红外光谱和激光拉曼光谱分析学习教案

1、会计学1红外光谱红外光谱(gungp)和激光拉曼光谱和激光拉曼光谱(gungp)分析分析第一页，共73页。2红外拉曼红外拉曼1 概述概述 2 红外光区的划分红外光区的划分3 红外吸收产生的原理红外吸收产生的原理(yunl)4 红外分析方法红外分析方法5 5 典型红外图谱典型红外图谱第1页/共72页第二页，共73页。3红外拉曼红外拉曼 红外光谱属于分子振动光谱。 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，并使得(sh de)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长关系的曲线，即为红外光谱，所以又称之为红外吸收光谱。第2页/共72页第三页，共73页。4红外

2、拉曼红外拉曼 红外光谱英文为 Infrared Spectrometry (IR) 样品吸收红外辐射的主要(zhyo)原因是： 分子中的化学键 因此, IR可用于鉴别化合物中的化学键类型，可对分子结构进行推测。既适用于结晶质物质，也适用于非晶质物质。第3页/共72页第四页，共73页。5红外拉曼红外拉曼 红外光区介于可见光与微波之间，波长(bchng)范围约为0.76-1000m，为了便于描述，引入一个新的概念波数(wave number)。波数： ，波长(bchng)的倒数，每厘米的波长(bchng)个数， 单位 cm1 1/（cm） 104/ （m） 第4页/共72页第五页，共73页。6红外

3、拉曼红外拉曼近红外：0.762.5m，131584000cm-1 主要为OH，NH，CH的倍频吸收中红外：2.525m，4000400cm-1 主要为分子振动，伴随振动吸收远红外：251000m，40010cm-1 主要为分子的转动吸收 其中(qzhng)，中红外区是研究的最多、最深的区域，一般所说的红外光谱就是指中红外区的红外吸收光谱。第5页/共72页第六页，共73页。7红外拉曼红外拉曼红外光的能量： 与一般的电磁波一样，红外光亦具有波粒二像性：既是一种振动波，又是一种高速运动的粒子流。 其波长表示为波数的形式 1/（cm） 104/ （m） 所具有的能量为： Ehc/ hc 红外光所具有的

4、能量正好相当于分子（化学键）的不同能量状态之间的能量差异。因此才会发生(fshng)对红外光的吸收效应。第6页/共72页第七页，共73页。8红外拉曼红外拉曼第7页/共72页第八页，共73页。9红外拉曼红外拉曼 分子的振动(zhndng)所需的能量远大于分子的转动所需的能量，因此对应的红外吸收频率也有差异： 远红外区：波长长，能量低，对应分子 的转动吸收 中红外区：波长短，能量高，对应分子 的振动(zhndng)吸收 近红外区：能量更高，对应分子的倍频 吸收（从基态第二或第 三振动(zhndng)态）第8页/共72页第九页，共73页。10红外拉曼红外拉曼分子振动的类型A）伸缩振动 分子沿成键的键

5、轴方向(fngxing)振动，键的长度发生伸、缩变化。分对称伸缩s和不对称伸缩sa。第9页/共72页第十页，共73页。11红外拉曼红外拉曼 一些化学键的伸缩振动对应的红外波数 键 分子 波数 cm1 H-F HF 3958 H-Cl HCl 2885 H-Br HBr 2559 H-O H2O(结构水)（羟基） 3640 H-O H2O(结晶水) 3200-3250 C-C 单键(dn jin) 1195 双键 1685 三键 2070 第10页/共72页第十一页，共73页。12红外拉曼红外拉曼B）弯曲(wnq)振动亦称变形振动。记为。第11页/共72页第十二页，共73页。13红外拉曼红外拉曼

6、 一些化学键的弯曲振动(zhndng)对应的红外波数 键 波数 cm1 XOH 1200600 H2O 16501600 NO3 900800 CO3 900700 BO3 800600 SO4 680580 SiO4 560420第12页/共72页第十三页，共73页。14红外拉曼红外拉曼 红外吸收产生的条件：（A) 振动的频率与红外光波段的某频率相等。 即分子吸收了这一波段的光，可以把自身(zshn) 的能级从基态提高到某一激发态。 这是产生红外吸收的必要条件。第13页/共72页第十四页，共73页。15红外拉曼红外拉曼红外吸收产生的条件：（B）偶极矩的变化： 分子在振动过程中，由于键长和键角

7、的变化，而引起分子的偶极矩的变化，结果产生交变的电场，这个交变电场会与红外光的电磁辐射相互作用，从而产生红外吸收。 而多非极性的双原子(yunz)分子（H2,N2,O2)，虽然也会振动，但振动中没有偶极矩的变化，因此不产生交变电场，不会与红外光发生作用，不吸收红外辐射。称之为非红外活性。第14页/共72页第十五页，共73页。16红外拉曼红外拉曼红外辐射光源：a）能斯特灯：氧化(ynghu)锆、氧化(ynghu)钍、氧化(ynghu)钇的混和物 b）硅碳棒：由合成的SiC加压而成c）氧化(ynghu)铝棒：中间放置铂铑加热丝的氧化(ynghu)铝管棒辐射源在加热15002000k时，会发射出红外

