红外吸收光谱法地应用.docx

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红外吸收光谱法地应用

红外吸收光谱法的应用

学生姓名：

侯欢

班级：

09040341

学号：

05

指导老师：

马文斌老师

红外吸收光谱法的应用

摘要：

简要介绍了红外吸收光谱的情形，并介绍了傅里叶变换红外吸收光谱仪。

近十连年来，随着红外仪器的改良，新的光谱理论和光度分析方式的成立，专门是运算机技术和化学计量学的普遍应用和迅速进展，使红外光谱技术成为目前进展最快、最引人注目的分析技术，并以其简单快速、实时在线、无损伤无污染分析等特点，在复杂物质的分析上取得普遍应用。

在包括制糖和制药的许多与化学分析和品质管理有关的行业中的应用前景极为广漠。

本文重点别离从定性、定量、未知物结构测定等方面别离介绍了红外吸收光谱法的应用，并举出在医学、化学等等方面的最新应用实例。

一、红外吸收光谱

红外吸收光谱的历史

太阳光透过三棱镜时，能够分解成红、橙、黄、绿、蓝、紫的光谱带；1800年，发此刻红光的外面，温度会升高。

如此就发觉了具有热效应的红外线。

红外线和可见光一样，具有反射、色散、衍射、干与、偏振等性质；它的传播速度和可见光一样，只是波长不同，是电磁波总谱中的一部份。

（图一）、波长范围在微米到大约1000微米左右。

红外区又能够进一步划分为近红外区＜到2微米，基频红外区（也称指纹区，2至25微米）和远红外区（25微米至1000微米）三个部份。

1881年以后，人们发觉了物质对不同波长的红外线具有不同程度的吸收，二十世纪初，测量了各类无机物和有机物对红外辐射的吸收情形，并提出了物质吸收的辐射波长与化学结构的关系，逐渐积累了大量的资料；与此同时，分子的振动――转动光谱的研究慢慢深切，确立了物质分子对红外光吸收的大体理论，为红外光谱学奠定了基础。

1940年以后，红外光谱成为化学和物理研究的重要工具。

今年来，干与仪、运算机和激光光源和红外光谱相结合，诞生了运算机－红外分光光度计、傅立叶红外光谱仪和激光红外光谱仪，开创了崭新的红外光谱领域，增进了红外理论的进展和红外光谱的应用。

、红外吸收的本质

红外吸收光谱又称分子振动-转动光谱，是利用物质的分子对红外辐射的吸收，并由其振动或转动引发分子偶极矩的转变，产生分子的振动能级和转动能级从基态到激发态的跃迁，所产生的吸收光谱。

它分为近红外光，中红外光，远红外光。

其中，中红外光是应用最为普遍的红外光谱区。

物质处于不断的运动状态当中，分子经光照射后，就吸收了光能，运动状态从基态跃迁到高能态的激发态。

分子的运动能量是量子化的，它不能占有任意的能量，被分子吸收的光子，其能量等于分子动能的两种能量级之差，不然不能被吸收。

分子所吸收的能量可由下式表示：

E＝hυ＝hc/λ

式中，E为光子的能量，h为普朗克常数，υ为光子的频率，c为光速，λ为波长。

由此可见，光子的能量与频率成正比，与波长成反比。

分子吸收光子以后，依光子能量的大小，能够引发转动、振动和电子能阶的跃迁，红外光谱就是由于分子的振动和转动引发的，又称振－转光谱。

图1红外光谱图

特征吸收频率可应用于鉴定官能团；特征峰的强度可应用于定量分析。

、红外光的区划

红外线：

波长在~500μm（1000μm）范围内的电磁波

近红外区（NIR）:

~μm（760~2500nm）-OH和-NH倍频吸收区

中红外区（MIR）:

~25μm（4000~400cm-1）振动、伴随转动光谱

远红外区（FIR）:

25~500μm纯转动光谱

紫外-可见（UV-VIS）:

190~900nm电子光谱

、红外光谱的作用

绝大多数有机化合物的基频吸收带出此刻MIR光区。

基频振动是红外光谱中吸收最强的振动，最适于进行红外光谱的定性和定量分析。

中红外光谱仪最为成熟、简单，因此它是应用极为普遍的光谱区。

通常中红外光谱法又简称为红外光谱法。

红外光谱是辨别物质和分析物质化学结构的有效手腕，已被普遍应用于物质的定性辨别、物相分析和定量测定，并用于研究分子间和分子内部的彼此作用

、红外光谱分析技术

红外光谱（IR）分析技术是最近几年来分析化学领域迅猛进展的高新分析技术，愈来愈引发国内外分析专家的注目，在分析化学领域被誉为分析“巨人”，它的出现能够说带来了又一次分析技术的革命。

