红外光谱仪的应用

红外光谱仪的应用

(陕西科技大学 材料科学与工程学院 西安 任莹莹710021)

摘要：傅里叶转换红外光谱 (FTIR)是一种用来获得吸收，射出光电导性或固体，液体或气体的拉曼散射的仪器。本文将从红外光谱仪的使用原理，样品制备，结果分析等几个方面对红外光谱仪进行介绍。

关键字：FTIR，原理，样品制备，结果分析

The Application of Infrared Spectrometer

(School of Materials Science and Engineering, Shaanxi University of Science and Technology,

Xi’an Ren yingying 710021)

Abstract: Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR) is a kind of instrument, which is used to get absorbed, penetrate photoconductivity or solid, liquid or gas Raman scattering. This article from the principle of the use of infrared spectrometer, sample preparation, the analysis of several aspects, such as the infrared spectrometer is introduced.

Key words: FTIR, principle, sample preparation, analysis of the results

一、 原理

红外线是波长介于可见光和微波之间的一段电磁波。红外光又可依据波长范围分成近红外、中红外和远红外三个波区，其中中红外区（2.5—5μm；4000—400cm-1）能很好地反映分子内部所进行的各种物理过程以及分子结构方面的特征，对解决分子结构和化学组成中的各种问题最为有效，因而中红外区是红外光谱中应用最广的区域，一般所说的红外光谱大都是指这一范围。

红外光谱法实质上是一种根据分子内部原子间的相对振动和分子转动等信息来确定物质分子结构和鉴别化合物的分析方法。当一束具有连续波长的红外光通过物质，物质分子中某个基团的振动频率和红外光的频率一样时，分子就吸收能量由原来的基态振动能级跃迁到能量较高的振动能级，分子吸收红外辐射后发生振动和转动能级的跃迁，该处波长的光就被物质吸收。将分子吸收红外光的情况用仪器记录下来，就得到红外光谱图。红外光谱图通常用波长(λ)或波数(σ)为横坐标，表示吸收峰的位置，用透光率(T%)或者吸光度(A)为纵坐标，表示吸收强度。如图1，辛烷的红外光谱图，纵坐标为透过率，横坐标为波长λ(μm )或波数(cm-1)。

图1 辛烷的红外光谱图

红外光谱作为“分子的指纹”广泛的用于分子结构和物质化学组成的研究。 电磁波能量与分子两能级差相等为物质产生红外吸收光谱必须满足条件之一，这决定了吸收峰出现的位置。当外界电磁波照射分子时，如照射的电磁波的能量与分子的两能级差相等，该频率的电磁波就被该分子吸收，从而引起分子对应能级的跃迁，宏观表现为透射光强度变小。

组成分子的各种基团都有自己特定的红外特征吸收峰。不同化合物中，同一种官能团的吸收振动总是出现在一个窄的波数范围内，但它不是出现在一个固定波数上，具体出现在哪一波数，与基团在分子中所处的环境有关。引起基团频率位移的因素是多方面的，其中外部因素主要是分子所处的物理状态和化学环境，如温度效应和溶剂效应等。对于导致基团频率位移的内部因素，迄今已知的有分子中取代基的电性效应，如诱导效应、共轭效应、中介效应、偶极场效应等；机械效应，如质量效应、张力引起的键角效应、振动之间的耦合效应等。这些问题虽然已有不少研究报道，并有较为系统的论述，但是，若想按照某种效应的结果来定量地预测有关基团频率位移的方向和大小，却往往难以做到，因为这些效应大都不是单一出现的。这样，在进行不同分子间的比较时就很困难。

另外氢键效应和配位效应也会导致基团频率位移，如果发生在分子间，则属于外部因素，若发生在分子内，则属于分子内部因素。

红外谱带的强度是一个振动跃迁概率的量度，而跃迁概率与分子振动时偶极矩的变化大小有关，偶极矩变化愈大，谱带强度愈大。偶极矩的变化与基团本身固有的偶极矩有关，故基团极性越强，振动时偶极矩变化越大，吸收谱带越强；分子的对称性越高，振动时偶极矩变化越小，吸收谱带越弱。

二、

样品的制备

1.气体样品的制备

对气体样品，可将它直接充入已抽成真空的样品池内，常用样品池长度约在10cm以上，对衡量分析来说，采用多次反射使光程折叠，从而使光束通过样品池全长的次数达数十次。

2.液体样品制备

液样的制备是将少量样品涂于两片红外透明的盐片(KBr或NaCl等)之间。盐片的相互挤压形成一个样品薄层，样品的成份决定了选择哪种盐片。对于无水的样品，盐片选择是

KBr；对于含水的样品，KRS-5较为合适。这几种晶体材料的选用主要是根据它们在红外段的透光范围(优于4000－450cm-1)和稳定性。每次一个样品做好后，用浸蘸合适溶剂的棉花清洗，然后在倒有甲醇的鹿皮或鸡皮上抛光。KBr盐片需要经常进行抛光，以维持其表面的光洁。由于KRS-5晶体有毒，所有只有当其表面被划伤或污染时才需要抛光，而且要求专业人员来完成。