8、辐射光。第15页/共72页第十六页，共73页。17红外拉曼红外拉曼从光源发射(fsh)的红外辐射，被均分为两路，一路通过标准参比物质（无明显红外吸收），一路通过试样。当两路光的某一波数到达检测器的强度有差异时，即说明试样吸收了某一波数的红外光。第16页/共72页第十七页，共73页。18红外拉曼红外拉曼第17页/共72页第十八页，共73页。19红外光谱(gungp)测定中的样品处理技术 1液体液体(yt)(yt)样品样品 固体固体(gt)(gt)样品样品 气体样品气体样品 气体池气体池 压片法压片法 调糊法调糊法(或重烃油法，或重烃油法，Nujol法法) 薄膜法薄膜法 ATR法、显微红外、法、显

9、微红外、DR、PAS、RAS液膜法液膜法 溶液法溶液法 水溶液测定水溶液测定 4 红外分析方法（红外分析方法（5）第18页/共72页第十九页，共73页。20用组合用组合(zh)(zh)窗板进行测定窗板进行测定 可通过可通过(tnggu)(tnggu)干涉条纹求吸收池厚度：干涉条纹求吸收池厚度：2112nNb右图右图红外光谱测定中的样品红外光谱测定中的样品(yngpn)处理处理技术技术 21 液液 膜膜 法法 第19页/共72页第二十页，共73页。21红外光谱红外光谱(gungp)测定中的样品处测定中的样品处理技术理技术 3 2 溶溶 液液 法法 用固定液池进行用固定液池进行(jnxng)(jn

10、xng)测定测定 溶剂溶剂(rngj)(rngj)选择选择易于溶解样品；易于溶解样品；非极性，不与样品形成氢键；非极性，不与样品形成氢键；溶剂的吸收不与样品吸收重合溶剂的吸收不与样品吸收重合图图第20页/共72页第二十一页，共73页。22红外光谱测定中的样品处理红外光谱测定中的样品处理(chl)技技术术 4第21页/共72页第二十二页，共73页。233 压压 片片 法法 4 调调 糊糊 法法 (或重烃油法，或重烃油法，Nujol法法) 5 薄薄 膜膜 法法 KBr (400cm-1 )NaCl (650 cm-1 )CsI (150 cm-1 ) 红外光谱测定中红外光谱测定中的样品处理的样品处

11、理(chl)技术技术 5 第22页/共72页第二十三页，共73页。24 红外光谱红外光谱(gungp)测定中的样品处测定中的样品处理技术理技术 6 气气 体体 池池 第23页/共72页第二十四页，共73页。25红外光谱测定红外光谱测定(cdng)中的样品处理中的样品处理技术技术 77 特殊特殊(tsh)红外测定技术红外测定技术 1) 全反射法全反射法 ATR (Attenuated Total Reflection)Analysis of elastic and viscous substances of insoluble, infusible, and or hard to crash n

12、aturesExamination of materials that are not amenable to the film analysis methodAnalysis of extremely thin films applies on the top surfacesSample in solution 第24页/共72页第二十五页，共73页。26dpI0()I()反射光反射光入射光入射光散射光散射光界面界面棱镜：棱镜：n1样品：样品：n2Sin n2n1全反射条件全反射条件例例Sin45 = 0.71 n22.38n2 1.7KRS-5 红外光谱(gungp)测定中的样品处理技术

13、 8 7 特殊特殊(tsh)红外测定技术红外测定技术 1) 全反射法全反射法 ATR7 特殊红外测定特殊红外测定(cdng)技术技术 第25页/共72页第二十六页，共73页。27入射光到达入射光到达(dod)(dod)深度深度 2122)/(sin2nndp红外光谱红外光谱(gungp)测定中的样品处测定中的样品处理技术理技术 9 7 特殊红外测定特殊红外测定(cdng)技术技术 1) 全反射法全反射法 ATR第26页/共72页第二十七页，共73页。28红外光谱测定中的样品处理红外光谱测定中的样品处理(chl)技术技术 10 7 特殊特殊(tsh)红外测定技术红外测定技术 2)反射反射(fns