　　红外光谱分析是将光谱测量技术、计算机技术、化学计量学技术与基础测试技术的有机结合。

是将红外光谱所反映的样品基团、组成或物态信息与用标准或认可的参比方法测得的组成或性质数据采用化学计量学技术建立校正模型，然后通过对未知样品光谱的测定和建立的校正模型来快速预测其组成或性质的一种分析方法。

与传统分析技术相较，红外光谱分析技术具有诸多长处，它能在几分钟内，仅通过对被测样品完成一次红外光谱的收集测量，即可完成其多项性能指标的测定（最多可达十余项指标）。

光谱测量时不需要对分析样品进行前处置；分析进程中不消耗其它材料或破坏样品；分析重现性好、本钱低。

对于常常的质量监控是十分经济且快速的，但对于偶然做一两次的分析或分散性样品的分析则不太适用。

因为成立红外光谱方式之前必需投入必然的人力、物力和财力才能取得一个准确的校正模型。

　　红外光谱主要是反映C-H、O-H、N-H、S-H等化学键的信息，因此分析范围几乎可覆盖所有的有机化合物和混合物。

加上其特有的诸多长处，决定了它应用领域的广漠，使其在国民经济进展的许多行业中都能发挥踊跃作用，并逐渐扮演着不可或缺的角色。

二、傅里叶变换红外吸收光谱仪

傅里叶变换红外吸收光谱仪是一种新型红外光谱仪，它有测定速度快，灵敏度和信噪比高、分辨率高、测定的光谱范围宽等长处。

在红外研究领域，FTIR方式几乎完全取代了光栅分光法。

目前的研究中大量运用了傅里叶变换红外吸收光谱仪，而且还会继续进展。

三、应用

红外光谱法是按照样品的红外吸收光谱进行定性、定量分析及测定物质分子结构的方式。

红外光谱仪价钱较为低廉,测试本钱较低，普遍用于各类定性定量分析和未知物结构的肯定。

该法具有效量少，分析速度快，不破坏样品的特点。

目前，主要的应用领域包括：

石油及石油化工、大体有机化工、精细化工、冶金、生命科学、制药、医学临床、农业、食物、饮料、烟草、纺织、造纸、化妆品、质量监督、环境保护、高校及科研院所等。

在石化领域可测定油品的辛烷值、族组成、十六烷值、闪点、冰点、凝固点、馏程、MTBE含量等；在农业领域能够测定谷物的蛋白质、糖、脂肪、纤维、水分含量等；在医药领域能够测定药品中有效成份，组成和含量；亦可进行样品的种类辨别，如酒类和香水的真假辨别，环保废弃物的分检等，尤其在中药材的快速辨别、中成药的定性定量分析方面。

