红外光谱的测绘和定性分析

时间：2023-02-13 理论教育版权反馈

【摘要】：掌握固体试样的薄膜法、压片法等制样技术，了解扫描型红外分光光度计和FT－IR光谱仪的工作原理和基本结构，掌握红外吸收光谱的测绘方法，学会红外谱图的计算机检索，以及红外光谱的定性分析方法和差谱技术。许多化合物都有其特征的红外光谱，根据红外光谱图上的吸收峰数目、吸收频率和吸收强度，就可进行初步的定性分析。根据比尔定律，测量化合物红外谱图中的某一特征谱带的吸光度，即可进行定量分析。

^＊实验12　红外光谱的测绘和定性分析

一、目的

掌握固体试样的薄膜法、压片法等制样技术，了解扫描型红外分光光度计和FT－IR光谱仪的工作原理和基本结构，掌握红外吸收光谱的测绘方法，学会红外谱图的计算机检索，以及红外光谱的定性分析方法和差谱技术。

二、内容提要

在一定条件下，有选择性吸收红外辐射是许多化合物较为特征的性质之一。物质在吸收了红外辐射之后，其分子就会发生振动能级之间和转动能级之间的跃迁，被吸收的红外辐射的能量也就消耗在分子的这类能级跃迁中。如果通过仪器记录下不同波数（cm^－1）时物质所透射的红外辐射的强度，就可得到该物质的红外光谱图。

许多化合物都有其特征的红外光谱，根据红外光谱图上的吸收峰数目、吸收频率和吸收强度，就可进行初步的定性分析。通常是采取将被测定的化合物的光谱与已知结构的化合物的光谱加以比较的办法。后者可以是标准光谱图，也可以是在相同测试条件下所作的标准试样或所制备的模型化合物的谱图。根据比尔定律，测量化合物红外谱图中的某一特征谱带的吸光度，即可进行定量分析。

常用的红外光谱区是中红外区（4000～400cm^－1），因为绝大多数有机化合物的振动光谱出现在中红外区内。红外光谱分析具有特征性高、分析时间短、试样用量少、制样技术简单等优点，在有机物定性分析中有着广泛的应用。

红外光谱中的特征谱带及其强度是定性鉴定化合物的主要依据，但红外光谱分析的制样技术又直接影响到谱带的频率、数目和强度。即使是同一化合物，在不同的聚集态下，也能产生其频率和强度都互异的光谱，因此在制样时要注意下面几点。

1）气体样。压力增大时，气体试样的吸收谱带增宽（即压力增宽效应），而峰值的吸光度下降。吸光系数是随着总压力和稀释剂的变化而剧烈变化的。为了消除压力增宽效应的影响，通常都采取充入惰性气体使总压保持恒定的办法来进行分析。

2）液体样。如果液态分子之间出现溶剂效应、缔合、氢键、解离等情况时，液体吸收谱带的频率、数目和强度都可能发生较大的变化，因此制备液体试样时应选择合适的溶剂以避免发生这些情况。

3）固体样。固体试样的分散质点的大小会影响到吸光系数，若试样粒子的直径比波长大，则会发生散射而使红外辐射损失，导致谱图基线抬高和分辨率降低。另外固体试样制作时还必须注意分散的均匀性，如果不均匀，则会造成吸光度和浓度之间不成线性关系而偏离比尔定律。

在红外光谱测量的制样技术中，固体样除了可用合适的溶剂制成液体试样外，常用的还有下列3种方法。

1）糊状法。将试样研成细粉末并分散在液体介质中的方法，叫作糊状法。为了减少试样的散射，研磨后的试样颗粒大小必须小于所用辐射的波长。使用的液体介质，其折射率必须与试样的折射率相近，从而可以大大减少散射光的强度，这是因为散射的大小还和试样粒子与其周围介质的折射率差成正比。常用的分散介质有石蜡油、六氯丁二烯和氟化煤油。

