光谱的细 微部分不能显示出来；过大，过厚,又会使强的吸收峰超越标尺刻度而无法 确定它的真实位置。有时为了得

12、到完整的光谱图， 需要用几种不同浓度或厚 度的试样进行测绘。2）试样中不应含有游离水。水分的存在不仅会侵蚀吸收池的盐窗，而且水分本 身在红外区有吸收，将使测得的光谱图变形。3）试样应该是单一组分的纯物质。多组分试样在测定前应尽量预先进行组分分 离（如采用色谱法柱分离、蒸馏、重结晶、萃取法等），否则各组分光谱相 互重叠，以致对谱图无法进行正确的解释。固体样品制备：a溴化钾压片。粉末样品常采用压片法，一般取试样23mg样品与20030Omg干燥的KBr粉末在玛瑙研钵中混匀，充分研细至颗粒直径小于2卩m用不锈钢铲取7090mg放入压片模具内，在压片机上用27kpa压力压成透明薄 片，即可用于测定。开

13、机程序：见本子上根据红外光谱与分子结构的关系有可划分为：特征区和指纹区特征区:40001250cm 1范围包括：含氢原子的单键、各种叁键及双键的伸缩振动基频峰，还包括 部分含氢单键的面内弯曲振动的基频峰。特点：吸收峰稀疏、较强，易辨认指纹区:1250400cm-1的低频区包含CX（X : 0、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、难辨认一指纹图谱解析:掌握四先四后原则：先特征后指纹(40001300cm-1特征区，鉴定官能团)先强峰后弱峰先否定后肯定先粗查后细找解析图谱时的几点经验：(1) 查找基团时，先否定，以逐步缩小范围(2) 在解析特征 吸收峰时，要注意其它基团 吸收

14、峰的干扰 (3350和 1640cm-1处出现的吸收峰可能为样品中水的吸收)(3) 图中的吸收峰往往不可能全部解析，特别是指纹区(4) 掌握主要基团的特征吸收3000cmi1 是个界，不饱和 ch > 3000，饱和、：ch < 3000苯环C=C16501450 24个中强吸收峰。利用指纹区判断单、双、三取代5、与标准图谱对照解析完后，进行验证，不饱和度与计算值是否相符，性质与文献值是否一致， 与标准图谱进行验证为了更清楚地比较各样品给出的不同信息，将红外光谱分为5个区：I区(3400-2800 cm-1) : 3400 cm-1附近为缔合态一OH和一NH伸缩振动吸收峰, 290

15、0 cm-1、2800 cm-1附近为一CH的反对称与对称伸缩振动峰.U 区(1700-1500 cm-1):1700 cm-1附近为茶多酚、茶多糖蛋白质、茶蛋白 中C O伸缩振动吸收峰.1640 cm-1附近为蛋白质中肽键(CON)的酰胺I带14, 15,即C O伸 缩振动峰.1550-1510 cm-1为蛋白质肽键酰胺U带15,即:N H的变 形振动和C-N H基的C-N伸缩振动的偶合峰16.川区(1500-1200 cm-1):1450和1370 cm-1附近为C H变形振动吸收峰1300-1200 cm-1附近的谱带为酚类C- O以及咖啡碱和蛋白质中 C N伸 缩振动峰17.W区(12

16、00-1000 cm-1):为多糖的特征光谱区,1147 cm-1附近为C C C反对 称伸缩振动峰，1037 cm-1附近为C- O- C对称伸缩振动峰.V区(900-400 cm-1):谱带多而且弱,应该为形成氢键的C H面外弯曲、芳环 上c OH键面内弯曲振动、一c C的伸缩振动峰16, 17,准确指认有 困难,但是不同品质茶叶此部分光谱差别明显.红外吸收光谱基本原理：1、产生红外吸收的条件红外光谱是由于分子振动能级(同时伴随转动能级)跃迁而产生的，物质 吸收红外辐射应满足两个条件：(1) 辐射光具有的能量与发生振动跃迁时所需的能量相等；(2) 辐射与物质之间有偶合作用。分子固有振动频率

17、也就是它所能吸收的辐射光的频率。红外光谱区可分成 4 0001 300cm-1和1 300400cm-1两个区域。基团频率区 在4 0001 300cm-1之间，这一区域称为基团频率区、官能团区 或特征频率区。区内的峰是由伸缩振动产生的吸收带，常用于鉴定官能团。0 H,N H,C H,C= C,C 三 C,C = 0基团频率区又可分为三个区域：(i) 4 0002 500cm-1 为 OH、N H、C H 的伸缩振动区。(ii) 2 5001 900cm-1为叁键和累计双键区(iii) 1 9001 200cm-1为双键伸缩振动区。指纹区(i) 1 8001 000cm-1区域主要是CO、C

