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紅外光譜儀及常見(jiàn)問(wèn)題解析
紅外光譜儀（infrared spectrometer）是利用物質(zhì)對(duì)不同波長(zhǎng)的紅外輻射的吸收特性，進(jìn)行分子結(jié)構(gòu)和化學(xué)組成分析的儀器。紅外光譜儀通常由光源，單色器，探測(cè)器和計(jì)算機(jī)處理信息系統(tǒng)組成。根據(jù)分光裝置的不同，分為色散型和干涉型。由于色散型很少使用，目前廣泛使用的是干涉型的傅里葉變換紅外光譜儀，本文以干涉型的介紹為主。
原理及特點(diǎn)
紅外光譜儀（FTIR）被稱為三代紅外光譜儀，利用麥克爾遜干涉儀將兩束光程差按一定速度變化的復(fù)色紅外光相互干涉，形成干涉光，再與樣品作用。探測(cè)器將得到的干涉信號(hào)送入計(jì)算機(jī)進(jìn)行變換的數(shù)學(xué)處理，把干涉圖還原成光譜圖。
▍這種儀器的優(yōu)勢(shì)：
1、多通道測(cè)量，使信噪比提高。
2、光通量高，提高了儀器的靈敏度。
3、波數(shù)值精確度可達(dá)0.01cm-1。
4、增加動(dòng)鏡的移動(dòng)距離，可使分辨本領(lǐng)提高。
5、工作波段可從可見(jiàn)光區(qū)延伸到毫米區(qū)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)紅外光譜的測(cè)定。
6、掃描速率快，分辨率高，穩(wěn)定的可重復(fù)性。
材料分析表征中的應(yīng)用
紅外光譜分析可用于研究分子的結(jié)構(gòu)和化學(xué)鍵，也可以作為表征和鑒別化學(xué)物種的方法。紅外光譜具有高度特征性，可以采用與標(biāo)準(zhǔn)化合物的紅外光譜對(duì)比的方法來(lái)做分析鑒定。[ZC4] 之所以能測(cè)試樣品的這些性能，是因?yàn)榧t外光譜分析法是根據(jù)不同物質(zhì)會(huì)選擇性吸收紅外光區(qū)的電磁輻射來(lái)進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析、對(duì)各種吸收紅外光的化合物進(jìn)行定量和定性分析的一種方法。
測(cè)試原理的相關(guān)公式如下：
1、滿足紅外吸收的能量關(guān)系
λ：紅外光波長(zhǎng)
h：普朗克常數(shù)
c：光速
?E：分子的振動(dòng)能級(jí)差
2、振動(dòng)頻率與質(zhì)量和鍵能的關(guān)系
以雙原子分子作簡(jiǎn)諧振動(dòng)為假設(shè)模型，得到
ν：波數(shù)
c：光速
k：鍵的力常數(shù)
μ：折合質(zhì)量（或叫約化質(zhì)量）
應(yīng)用舉例：
1、分子的結(jié)構(gòu)和化學(xué)鍵，如力常數(shù)（可推知化學(xué)鍵的強(qiáng)弱）的測(cè)定和分子對(duì)稱性等，利用紅外光譜方法可測(cè)定分子的鍵長(zhǎng)和鍵角，并由此推測(cè)分子的立體構(gòu)型。
2、許多有機(jī)官能團(tuán)例如甲基、亞甲基、羰基，氰基，羥基，胺基等等在紅外光譜中都有特征吸收，通過(guò)紅外光譜測(cè)定，人們就可以判定未知樣品中存在哪些有機(jī)官能團(tuán)，這為終確定未知物的化學(xué)結(jié)構(gòu)奠定了基礎(chǔ)。
3、分子在低波數(shù)區(qū)的許多簡(jiǎn)正振動(dòng)往往涉及分子中全部原子，不同的分子的振動(dòng)方式彼此不同，這使得紅外光譜具有像指紋一樣高度的特征性，稱為指紋區(qū)。利用這一特點(diǎn)，人們采集了成千上萬(wàn)種已知化合物的紅外光譜，并把它們存入計(jì)算機(jī)中，編成紅外光譜標(biāo)準(zhǔn)譜圖庫(kù)。人們只需把測(cè)得未知物的紅外光譜與標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)中的光譜進(jìn)行比對(duì)，就可以迅速判定未知化合物的成份。
樣品要求