2）压片法。将研细的试样粉末分散在固体介质中，并用压片装置压成透明薄片后再进行测定的方法，叫做压片法。固体分散介质一般是碱金属卤化物，例如KBr，在使用前要将其充分磨细，颗粒直径在2μm左右（因为中红外区的波长是从2μm开始的）。若试样分散性差，颗粒直径大，则会产生强烈散射，使谱图的背景“吸收”增强，分辨率降低。为了避免研细的KBr吸收潮气，压片前的操作最好在干燥箱或红外灯下进行。常用的压片材料有溴化钾、氯化钾、氯化钠、碘化钾，此外碘化铝、碘化铯和氯化银等也可用作压片的基体。

3）薄膜法。将固体试样制成薄膜后再来测定的方法叫作薄膜法。制备方法一般有两种，一种是对于熔点低、熔融时不发生分解、升华和其他化学变化的物质，可用加热熔融的方法将其压制成薄膜，或者直接涂在盐片上。另一种是对于大多数聚合物，可先把它们溶于挥发性溶剂中，再滴在盐片上，在室温下使溶剂挥发自然成膜；也可以将它们滴在具有抛光表面的金属板或平滑的玻璃板上，甚至滴在水面上来进行成膜，待溶剂挥发后即可揭下使用。

红外光谱测量用的样品在制样前，一般还必须做到：①样品不应含有游离水；②多组分样品应预先分离；③最终的分析试样要充分除去溶剂。制样时应把试样配制成适当的浓度，并选择合适的测量厚度，使测得的红外谱图上最高谱峰的透光度在1％～5％，基线在90％～95％。

制作溶液试样时常用的溶剂有CCl₄（适用于高频范固）、CS₂（适用于低频范围）、CHCl₃等，对于高聚物则多采用四氢呋喃（适用于氢键研究）、甲乙酮、乙醚、二甲亚砜、氯苯等。一般选择溶剂时应做列：①要注意溶剂和溶质间的相互作用，以及由此引起的特征吸收谱带的位移和强度的变化，例如在测定含羟基及氨基的化合物时，要注意配成稀溶液，以避免分子间的缔合；②由于溶剂本身存在着吸收，所以选择时要注意溶剂的光谱，通常其透光度小于35％的范围内将会有干扰，大于70％的范围内则认为是透明的；③使用的溶剂必须干燥，以消除水的强吸收带，防止损伤吸收槽盐片；④有些溶剂由于易挥发、易燃且有毒性，使用时必须小心。

进行红外光谱定性分析，通常有两种方法。

1）用标准物质对照。在相同的制样和测定条件下（包括仪器条件、浓度、压力、温度等），分别测绘被分析化合物（要保证试样的纯度）和标准的纯化合物的红外光谱图，若两者吸收峰的频率、数目和强度完全一致，则可认为两者是相同的化合物。

2）查阅标准光谱图。现代红外光谱仪器一般都配有标准光谱图，可供对照。

上述的定性分析方法，一般是验证被分析的化合物是否为所期待的化合物的一种鉴定方法。如果要用红外光谱定性测定未知物的结构，则必须结合其他分析手段进行谱图解析，如果解析结果是前人鉴定过的化合物，则可继续采用上述方法进行鉴定。如果是未知物，就需得到其他方面的数据（如核磁共振谱、质谱、紫外光谱等），以提出最可能的结构式。

本实验制取聚苯乙烯薄膜，并用压片法制备间硝基苯甲酸样品，测绘红外谱图，分析谱峰的归属，用差谱法确定间硝基苯甲酸中的杂质。

三、仪器和试剂

1.仪器

IR－408红外分光光度计（附红外样品架）

Avator 360型FT－IR光谱仪（附红外样品架）

电子天平（感量为0.1mg）

红外灯，玛瑙研钵，不锈钢铲，手压机及压膜

2.试剂

间硝基苯甲酸，光谱纯KBr粉末，聚苯乙烯颗粒，四氯化碳

四、实验步骤

1.聚苯乙烯的薄膜法制样并测绘聚苯乙烯薄膜的红外光谱

1）配制浓度为12％的四氯化碳聚苯乙烯溶液。在一干净玻璃板（4cm×4cm）上直立一段两端都磨平的玻璃管（直径3cm左右），用滴管吸取配好的聚苯乙烯溶液滴入玻璃管内的玻璃板上，并使液面流平呈一薄层，然后让其在室温下自然干燥（如室温较低可稍稍提高干燥温度）。成膜后可用不锈钢镊子小心地取下薄膜，并于红外灯下烘干，进一步除去溶剂。