一、化合物的鉴定

用红外光谱鉴定化合物，其长处是简便、迅速和靠得住；同时样品用量少、可回收；对样品也无特殊要求，无论气体、固体和液体均能够进行检测。

有关化合物的鉴定包括下列几种：

、辨别化合物的异同

某个化合物的红外光谱图同熔点、沸点、折射率和比旋度等物理常数一样是该化合物的一种特征。

尤其是有机化合物的红外光谱吸收峰多达20个以上，犹如人的指纹一样彼此各不相同，因此用它辨别化合物的异同，靠得住性比其它物理手腕强。

若是二个样品在相同的条件下测得的光谱完全一致，就可以够确认它们是同一化合物，例外较少。

但当二个图有不同时，情形较复杂，须考虑下列因素，方能作出正确的结论：

A．同质异晶体

此为化学结构完全相同而晶形不同的化合物。

由于分子在不同晶体的晶格中排列方式不一样，因此对光的散射和折射不相同，致使同质异晶体的固相红外光谱有不同，而在溶液中测的液相光谱应是相同的。

B、同系物

同系物仅是组成链的单元数不同，因此它们的分子无序排列的液相光谱往往相同，固相光谱则因晶体内晶胞不同而有微小的不同。

所以在鉴定大分子的聚合物、多糖和长脂肪链的同系物时，最好同时对比固相和液相光谱的异同，方能作出正确的判断。

将二种同系物配成相同浓度的溶液，测量某些基团的吸收峰强度，如正脂肪酸同系物，能够按照亚甲基（2930）和甲基（2960）二个蜂的强度比进行识别。

C、来源和精制方式：

应注意到有些结构相同的化合物会因来源和精制方式的不同而使固相光谱有不同。

D、溶剂和浓度

液相光谱辨别化合物的异同须采用同一种溶剂和相同的浓度，因为溶剂本身有一些吸收峰能把试样的弱吸收掩盖；另外氢键等溶剂效应在不同浓度下作用强弱不等，也能够引发光谱的转变。

E、吸收峰的相对强度

对比光谱的异同不仅要注意每一个吸收峰的位置是不是一致，而且要注意各个蜂彼此之间的相对强度是不是符合，不然就可能是结构上的微小不同引发的。

辨别光学异构体

旋光性化合物的左、右对映体的固相红外光谱是相同的。

对映体和外消旋体由于晶格中分子的排列不同，使它们的固体光谱彼此不同，而溶液或熔融的光谱就完全相同。

非对映异构体因为是二种不同的化合物，所以无论是固相，仍是液相光谱均不相同，尤其在指纹区有各自的特征峰。

可是大分子的差向异构体如高三尖杉酯碱与表高三尖衫酯碱，由于彼此晶格不同，固相光谱的不同较大，而液相光谱不同很小，这是应该注意的问题。

区分几何（顺、反）异构体

对称反式异构体中的双键处于分子对称中心，在分子振动中链的偶极矩转变极小，因此在光谱中不出现双键吸收峰。

顺式异构体无对称中心，偶极矩有改变，故有明显的双键特征峰，以此可区分顺、反异构体。

不对称的分子，由于反式异构体的对称性比顺式异构体高，因此双键的特征峰前者弱，后者强。

区分构象异构体

同一种化学键在不同的构象异构体中的振动频率是不一样的。

以构象固定的六元环上的C—Y键为例，平展的C—Y键伸缩振动频率高于直立键，原因在于直立的C—Y键垂直于环的平面，其伸缩振动作用于碳上的复位力小；Y若在平展键，C—Y的伸缩振动使环扩张，复位力大，所以振动频率高。

研究构象异构体要注意相的问题。

固态结晶物质通常只有单一的构象，而液态样品大多是多种构象异构体的混合物，因此二种相的光谱不尽相同。

若是固相和液相光谱相同，则表明该化合物只有一种构象．

环状邻位双羟基化合物能够利用羟基之间的氢键推定构相。

有分子内氢键的羟基特征峰波数低于游离羟基的波数。

氢键越强，二者波数差越大。

区分互变异构体

有机化学中常常碰着互变异构现象，如β－双酮有酮式和烯醇式二种，红外光谱极容易区分它们。

在四氯化碳溶液中酮式在～1730cm－1有二个峰，烯醇式只有一个氢键鳌合的羰基，动频率降至1650cm－1，比酮式低80～100cm－1。

同时在1640～1600cm－1区有共轭双键特征峰，强度与羰基近似。

、有机化合物的定性鉴定和辨别

样品的红外光谱图比对纯物质的红外光谱图各吸收峰的位置与形状完全相同，峰的相对强度也相同，能够为样品就是该种物质。

红外吸收光谱是鉴定有机化合物最成熟的方式,它具有鲜明的特征性,因每一种官能团和化合物都具有特异的吸收光谱,其特征吸收谱带的数量、频率、谱带形状和强度都随化合物及其聚集状态的不同而异。

因此按照化合物的吸收光谱找出该化合物,就像识别人的指纹一样。

同时,该方式还具有分析时刻短、操作简便、不破坏试样等长处。

利用傅里叶红外变换光谱中的衰减全反射技术能够无损测定喷墨打印文件常常利用的惠普、佳能、爱普生三大品牌特定油墨及其相应替代油墨.如不同品牌油墨的识别：

从图2能够看出,不同品牌的油墨特征吸收峰各不相同,1号和2号样品,即惠普品牌的油墨在1800—1500cm-1有明显的吸收峰,说明油墨中含有羰基峰,而3、4、5、6号油墨在1200—900cm-1有较强烈的吸收,其中3号和4号样品,即佳能Canon品牌油墨在1174cm-1有吸收峰,5号和6号样品,即爱普生品牌油墨在1130cm-1周围有明显吸收峰,因此从红外谱图中能够看出,3种不同品牌的油墨特征吸收峰不同,能够进行种类识别。

