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通常將紅外光譜分為三個(gè)區(qū)域:近紅外區(qū)(0.75~2.5μm)、中紅外區(qū)(2.5~25μm)和遠(yuǎn)紅外區(qū)(25~300μm)。一般說(shuō)來(lái),近紅外光譜是由分子的倍頻、合頻產(chǎn)生的;中紅外光譜屬于分子的基頻振動(dòng)光譜;遠(yuǎn)紅外光譜則屬于分子的轉(zhuǎn)動(dòng)光譜和某些基團(tuán)的振動(dòng)光譜。
由于絕大多數(shù)有機(jī)物和無(wú)機(jī)物的基頻吸收帶都出現(xiàn)在中紅外區(qū),因此中
近紅外光譜儀
紅外區(qū)是研究和應(yīng)用zui多的區(qū)域,積累的資料也zui多,儀器技術(shù)zui為成熟。通常所說(shuō)的紅外光譜即指中紅外光譜。
2. 紅外譜圖的分區(qū)
按吸收峰的來(lái)源,可以將2.5~25μm的紅外光譜圖大體上分為特征頻率區(qū)(2.5~7.7μm)以及指紋區(qū)(7.7~16.7μm)兩個(gè)區(qū)域。
其中特征頻率區(qū)中的吸收峰基本是由基團(tuán)的伸縮振動(dòng)產(chǎn)生,數(shù)目不是很多,但具有很強(qiáng)的特征性,因此在基團(tuán)鑒定工作上很有價(jià)值,主要用于鑒定官能團(tuán)。如羰基,不論是在酮、酸、酯或酰胺等類化合物中,其伸縮振動(dòng)總是在5.9μm左右出現(xiàn)一個(gè)強(qiáng)吸收峰,如譜圖中5.9μm左右有一個(gè)強(qiáng)吸收峰,則大致可以斷定分子中有羰基。
指紋區(qū)的情況不同,該區(qū)峰多而復(fù)雜,沒有強(qiáng)的特征性,主要是由一些單鍵C-O、C-N和C-X(鹵素原子)等的伸縮振動(dòng)及C-H、O-H等含氫基團(tuán)的彎曲振動(dòng)以及C-C骨架振動(dòng)產(chǎn)生。當(dāng)分子結(jié)構(gòu)稍有不同時(shí),該區(qū)的吸收就有細(xì)微的差異。這種情況就像每個(gè)人都有不同的指紋一樣,因而稱為指紋區(qū)。指紋區(qū)對(duì)于區(qū)別結(jié)構(gòu)類似的化合物很有幫助。
紅外光譜可分為發(fā)射光譜和吸收光譜兩類。
物體的紅外發(fā)射光譜主要決定于物體的溫度和化學(xué)組成,由于測(cè)試比較困難,紅外發(fā)射光譜只是一種正在發(fā)展的新的實(shí)驗(yàn)技術(shù),如激光誘導(dǎo)熒光。將一束不同波長(zhǎng)的紅外射線照射到物質(zhì)的分子上,某些特定波長(zhǎng)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
紅外光譜
其組成和結(jié)構(gòu)決定的*的紅外吸收光譜,它是一種分子光譜。
例如水分子有較寬的吸收峰,所以分子的紅外吸收光譜屬于帶狀光譜。原子也有紅外發(fā)射和吸收光譜,但都是線狀光譜。
紅外吸收光譜是由分子不停地作振動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生的,分子振動(dòng)是指分子中各原子在平衡位置附近作相對(duì)運(yùn)動(dòng),多原子分子可組成多種振動(dòng)圖形。當(dāng)分子中各原子以同一頻率、同一相位在平衡位置附近作簡(jiǎn)諧振動(dòng)時(shí),這種振動(dòng)方式稱簡(jiǎn)正振動(dòng)。