2）将薄膜置于样片夹持器上，在IR－408红外分光光度计上测绘谱图。IR－408红外分光光度计的使用见附录1。

2.压片法制样并测绘红外光谱

（1）间硝基苯甲酸的红外光谱

1）称取2mg间硝基苯甲酸及250mg干燥的溴化钾粉末，在玛瑙研钵中充分磨细至直径约2μm，将其在红外灯下烘干10min左右（温度不宜太高），然后用不锈钢铲取少量置于压膜底部橡皮垫片上的不锈钢小圆片的孔内，覆上模盖，在手压机上进行压片，压杆可稍用力紧压（注意！不要用力过猛，以免损坏手压机），即可得到附着在小圆片孔内的试样薄片，见图4－10。

图4-10　压片法制样

2）在Avator 360型FT－IR光谱仪测绘红外光谱。取出该小圆片置于红外样品片架上，打开仪器上盖窗，即可将样品片架插入样品室槽架上（见图4－13）进行测绘，并将结果打印。Avator－FT－IR光谱仪的操作可参见附录2。

（2）工业间硝基苯甲酸中的杂质确定（差谱法）

1）称取2mg含有杂质的间硝基苯甲酸和250mg的干燥的溴化钾粉末。采用上述方法再进行压片制样后测绘。

2）在Avator 360型FT－IR光谱仪测绘红外光谱。绘制出光谱后，利用软件中的差谱及检索图谱的功能，确定所含杂质是何种化合物，并将结果打印。操作详见附录2。

五、数据处理

1）将聚苯乙烯红外谱图的主要吸收峰列表，说明其归属的振动（转动）类型及基团类型。可参见附录3。

2）将间硝基苯甲酸红外谱图的主要吸收峰列表，说明其归属的振动（转动）类型及基团类型。

3）报告说明工业间硝基苯甲酸样品中所含杂质是何种化合物，并将其谱图与间硝基苯甲酸作一比较。列表说明其谱峰的归属的类型。

六、思考题

1.研磨试样时，为什么要求研磨至2μm左右？

2.为什么差谱时，先要将图谱转换成吸光度坐标？

3.为什么差谱时，会出现负峰？

4.FT－IR光谱仪与扫描型红外分光光度计在原理和结构上有些什么不同？FT－IR有些什么优点。

七、附录

1.IR－408型红外分光光度计

IR－408型红外分光光度计是日本岛津公司生产的一种记录式红外光谱仪，用于记录4000～650cm^－1范围的红外吸收光谱。其波数精度为±15cm^－1（在4 000～2 000cm^－1）及± 3cm^－1（在2 000～650cm^－1）。

（1）光路及结构

IR－408红外分光光度采用双光束光学零位系统。这种系统的光路结构如图4－11所示。

图4-11　双光束光学自动平衡系统的光学系统（日本岛津IR－408型红外分光光度）

（M_1～6、M_9～12—凹面反射镜，M₇—旋转扇形镜，M₈—平面反射镜。）

在这种系统中，光源通过两个对称的反射镜获得了两束强度相同的光束。一束通过试样，称为试样光束；另一束通过减光器，称为参比光束。该两光束再通过旋转的扇形镜交替地落到入射狭缝上，进入单色器。当试样光束被试样吸收后，光束强度发生了变化。检测器将这一变化转换成了相应的交流电压信号，经放大后使可逆电机带动减光器，使其移入或移出参比光路以达到两光束的平衡。通过减光器和记录笔的连锁装置，在扫描波长的同时，便将红外辐射的透光度记录下来，得到红外光谱图。

仪器采用硅碳棒为光源，真空热电偶为检测器。为除去高级次光的重叠干扰，仪器共有一组滤光片3块，分别除去不同波数范围内的干扰。第一块：4 000～2 120cm^－1，第二块：2 170～1 190cm^－1，第三块：1 180～650cm^－1。仪器由电压调节器和主机两部分组成，主机外型见图4－12。