14、h)吸收法吸收法 RAS(Reflection Absorption Spectroscopy) 样品表面、金属板上有机涂层薄膜的测定样品表面、金属板上有机涂层薄膜的测定 12d123n1n2n3透明介质透明介质（空气）（空气） 样品样品（薄膜）（薄膜） 基板基板Fresnel eq.dnnRRcossin4322310第27页/共72页第二十八页，共73页。2901.00.5R波数波数反射率反射率 红外光谱测定红外光谱测定(cdng)中的样品处中的样品处理技术理技术 11 7 特殊特殊(tsh)红外测定技术红外测定技术 2)反射反射(fnsh)吸收法吸收法 反射率变化反射率变化 及吸光系数及

15、吸光系数 的定义的定义 R0RRRR 000RRR 第28页/共72页第二十九页，共73页。30红外光谱测定中的样品(yngpn)处理技术 127 特殊特殊(tsh)红外测定技术红外测定技术 3)扩散扩散(kusn)反射法反射法 DR (Diffuse Reflectance)SKf2)1 ()(2Kubelka-Munk函数函数 标准样品相对反射率相对反射率 样品吸收较弱时，样品吸收较弱时，CkCf)(第29页/共72页第三十页，共73页。310I窗口窗口变频变频红外光红外光光光热热样样品品气气体体界面层界面层微音器微音器前置前置放大放大器器光声信号光声信号glg2sllblblllggls

16、样品支撑台厚样品支撑台厚光吸收长度光吸收长度样品厚样品厚气体热扩散长气体热扩散长气体层厚气体层厚样品热扩散长样品热扩散长7 特殊红外测定特殊红外测定(cdng)技术技术 4) 光声光谱法光声光谱法 PAS(Photoacoustic Spectroscopy) 主要用于固体(gt)样品的测定红外光谱测定中的样品红外光谱测定中的样品(yngpn)处理技术处理技术 13第30页/共72页第三十一页，共73页。32PAS Application强吸收强吸收(xshu)(xshu)、高分散的样品。如深色催化剂、高分散的样品。如深色催化剂、 煤及人发等。煤及人发等。 橡胶橡胶(xingjio)(xing

17、jio)、高聚物等难以制样、高聚物等难以制样的样品。的样品。 不允许不允许(ynx)(ynx)加工处理的样品。如古物表加工处理的样品。如古物表层等。层等。 7 特殊红外测定技术特殊红外测定技术 4) 光声光谱法光声光谱法 PAS 红外光谱测定中的样品处理技术红外光谱测定中的样品处理技术 13 第31页/共72页第三十二页，共73页。337 特殊特殊(tsh)红外测定技术红外测定技术 5)显微显微(xin wi)红外法红外法 Infrared microscopy 红外光谱测定中的样品处理红外光谱测定中的样品处理(chl)技技术术 14用途用途材料中的微小异物、缺陷测定材料中的微小异物、缺陷测定

18、多层薄膜组成分析多层薄膜组成分析生物组织特定部位测定生物组织特定部位测定材料均一性分析（二维可动台上）材料均一性分析（二维可动台上）第32页/共72页第三十三页，共73页。34红外拉曼红外拉曼样品的制备： a）粉末法样品：样品研磨成2微米左右，使之悬浮于容易挥发的液体中，把含有试样(sh yn)的悬浮液涂成层状，待溶剂挥发后，即形成薄层状的样品。第33页/共72页第三十四页，共73页。35红外拉曼红外拉曼样品的制备：b）压片法 （固体样品最常用的制样方法）称量样品0.3-3mg，与约200mg的KBr共同研磨，并混和均匀，用15MPa的压力压成片状。（KBr从4000250cm1都是透明(tu

19、mng)的，即不产生红外吸收）第34页/共72页第三十五页，共73页。36红外拉曼红外拉曼3500 cm-1： O-H stretching vibrations. 1600 cm-1 ：O-H bending vibration band.1100 cm-1：Si-O-Si fundamental vibration.第35页/共72页第三十六页，共73页。37红外拉曼红外拉曼1己烯第36页/共72页第三十七页，共73页。38红外拉曼红外拉曼第37页/共72页第三十八页，共73页。39红外拉曼红外拉曼1 原始(yunsh)珍珠岩2改性珍珠岩填料3人工混匀的珍珠岩第38页/共72页第三十九页，

20、共73页。40红外拉曼红外拉曼1人工(rngng)混匀样清洗2次2改性样清洗2次3改性样清洗多次第39页/共72页第四十页，共73页。41不同温度下MZ01产品(chnpn)的FTIR特征（my蒙脱石；mz01室温下；mz01s加温500）第40页/共72页第四十一页，共73页。42FTIR spectra of the Zr/Alpillared montmorillonite at room temperature(part is magnified in pane) 第41页/共72页第四十二页，共73页。43红外拉曼红外拉曼 化学键 伸缩(shn su) 弯曲X-0H 3700-350