18、N等单键的伸缩振动吸收及 C C单键骨架的振动。(ii) 1 000650cm-1区域主要是CH的弯曲振动吸收。其吸收峰可用来确定 化合物的顺反构型或苯环的取代类型。烯烃的S =CH吸收谱带出现于1 000700cm-1芳香环的S =C H振动吸收在900650cm-1出现12个强度相当大的谱带， 它们的位置取决于苯环的取代类型定性分析红外光谱对有机化合物的定性分析具有鲜明的特征性。因为每一化合物都具有特征的红外吸收光谱，其谱带数目、位置、形状、和相对强度均随化合物及其 聚集态的不同而不同，因此根据化合物的光谱，就像辨认人的指纹一样，确定化 合物或其官能团是否存在。红外光谱定性分析，大致可分为

19、 官能团定性 和结构分析 两个方面。 官能团定性 是根据化合物的红外光谱的特征基团频率来检定物质含有哪些基团，从而确定有关化合物的类别结构分析或称结构剖析，则需要由化合物的红外光谱并结合其它实验资料 （如相对分子量、物理常数、紫外光谱、核磁共振波谱、质谱等）来推断有关化 合物的化学结构。应用红外光谱进行定性分析的一般过程：（1）试样的分离和精制试样不纯会给光谱解析带来困难，因此对混合试样要进行分离，对不纯试 样要进行提纯，以得到单一纯物质。试样分离、提纯通常采用分馏、萃取、重结 晶、柱层析、薄层层析等。（2）了解试样来源及性质了解试样来源、元素分析值、相对分子量、熔点、沸点、溶解度、等有关性

20、质。谱图解析：官能团区和指纹区特征区（官能团区）：40001300区域：是由伸缩振动产生的吸收带，为化 学键和基团的特征吸收峰，吸收峰较稀疏，鉴定基团存在的主要区域一一官能团区a化合物具有哪些官能团，第一强峰有可能估计出化合物类别；b、确定化合物是芳香族还是脂肪族，饱和烃还是不饱和烃，主要有C- H伸缩振动类型来判断。C-H伸缩振动多发生在3 1002 800cm-1之间，以3 000 cm-1为界，高于3 000 cm-1为不饱和烃，低于3 000 cm-1为饱和烃。芳香族化 合物的苯环骨架振动吸收在 1 620 1 470cm-1之间，若在1600 ± 20、1500±

21、 25 cm-1有吸收，确定化合物是芳香族。指纹区：1300650区域：吸收光谱较复杂，除单键的伸缩振动外，还有变 形振动。能反映分子结构的细微变化指纹区A、作为化合物含有什么基团的旁证，指纹区许多吸收峰都是特征区吸收峰 的相关峰。B、确定化合物的细微结构总的图谱解析可归纳为：先特征，后指纹：先最强峰，后次强峰；先粗杳， 后细找；先否定，后肯定。一抓一组相关峰。光谱解析先从特征区第一强峰入手， 确认可能的归属，然后找出与第一强峰相关的峰。第一强峰确认后，再依次解析 特征区第二强峰、第三强峰，方法同上。对于简单的光谱，一般解析一、两组相 关峰即可确定未知物的分子结构。对于复杂化合物的光谱由于官能

22、团的相互影 响，解析困难，可粗略解析后，查对标准光谱或进行综合光谱解析。波氏/pi0, 000. 10山20h J A0. 30(k 400.500®0.80 LOO2.004000500 iOOO 25002000 800UOO 1200 fofeo 800液数Am 1图出亠出2-戍酗的红外jfci皆A （' 一11枷網43出 H. i -t i出红外光谱仪分两种类型：色散型红外分光光度计（不讲）干涉型（傅立叶变换红外光谱仪）二、与紫外可见吸收光谱法的比较1相同点：都是分子吸收光谱，都反映分子结构的特性2. 不同点：所用光源与起源不同研究范围光谱的表示方式特点光谱的表示方式

23、紫外：用A表示吸收光的程度，波长为横坐标；紫外可见吸收光谱的特征用入max和k来描述不同点紫外可见吸收光谱红外吸收光谱光源紫外可见光红外光起源电子能级跃迁振动能级跃迁研究 范围不饱和有机化合物 共轭双键、芳香族等几乎所有有机化合物； 许多无机化合物特色反映发色团、助色团的情况反映各个基团的振动及转动特性红外光谱产生的条件：对称分子：没有偶极矩，辐射不能引起共振，无红外活性。如：N2、02、CI2 等。非对称分子：有偶极矩，红外活性。当分子发生振动能级跃迁的同时，必然伴随着转动能级的跃迁，由此而产 生的红外吸收光谱又称为振动-转动光谱。红外吸收光谱又称为分子振动一转动光谱（红外及拉曼光谱都是分子