（2）仪器的使用

1）开启电压调节器开关，指示灯亮。

2）主机增益（GAIN）置于“1”，光源调节也置于“1”。

3）装上记录笔，使记录笔按钮（PEN）处于抬起位置（UP）。

4）按下主机电源按钮，指示灯亮。

5）检查波数扫描按钮（注意！只有当扫描开关指示灯熄灭时，方可转动波数调节旋钮），使波数读数盘（WAVENUMBER）的主标尺4 000cm^－1对准副标尺的“0”，再使记录纸的标记孔（箭头所指）对准记录纸导轮标记齿（漆成白色）。

图4-12　IR－408型红外分光光度计主机

6）先打开参比光路光闸（离开操作者较远的一个），再打开试样光路光闸（靠近操作者的一个）。

7）调节l00％旋钮（100％ADJ.），使笔在95％～85％之间。

8）将试样放入试样光路中，按下记录笔开关按钮，使置于自动位置（AUTO）。按下波数扫描开关，即开始扫描。

9）扫描到630cm^－1时，仪器记录笔自动抬起停扫，此时应随即按下记录笔按钮，使之回复抬起（UP）位置，随后待仪器自动将主标尺4 000cm^－1对准副标尺“－10”左右时停下，此时扫描自动结束。（注意！只有在扫描自动结束后，才能转动波数调节旋钮，将图纸送出并裁下，然后重新恢复到起始位置。）

10）工作完毕，应先按下扫描开关使扫描指示灯熄灭，再关主机电源，电压调节器电源，取下记录笔并戴好笔帽。

（3）仪器操作应注意

1）在调节波数调节旋钮前，必须先使记录笔抬起，然后使扫描按钮置于OFF位置（即扫描指示灯应熄灭）。

2）仪器自动扫描过程中，有3次暂时停下，指示灯会暂时熄灭，这是仪器在自动切换滤光片，切换结束后立即继续自动进行扫描。（注意！切勿将切换滤光片时的指示灯熄灭误认为扫描自动结束，此时如去转动波数调节旋钮将会损坏仪器。）

3）工作时，必须使参比光路的光强大于样品光路，因此打开光闸时，要先打开参比光闸；合上时，应先合上试样光闸。

4）中途停止扫描，必须先抬笔，再停扫。

2.Avator 360型FT红外光谱仪

（1）光谱仪简介

Avator 360型FT－IR光谱仪主要由主机和计算机组成。主机光学台包括：Ever－Glo高能光源、数字信号处理器控制的迈克尔逊干涉仪、样品架、氘代硫酸三甘氨酸酯（DTGS）检测器。

傅里叶变换红外光谱仪的工作原理可参见第二章2.3.2节。

傅里叶变换红外光谱仪具有下列优点。

1）具有极快的扫描速率。傅里叶变换红外光谱仪获得全部光谱元与获得一个光谱元的时间相等，扫描一张完整的红外吸收光谱图在1s时间内可完成。

2）具有极高的灵敏度。由于不受狭缝的限制，傅里叶变换红外光谱仪的光通量比色散型仪器大得多。

3）具有极高的波数测量准确度。因为动镜的位移距离是用He－Ne激光监控，He－Ne激光频率非常精确且稳定，干涉光的光程差可以测定的非常精确，因而光谱波数可准确至0.01cm^－1。

4）具有很高的分辨率。傅里叶变换红外光谱仪的分辩率主要取决于动镜扫描的距离，仪器所能达到的光程差越大，分辨率也越高。

5）具有信噪比高、光谱范围宽、杂散光小、样品不受红外光束聚焦而产生热效应的影响、数据处理功能强等优点。

Avator 360型FT－IR光谱仪的OMNIC E.S.P同步智能软件具有以下基本功能：①光谱扫描、数据采集、绘图、存储与打印输出；②自动寻峰并准确标出峰位置；③峰面积积分、峰高的测量；④谱图局部的放大或谱图的连续移动及坐标缩放；⑤光谱转换功能，如基线校正、谱线平滑、T/A转换、差谱、和谱、乘谱、消峰、导数谱等；⑥用户自建谱图库、谱图库检索；⑦参数的设置；⑧多媒体光学台性能诊断系统和多媒体教学系统。