含n個(gè)原子的分子應(yīng)有3n-6個(gè)簡(jiǎn)正振動(dòng)方式;如果是線性分子,只有3n-5個(gè)簡(jiǎn)正振動(dòng)方式。以非線性三原子分子為例,它的簡(jiǎn)正振動(dòng)方式只有三種。在v1和v3振動(dòng)中,只是化學(xué)鍵的伸長(zhǎng)和縮短,稱為伸縮振動(dòng),而v2的振動(dòng)方式改變了分子中化學(xué)鍵間的夾角稱為變角振動(dòng),它們是分子振動(dòng)的主要方式。分子振動(dòng)的能量與紅外射線的光量子能量正好對(duì)應(yīng),因此,當(dāng)分子的振動(dòng)狀態(tài)改變時(shí),就可以發(fā)射紅外光譜,也可以因紅外輻射激發(fā)分子的振動(dòng),而產(chǎn)生紅外吸收光譜。
原子發(fā)射光譜比較杰出的代表是德國(guó)斯派克光譜儀和德國(guó)布魯克光譜儀,美國(guó)熱電光譜分析儀,日本島津直讀光譜儀等廠家。國(guó)內(nèi)有北京納克直讀光譜儀,煙臺(tái)東方光譜分析儀
1. 棱鏡和光柵光譜儀
屬于色散型光譜儀,它的單色器為棱鏡或光柵,屬單通道測(cè)量,即每次只測(cè)量一個(gè)窄波段的光譜元。轉(zhuǎn)動(dòng)棱鏡或光柵,逐點(diǎn)改變其方位后,可測(cè)得光源的光譜分布。
隨著信息技術(shù)和電子計(jì)算機(jī)的發(fā)展,出現(xiàn)了以多通道測(cè)量為特點(diǎn)的新
光柵光譜儀
型紅外光譜儀,即在一次測(cè)量中,探測(cè)器就可同時(shí)測(cè)出光源中各個(gè)光譜元的信息,例如,在哈德曼變換光譜儀中就是在光柵光譜儀的基礎(chǔ)上用編碼模板代替入射或出射狹縫,然后用計(jì)算機(jī)處理探測(cè)器所測(cè)得的信號(hào)。與光柵光譜儀相比,哈德曼變換光譜儀的信噪比要高些。
2. 傅里葉變換紅外光譜儀
它是非色散型的,核心部分是一臺(tái)雙光束干涉儀(圖4中虛線框內(nèi)所示),常用的是邁克耳孫干涉儀。當(dāng)動(dòng)鏡移動(dòng)時(shí),經(jīng)過(guò)干涉儀的兩束相干光間的光程差就改變,探測(cè)器所測(cè)得的光強(qiáng)也隨之變化,從而得到干涉圖。經(jīng)過(guò)傅里葉變換的數(shù)學(xué)運(yùn)算后,就可得到入射光的光譜B(v):
式中I(x)為干涉信號(hào);v為波數(shù);x為兩束光的光程差。
傅里葉變換光譜儀的主要優(yōu)點(diǎn)是:
傅里葉變換紅外光譜儀
①多通道測(cè)量使信噪比提高;
②沒有入射和出射狹縫限制,因而光通量高,提高了儀器的靈敏度;
③以氦、氖激光波長(zhǎng)為標(biāo)準(zhǔn),波數(shù)值的度可達(dá)0.01厘米;
④增加動(dòng)鏡移動(dòng)距離就可使分辨本領(lǐng)提高;
⑤工作波段可從可見區(qū)延伸到毫米區(qū),使遠(yuǎn)紅外光譜的測(cè)定得以實(shí)
傅里葉變換紅外光譜儀
現(xiàn)。
上述各種紅外光譜儀既可測(cè)量發(fā)射光譜,又可測(cè)量吸收或反射光譜。當(dāng)測(cè)量發(fā)射光譜時(shí),以樣品本身為光源;測(cè)量吸收或反射光譜時(shí),用鹵鎢燈、能斯脫燈、硅碳棒、高壓汞燈(用于遠(yuǎn)紅外區(qū))為光源。所用探測(cè)器主要有熱探測(cè)器和光電探測(cè)器,前者有高萊池、熱電偶、硫酸三甘肽、氘化硫酸三甘肽等;后者有碲鎘汞、硫化鉛、銻化銦等。常用的窗片材料有氯化鈉、溴化鉀、氟化鋇、氟化鋰、氟化鈣,它們適用于近、中紅外區(qū)。在遠(yuǎn)紅外區(qū)可用聚乙烯片或聚酯薄膜。此外,還常用金屬鍍膜反射鏡代替透鏡。
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