图23种不同品牌油墨的红外光谱图

结果表明它克服了对油墨查验的有损查验、操作繁琐等缺点,能够作为对伪造的各类喷墨打印文件进行查验鉴定的一种行之有效的查验手腕。

他还能够分析不同种类聚酰胺红外吸收光谱的区别,包括尼龙6和尼龙66,尼龙11和尼龙12,尼龙610等等红外光谱图特征区别峰。

除一般红外分析的长处外，分析聚酰胺红外吸收光谱进程中不利用强酸、强碱等腐朽性试剂,有利于查验人员身体健康和保护环境,值得参考应用。

傅里叶红外吸收光谱还能够反映出不同油脂的分子结构信息,可从本质上对油脂进行表述。

红外光谱结合光谱数据处置,能够显示出3种不同油脂结构微小的不同,如脂肪酸分子中CH3、CH2、CC、CO基团的振动吸收的强度,反映了这些基团数量的不同,这也正是不同油脂之间的不同。

借助这种手腕,在实际工作中能够识别不同的油脂,也为成立调和油识别方式提供技术支持。

因此,研究采用傅里叶变换红外光谱来对品种各异的花生油、大豆油和棕榈油进行判别分析具有重要意义。

2、定量分析

可依照朗伯—比尔定律进行定量分析，有标准曲线法和内标法

式中I。

为入射光强度；I为透过光强度；c为溶液浓度，以克／升表示；l是吸收池厚度，以厘米表示；现在k为吸光系数，即单位长度和单位浓度溶液中溶质的吸收度。

若是浓度是以摩尔数／升表示，则k应为s（摩尔吸光系数）。

遵义钛厂海绵钛生产中回收高纯四氯化硅新工艺中有机杂质中，针对光谱图中3700~3500cm-1之间-OH的吸收带，实现了-OH基团的定量分析。

含氢杂质是高纯四氯化硅分析中所关心的问题。

当四氯化硅与空气接触就会与其中的水分反映,其反映方程式如下:

SiCl4+H2O=SiOHCl3+HCl反映生成的SiOHCl3中含有-OH,因此在3700~3600cm-1的红外吸收区域就会有-OH的振动吸收峰。

为了对-OH进行定量分析,选用四氯化硅极性相似的物质CCl4做基体溶剂和具有对称结的三苯基硅醇作为标准物质,别离配置mg/mL,mg/mL,1mg/mL三苯基硅醇标准系列溶液对-OH进行定量分析。

取得如图3所示三苯基硅醇的红外光谱图。

在3700~3500cm-1之间选择3665cm-1处的特征吸收峰为羟基定量振动峰。

图3三苯基硅醇的红外光谱图

表1–OH的浓度及吸光度

以浓度（mol/L）为横坐标,吸光度A为纵坐标作直线。

所得浓度与吸光度值线性关系为Y=+,斜率k=,相关系数为。

按照吸光度与浓度的计算公式:

A=εbc,其中,A为吸光度;ε为吸光系数;b为红外池子的长度,cm;c为样品浓度,mol/L。

由于k=εb,本次实验液体池长度b=5cm,代入求得:

ε=108L·mol-1·cm-1与文献中报导的范围ε=93~160相吻合.

运用该方式,若样品中-OH的吸光度A=,通过计算即可取得样品中羟基的含量,从而实现了羟基的定量分析。

3、医学方面

中药材及其制剂的质量控制是制约中药应用与进展的重要问题,寻求全面且简便快速的质量控制方式是目前颇受关注的研究方向。

红外光谱法能够全面地反映药材的整体特征,符合中医注重整体效应的施治理论,且其操作简便易行,仪器通用,易于推行,因此愈来愈多地应用到中药材及其制剂的质量控制研究中。