（2）Avator 360型FT－IR光谱仪的操作及其软件OMNIC E.S.P V 5.2的使用

根据本实验的要求仪器操作如下。

1）红外光谱的测绘。

①开启仪器左侧（靠后下方）电源开关，仪器指示灯亮，预热15min。

②启动计算机，在桌面上双击OMNIC E.S.P 5.2，启动该程序。

③在菜单栏“Experinment”窗口右侧，点击箭头，选择透光度“Transmission E.S.P.”选项。

④点击窗口上方的收集样品的图标“Col Smp”先测绘背景光谱。待背景光谱测绘好后（注意！左下方有图标显示扫描次数），仪器将询问是否收集样品光谱。此时应开启仪器样品室窗（将仪器正前方的旋钮垂直并向上抬起），将已压好试样的小圆片放置于样品架上，小心地将样品架插入到槽架中，进入光路，见图4－13。关上样品室窗，点击“OK”，测绘试样光谱。结束后，按计算机提示，将光谱图保存在Windows窗口中，以备随时调用。

图4-13　Avator 360FT－IR光谱仪

⑤光谱测绘结束后，点击吸光度“Absorb”图标，将其转为吸光度谱图，然后点击基线自动校正“Aut Bsln”图标进行基线自动校正。用鼠标选中未校正前的谱图（使变红色），打开“dit”菜单，删除该未校正图，再点击“％Trans”图标，将已校正后图谱重新转变为透光度谱图。

⑥点击窗口下方“T”按钮，用箭头一一选中各主要谱峰，添上波长（取消选中“T”，可点击“↖”按钮）。再点击“View”菜单，选中“Full Scale”，随后在文件菜单中，选择“另存为”，将谱图取文件名后保存在“Omnic”（注意不是在“Spectra”中）中的文件夹“ses”中。（注意！必须预先保存谱图，否则一旦关闭Windows窗口，谱图将不再保存。）

⑦点击“Report”菜单，选择模板“Template”选项，可选“EXAMDLE.RPT”报告模式，在下方按钮中选择“Select”按钮，确定后，再点击“Report”菜单，选“Preview/Print Report”，点击“Print”按钮，将谱图打印出来。

2）差谱测绘和杂质的鉴别。

①光谱的测绘方法同1）的④、⑤。

②接着从文件夹中取出如实验中测绘的间硝基苯甲酸的图谱，将其打开在混合物图谱的同一窗口中。用鼠标将两图谱同时选中（用Contril键，同为红色，），点击“Absorb”图标，将其转化成吸光度坐标。

③选择点击差谱“Subtract”图标即出现3个平行光谱图，第三个为差谱结果图。点击左边滑块，改变差减因子使差谱图上的负峰变成正峰，基线应走平。必要时可点击“Coarser”按钮继续修正。

④差谱结束后，点击右边“Add”按钮，将其转入Windows窗口中。再选择“Analyze”菜单，选中“Library Setup”选项，选中“User Example Library”谱图库后，点击“Add”，送到右边窗口中。再点击下方按钮“Search”，即出现检索结果。

⑤如难以确认杂质（如找到的化合物，其符合百分比不高），可重新再差谱，继续修正差谱图。即点击Windows菜单，回到原来差谱的两个光谱的窗口，重新差谱和修正，修正负峰的程度应视谱图中的间硝基苯甲酸的存在被降低成次要程度为准（即在以后的谱图检索中，间硝基苯甲酸不应是主要存在的化合物）。

⑥如已能确认检索结果为杂质，可将检索结果和Windows窗口中的认定为杂质的差谱图打印出来。

3）漫反射光谱的测绘。

在“Experinment”窗口中，选择“Diffuse Reflection”，取少量粉末试样置于漫反射的双圆孔样品架（Double Cup）上（见图4－17）的外侧圆孔中，均匀铺平，此为试样孔，内侧圆孔不放样品为参比孔。将样品架插入已安装好的漫反射光谱装置的光路中，按光谱测绘方法分别推入试样圆孔和参比圆孔进入光路，先后测量试样和参比光信号。测绘结束后，即可保存结果，并打印。

3.红外光谱中基团的吸收区域及其特征频率（见表4－1，图4－14）

表4-1　红外光谱中一些基团的吸收区域及其特征频率