24、振动光 谱，通过谱图解析可以获取分子结构的信息）。当样品受到频率连续变化的红外光照射时，分子吸收了某些频率的辐射， 并由其振动或转动运动引起偶极矩的净变化，产生分子振动和转动能级从基态 到激发态的跃迁，使相应于这些吸收区域的透射光强度减弱。记录红外光的百 分透射比与波数或波长关系的曲线，就得到红外光谱。特征峰与相关峰：凡是能鉴定某官能团的存在，又容易辨认的吸收峰称为特征峰。 由一个基团产生的一组相互依存而又相互佐证的特征峰称为相关峰。吸收峰的峰位：14（ 一）吸收峰的峰位VZaveninnbers, cnT500030(H)200Q10()F1 |,li r I"1 '|11

25、 1 I1"1'140() 120011001000 900800700100仃HC = 0C 0N 11Alnitc'hingEtw忱hi ngireUhingC HCNJNstretchingatretchingstretchingC = l'C C匕三Nstretchingstretch ingsirrlchhii;N 1be nd tugC - Hbundhigij. flk- 4806040H硝一ckll200 H上一内容I I. I I下一內睿1 I £4 回主目录I.i!岁凹屮囂1丄返回 LlLLlLlLLlI LJ_LJ_LlU-lJ

26、-Lm 02345678910111213 H 15Wavelength, pm二涉仪Li测聲tf基本原理：光源发出的辐射经干涉仪转变为干涉光， 通过试样后，包含的光信息需要经 过数学上的傅立叶变换解析成普通的谱图。未知物结构的确定解析红外谱图的一般原则1试样的纯化红外样品需纯度很高（98%以上），不含干扰测定物质。可利用各种分离手段如：分馏、萃取、重结晶、层析等提纯试样2. 了解工作了解样品来源、外观，根据样品存在的形态选择适当的制样方法； 观察样品的颜色和气味；注意样品的纯度以及样品的元素分析，相对分 子质量，熔点、沸点、溶解度、折光率等物理常数的测定结果一一缩小结构的推测范围3. 计算不

27、饱和度11由元素分析结果可求出化合物的经验式，由相对分子质量可求出 化学式，并求出不饱和度-，从门可推出化合物可能的范围一是否有 双键、三键及芳香环1 =1+n 4 +;n4、n3、n1分别为四价、三价及一价原子的数目通常规定：C=C、C=0、：?. =1 ；c三C、C三N、两个双键、一个双键一个环、两个环 ：1 =2；苯环:=4几种标准图谱集最常见的标准图谱有三种1. 萨特勒（Sadtler）标准红外 光谱集 美国 sadtler research laborationies编辑出版的。收集的图谱最多2. 分子光谱文献“DMS穿孔卡片英国和德国联合编制3. “AP红外光谱资料美国石油研究所（

28、API ）编制。主要是烃类化合物的光谱第三代红外光谱仪为傅里叶变换红外光谱仪器.国际上第一台红外光谱仪（红外分光光度计） 生产于1944年，其色散元件既单色器是由氯化钠（或溴化钾）晶体制成的三棱镜，故称这类仪器为棱镜分光红外光谱仪（第一代红外光谱仪）.由于晶体吸湿 原子内电予廣违井干內电子虞迁振动廣迁 转动幘迁原子核自转 _ 电子F转宾射线紫外可见红外近中远微波无线 电波射 频 区丄一 一* IS低频率V 能量-核磁共振h*1lm5 m电子能借一k*H200run400run竺振动红外BOOnm 2, 5 p. 50 |JL波长入* 长光波谱区及能量跃迁相关图2.5-25 fim茶叶的主要成分：包括茶多酚、蛋白质、咖啡碱、茶多糖等。茶多酚(TP)是一类多酚类化合物的总称，其中儿茶素类化合物占茶多酚总量 的65% -80%，它包括表没食子儿茶素(EGC)、表儿茶素(EC)、表没食子儿茶素 没食子酸酯(EGCG)及表儿茶素没食子酸酯(ECG)。茶多糖(TPS)是一类与蛋白质结合的酸性多糖或酸性糖蛋白，咖啡碱是 1, 2, 3-三甲