21、0 1200-600H2O 3600-3000 1650-1600NO3 1420-1350 900-800CO3 1500-1340 900-700BO3 1500-1200 800-600SO4 1200-1010 680-580SiO4 1100-800 560-420第42页/共72页第四十三页，共73页。44红外拉曼红外拉曼 化学键 伸缩(shn su) 弯曲-CH3 as 2960 as 1450 s 2872 s 1375-CH- as 2926 as 785 s 2853 s 1465第43页/共72页第四十四页，共73页。45第44页/共72页第四十五页，共73页。46第45

22、页/共72页第四十六页，共73页。47第46页/共72页第四十七页，共73页。48第47页/共72页第四十八页，共73页。49第48页/共72页第四十九页，共73页。50第49页/共72页第五十页，共73页。51第50页/共72页第五十一页，共73页。52红外拉曼红外拉曼1 概述(i sh)2 拉曼效应3 拉曼光谱仪4 拉曼光谱图5 红外与拉曼比较第51页/共72页第五十二页，共73页。53红外拉曼红外拉曼 1800年，英国科学家W. Herschel 在测色温时(即波长越长，所具有的温度越高)，发现了红外光，InfraRed。 由于存在红外非活性的问题，因此人们又继续研究探索，在1928年的

23、时候(sh hou)，由印度科学家V. C. Raman发现了拉曼效应，并获得1930年度Nobel物理奖。第52页/共72页第五十三页，共73页。54红外拉曼红外拉曼 1）瑞利散射 一个频率为 的单色光（一般为可见光），当不被物体吸收时，大部分将保持原来的方向穿过物体，但大约有1/1051/103的光被散射到各个方向。并且在与入射光垂直的方向，可以看到这种散射光。1871年科学家Rayleigh发现了这种现象，因此称之为瑞利散射。该种散射为弹性碰撞，光的频率不变。 波长较短的光，其瑞利散射强一些。这也是天空(tinkng)呈现蓝色的原因(日光中蓝光的瑞利散射是红光强度的10倍)。第53页/共

24、72页第五十四页，共73页。55红外拉曼红外拉曼 2）拉曼散射 当单色光照射在样品上，发生瑞利散射的同时(tngsh)，总发现有1左右的散射光频率与入射光不同。把这种效应命名为拉曼效应，（喇曼效应）。第54页/共72页第五十五页，共73页。56红外拉曼红外拉曼 拉曼散射拉曼散射(snsh)与入射光的与入射光的波数无关，只与物质本身的分子波数无关，只与物质本身的分子结构所固有的振动和转动能级结结构所固有的振动和转动能级结构有关（与红外光谱中所讲的分构有关（与红外光谱中所讲的分子的能级一致，但红外光谱反映子的能级一致，但红外光谱反映的是这些能级的转变对入射光的的是这些能级的转变对入射光的吸收效应，

25、而拉曼光谱则反映的吸收效应，而拉曼光谱则反映的是发射光谱效应）。因此拉曼技是发射光谱效应）。因此拉曼技术检测分子可用于鉴别物质的种术检测分子可用于鉴别物质的种类。类。 第55页/共72页第五十六页，共73页。57红外拉曼红外拉曼若入射光的波数为0，则拉曼散射(snsh)的0i 。又称之为拉曼位移。E1为分子的基态(j ti)；E2为除基态(j ti)以外的某一能级（如某一振动态）E3和E3为该分子的受激虚态之能级。第56页/共72页第五十七页，共73页。58红外拉曼红外拉曼1）处于基态E1的分子受入射光子h0的激发，跃迁到受激虚态E3，而后又回到基态E1。或者E2的分子激发到E3，很快又回到E

26、2，这两种情况下，能量都没有(mi yu)改变，这种弹性碰撞称之为瑞利散射，散射光的波数等于入射光的波数。第57页/共72页第五十八页，共73页。59红外拉曼红外拉曼2）处于基态(j ti)E1的分子受激发，跃迁到受激虚态E3，而后又回到基态(j ti)E2（而非E1）。分子的能量损失了E2E1h。这种非弹性碰撞称之为斯托克斯散射（Stokes）。 散射波的波数等于0-第58页/共72页第五十九页，共73页。60红外拉曼红外拉曼3）处于E2的分子受激发，跃迁(yuqin)到受激虚态E3，而后又回到E1。分子的能量增加了E2E1h。这种非弹性碰撞称之为反斯托克斯散射（AntiStokes）。 散射波的波数等于0第59页/共72页第六十页，共73页。61红外拉曼红外拉曼 斯托克斯散射和反斯托克斯散散统称为拉曼散射。实际上，反斯托克斯散射的强度比较大，因此在拉曼光谱测定(cdng)上习惯采用反斯托克斯散射。第60页/共72页第六十一页，共73页。62红外拉曼红外拉曼 图中的E2 为除基态以外的某一能级，可以是分子的任何一个转动能级或者振动能级，因此分子