紅外光譜測(cè)試可以采用氣體、液體或固體樣品。如果樣品的紅外活性鍵少、純度高，得到的光譜會(huì)相當(dāng)清晰，效果好。而更加復(fù)雜的分子結(jié)構(gòu)或外部環(huán)境的影響會(huì)導(dǎo)致更多的鍵吸收和譜帶的位移，影響圖譜的質(zhì)量。
所以為了得到清晰、質(zhì)量高的圖譜，同時(shí)也為了便于分析，對(duì)于測(cè)試樣品有以下幾點(diǎn)基本要求。
1、樣品必須預(yù)先純化，以保證有足夠的純度；
2、樣品須預(yù)先除水干燥，避免損壞儀器，同時(shí)避免水峰對(duì)樣品譜圖的干擾；
3、易潮解的樣品，應(yīng)放置在干燥器內(nèi)；
4、對(duì)易揮發(fā)、升華、對(duì)熱不穩(wěn)定的樣品，請(qǐng)用帶密封蓋或塞子的容器盛裝并蓋緊，同時(shí)必須注明；
5、對(duì)于有毒性和腐蝕性的樣品，用戶必須用密封容器裝好。送樣時(shí)必須分別在樣品瓶標(biāo)簽的明顯位置上注明。
注：不同的制樣方法會(huì)帶來(lái)不同的樣品要求，應(yīng)具體問(wèn)題具體分析
疑難解答
Q：分子吸收紅外輻射需要滿足哪些條件？其吸收強(qiáng)度主要由哪些因素決定？
A：分子吸收紅外輻射必須滿足兩個(gè)條件：
1、一定頻率的紅外輻射，其能量剛好滿足振動(dòng)躍遷的能級(jí)差；
2、只有在振動(dòng)過(guò)程中偶極矩發(fā)生變化的那些振動(dòng)方式才能吸收紅外輻射，這樣的振動(dòng)方式稱為具有紅外活性。紅外吸收譜帶的強(qiáng)度決定于偶極矩變化的大小。振動(dòng)時(shí)偶極矩變化越大，吸收強(qiáng)度越大。
Q：用紅外光譜法研究高分子材料時(shí)，影響頻率位移和圖譜質(zhì)量的因素有哪些？
A：
1、影響頻率位移的因素
①外部因素
物理狀態(tài)的影響：同一個(gè)樣品不同相態(tài)（氣、液、固），它們的光譜有很大差別，這與分子間相互作用力有關(guān)；
溶劑的影響：同一物質(zhì)在不同的溶劑中，由于溶質(zhì)與溶劑的相互作用不同，因此測(cè)得的光譜吸收帶頻率也不同；
粒度的影響：主要由散射引起。粒度越大，基線上升，峰寬而強(qiáng)度低，反之亦然；
②內(nèi)部因素
主要是分子內(nèi)部結(jié)構(gòu)的原因引起的變化：如誘導(dǎo)效應(yīng)、共軛效應(yīng)、鍵應(yīng)力和空間效應(yīng)、氫鍵效應(yīng)、耦合效應(yīng)、費(fèi)米共振。
2、影響圖譜質(zhì)量的因素
①儀器參數(shù)的影響
光通量、增益、掃描次數(shù)等直接影響信噪比，同時(shí)要根據(jù)不同的附件及測(cè)試要求及時(shí)進(jìn)行必要的調(diào)整，以得到滿意的譜圖。
②環(huán)境的影響
光譜中的吸收帶并非都是由光譜本身產(chǎn)生的，潮濕的空氣、樣品的污染、殘留溶劑、由瑪瑙研缽或玻璃器皿所帶入的二氧化硅、溴化鉀壓片時(shí)吸附的水等原因均可產(chǎn)生附加的吸收帶，故在光譜解析時(shí)應(yīng)特別加以注意。
③樣品厚度的影響
樣品的厚度或合適的樣品量是很重要的，通常要求厚度為10～50μm，對(duì)于極性物質(zhì)如聚酯要求厚度小一些，對(duì)非極性物質(zhì)如聚烯烴要求厚一些。有時(shí)為了觀察弱吸收帶，如某些含量少的基團(tuán)、端基、側(cè)鏈，少量共聚組分等，應(yīng)該用較厚的樣品測(cè)定光譜，若用KBr壓片法用量也應(yīng)作相應(yīng)的調(diào)整。
Q：對(duì)聚合物紅外光譜的解釋需要注意哪些要素？
A：需要注意三要素。一，譜帶的位置。它代表某一基團(tuán)的振動(dòng)頻率，也是說(shuō)明是否含有某種基團(tuán)的標(biāo)志；第二，譜帶的形狀。例如氫鍵和離子的官能團(tuán)會(huì)產(chǎn)生很寬的紅外譜帶，這對(duì)于鑒定特殊基團(tuán)的存在十分重要；第三、譜帶的相對(duì)強(qiáng)度。譜帶的強(qiáng)弱對(duì)比不但是一種基團(tuán)含量的定量分析基礎(chǔ)，而且可以暗示某一特殊基團(tuán)或元素的存在。分子中有極性較強(qiáng)的基團(tuán)將產(chǎn)生強(qiáng)的吸收，如羰基、醚基等譜帶的吸收都很強(qiáng)。