3.固体样品的制备

固体样品包括粉末、薄膜、块状、颗粒、板材。

3.1粉末样品：包括自然粉末和可以制成粉末的各种固体样品(如剪碎后的纤维、由块状样品上刮下来的粉末等)。

3.1.1压片法：常规透射光谱法，以KBr压片为主。

优点：适用范围广、简便易行，是红外测试的基本方法。 缺点：①在空气中极易吸潮的样品不能采用KBr 压片法；

②KBr粉末在研磨过程中容易吸水，在3400cm-1和1640cm-1附近出现水 的吸收带，扰样品中结晶水、羟基和氨基的测定。

③不适合无机和配位化合物样品，因为其与KBr研磨过程中，施加压力

会导致离子交换，样品的晶型也可能改变，使样品的谱带发生位移和变形，严重时会向低频移十几个波数。

3.1.2 糊状法：常规透射光谱法，将待测样品与糊剂（石蜡油或氟油）一起研磨后涂于KBr晶片上测试。

①石蜡油研磨法的优缺点：

优点：可以克服KBr压片法的缺点；制样快速简便，对光谱的影响小； 缺点：在3000~2800cm-1和1461cm-1、1377cm-1、722cm-1左右的碳氢吸收峰会干扰样品测定；样品用量较多，至少几毫克。

②氟油研磨法的优缺点：

优点：氟油法和石蜡油法可以互补。氟油1300cm-1以上没有吸收谱带，而石蜡油在1300cm-1以下没有吸收谱带（除了在722 cm-1有弱的吸收峰外）。

缺点：碳氟振动吸收峰出现在1300cm-1以下且谱带非常强，氟油研磨法制备样品不能观察到1300~400cm-1区间样品的光谱；

3.2膜样品：包括用溶液法、热压法等方法制得的各种厚度和透明度薄膜，以及利用静电纺制的纳米纤维膜。

3.2.1薄膜透射法：一般要求薄膜厚度≤0.05mm，深色薄膜厚度<0.01mm，且透明样品。 3.2.2衰减全反射法（HATR, OMNI采样器）适合厚度大于0.05mm的膜；或样品有较深颜色且（或）透明度低的样品。HATR适用于较软的样品；OMNI采样器适用于脆硬、微小的样品，以及强吸收、失透的样品，或者表面不平整的样品（如O型胶圈、纤维以及聚合物粒子等）。

4.我的课题样品制备

我的课题是用聚苯胺负载改性Ti3C2，样品是黑色粉末。采用的是压片法，这种方法的优点是干扰小，容易控制样品浓度，定量结果准确，而且容易保存样品。为了成功地测试固体样品，必须注意以下两点：仔细研磨样品，使粉末颗粒足够小。试样颗粒必须均匀分散，且没有水分存在[1]。制样前，用脱脂棉蘸无水乙醇后擦研钵，仪器和药匙；制样时，将样品与KBr以1:100的比例混合放在研钵中研磨，使样品与KBr混合均匀，然后将混合后的样品放进压片机中压制成片。最后将片放进红外光谱仪中进行测试。 三．傅里叶红外光谱仪的应用

3.1 在临床医学和药学方面的应用

鉴于每个化合物都有自己独特的红外光谱，除特殊情况外，目前尚未发现，两种不同的化合物具有相同的红外光谱，所以红外光谱为药品质量的监测提供了快速准确的方法。

如药材天麻、阿胶、西药红霉素、环磷酰胺的监测和抗肝炎药联笨双酯同质异晶体的研究。

傅立叶变换红外光谱仪在临床疾病检测方面也有广泛的应用，如利用红外光谱法对冠心病、动脉硬化、糖尿病、癌症的检测。红外光谱法测定蛋白质基体中的葡萄糖含量。以及FT-Raman光谱在700～1900cm-1处的差异，对胃、牙齿、血管、肝等人体组织的研究可用于体内诊断。

3.2 在化学、化工方面的应用

在该方面的应用又可分为表面化学、催化化学和石油化学方面的应用。

比如，我的研究课题，可以通过红外光谱仪分析聚苯胺是否成功负载在Ti3C2层间。如图2，a,b,c,d,e分别为Ti3C2、Ti3C2/PANI-2、Ti3C2/PANI-3、Ti3C2/PANI-4和Ti3C2/PANI-5的FTIR图像。

如图2为Ti3C2的FTIR图像，图谱中3424cm-1为羟基的伸缩振动峰，1727cm-1为羰基伸缩振动峰，表明制备的Ti3C2二维片层表面的含氧官能团为羟基和羰基。图3表示(a)Ti3C2、(b)Ti3C2/PANI-2、(c)Ti3C2/PANI-3、(d)Ti3C2/PANI-4和(e)Ti3C2/PANI-5的FTIR图像。如图b、c、d、e所示，图谱中1575 cm-1、1490 cm-1、1307 cm-1和800 cm-1处的吸收峰分别为 C=N、C=C、C-N和C-H的振动峰，其为PANI的特征峰，进一步表明Ti3C2与聚苯胺通过低温氧化反应成功制备了Ti3C2/聚苯胺复合材料。采用相同的制备方法，当反应体系中分别加入Ti3C2的量为0.1 g、0.2 g、0.4 g和0.6 g时所制备的Ti3C2/聚苯胺复合材料分别标记为Ti3C2/PANI-2，Ti3C2/PANI-3，Ti3C2/PANI-4，Ti3C2/PANI-5。

[2]

图2 Ti3C2的红外光谱图 图3 3.3 在环境分析中的应用

[3]

傅立叶变换红外联用技术测定水中的污染物结合了毛细管气相色谱的高分辨能力和傅立叶变换红外光谱快速扫描的特点对GC- MS不能鉴别的异构体，供了完整的分子结构信息，有利于化合物官能团的判定。应用傅立叶变换红外法可以定量分析气态烃类混和物, 对于测定水中的石油烃类, 非色散红外法已成为我国环境监测的标准方法。[4]

3.4 在半导体和超导材料等方面的应用

在此方面的应用主要有分析铀原子与CO和CO2反应产物的基体红外光谱, 研究了铀-钍-镍-锡变性锰铝铜强磁性合金的远红外性质。分析C60填料笼形包含物的红外和拉曼光谱。

用反射傅立叶变换红外显微光谱法测定有机富油页岩中海藻化石。此外，立叶变换红外光谱仪在其传统领域——物质结构分析、热力学状态分析、热/动力学过程分析与表征也有着不同程度的进展。

由于傅立叶变换红外光谱仪应用的广泛性，得到了许多科技工作者以及各国厂家的关注及推崇。近年来他们对其光源、干涉仪、检测器及数据处理等各系统进行了大量的研究和改进，使之日趋完善。如仪器精密度的提高，红外光谱仪在分辨率和扫描速度等方面达到了很高的指标。红外光谱仪的调整、控制、测试及结果的分析大部分由计算机完成。虽然相对于之前的红外光谱仪而言，傅立叶红外变换红外光谱仪有了很大的提高。但其本身也存在不少的缺陷:

⑴样品制作比较麻烦，并且会破坏样品原本形态或表面污染。因此就不能应用在一些如对珠宝，钻石，纸币，邮票，笔迹等的真伪鉴定上了。

解决办法:针对这些缺陷，漫反射傅立叶变换红外光谱技术和衰减全反射傅立叶变换红外光谱技术很好的解决了这一问题。

⑵红外光谱的定性分析时要将测得的图谱与已知样品图谱或标准图谱进行对比，而同一化合物在不同状态，不同溶剂中都会显出不同的光谱，此外，浓度、温度、样品纯度、仪器的分辨率等因素对分析结果也有影响。因此红外光谱的解析十分的复杂，并且工作量十分的大。

四、总结

现在人们开始研究一种称之为辅助红外光谱解析的方法，这是一种人工智能技术，它能根据未知物图谱中吸收带的特征频率、强度及形状等信息，利用计算机进行演绎推理，完成对未知物官能团的分析。目前仍处于研究阶段。相信不久的将来，会开发出在解析化学结构方面具有完善功能的计算机人工智能系统。

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参考文献

[1]方惠群,于俊生,史坚仪器分析[M].北京:科学出版社,2002.350-355.

[2]王绪明.近年来红外光谱在临床医学中的应用新进展[J].现代仪器, 2007, (1).

[3]徐维并1GC-FTIR联用技术测定水中有机污染物[J].光谱学与光谱分析.1994, 14 (1) . [4]国家环保总局.水和废水监测分析方法(第四版) [M].北京:中国环境科学出版社, 2002. [5]李生华.应用红外光谱学的进展[J] .国外分析仪器技术与应用, 1996, (4).