双黄连粉针剂的红外光谱

双黄连粉针剂是一种中药注射剂。

双黄连粉针剂的红外光谱对其进行指标成份（黄芩苷、绿原酸）分析,能够取得专门好的定性与定量结果,为其质量控制提供了一种简便快速有效的方式。

在双黄连粉针剂的红外光谱上能够指认各类成份的吸收谱带,并能够直接看到某些指标成份的特征峰,为定性质量分析提供了依据。

成立了基于中红外光谱的黄芩苷与绿原酸含量校正模型。

如黄芩苷的黄酮骨架振动和绿原酸的不饱和羧酸酯的特征峰。

通过成立定量校正模型的方式,能够从样品的红外光谱直接取得主要成份的含量,与传统的HPLC方式所得结果十分接近,为其质量控制提供了一种简便快速有效的方式。

利用傅里叶变换红外光谱仪结合衰减全反射附件技术对双黄连粉针剂进行测按时,样品无需利用有机溶剂进行分离提取,操作简单,容易掌握,且红外仪器价钱相对廉价,利于推行普及。

因此,利用红外光谱法对中药材及其制剂进行定性定量分析,继而实现快速在线质量控制,具有很重要的实践意义。

肺癌组织的红外光谱

肺癌的初期诊断有专门大的意义。

通过对肺部正常和癌变组织的红外光谱研究能够看出,肺部正常组织与癌变组织的谱图表现出专门大的不同性,表现了在肺癌组织中细胞形态和组织结构发生的转变,这些不同反映了在肺癌组织中核酸相对含量的增加;细胞脂质中亚甲基链结构发生改变,脂质中亚甲基链变得更无序;蛋白质分子C-OH键的氢键化程度发生改变;N-H键氢键化的形式和程度不同。

傅里叶变换红外光谱法已经应用于对多种肿瘤的研究,但有关肺癌的红外光谱研究尚处于起步阶段。

红外光谱技术有望成为快速诊断肺癌一种新方式。

4、地质方面

常规的土壤鉴定基于诊断层,需要分析测定较多土壤参数,耗时长且无法用于大量样品或实时分析,红外光谱为土壤鉴定提供了新的方式。

红外光谱已较普遍地应用于土壤矿物分析,其中透射光谱制片较麻烦且土壤的吸收系数大,其应用受到限制;红外反射光谱能够用于土壤的定性与定量分析,但光谱受土壤颗粒形态的影响,因此测定误差较大;最近几年来红外光声光谱被应用于土壤分析,不同的土壤具有明显不同的中红外光声光谱,而且能够用于土壤性质的定量预测。

中红外光声光谱的大体原理是基于光声的转换,测定勿需样品前处置,对样品无破坏,样品的颗粒大小及其形态对测定无显著影响,而且测定快速（每样品约1min）。

因此,中红外光声光谱测定方式的特点和其更为丰硕的矿物吸收特征使得中红外光声光谱在土壤鉴定中具有更大的应用潜力。

5、农业方面

包膜肥料是目前肥料研究领域中的热点。

能够别离研究聚乳酸（PLA）、聚丁二酸丁二醇酯（PBS）和聚碳酸酯（PC）为主要材料配制的膜材在对尿素包膜前后红外吸收光谱的转变,目的是为利用纯膜材深切研究包膜肥养分控释机理提供理论依据。

结果是别离以PLA和PC为主要材料制成的膜材代替包膜尿素的包膜层来深切研究膜材对尿素的控释机理是可行的。

但对以PBS为主要材料制作的膜材来讲是不可行的,因为其对尿素包膜前后特征基团的红外吸收强度转变较大,反映出膜材对尿素包膜前后的结构转变较大。

采用傅里叶变换红外光谱法还能够对普洱生、熟茶、普洱茶不同发酵程度翻堆样进行了比较分析，可为普洱茶品质鉴定技术研究提供理论依据;还能够对生物油中具体的化学组分进行分析，可得出木屑生物油是一种复杂的混合物，几乎包括了所有化学类别的有机物，需要进行分级处置后才能进一步利用等等。

还能够与其他方式联合利用，进一步解决问题。

四、总结

本文只是简略概述了红外光谱技术的应用。

其应用几乎触及应用化学和物质分析的各个领域，其应用范围广且有日趋扩展之趋势。

除了在制药、制糖、石油、食物、饮料、饲料等传统行业中的普遍应用外，最近几年来在环境污染评估、生理生化研究、医学查验、法医鉴定等研究领域中愈来愈受到重视。

让更多的工程技术人员了解红外技术的特点和进展，有利于将红外光谱技术应用到自身的行业中，进而提升行业的层次，从而通过科技创新达到提高生产效率和经济效益的目的

随着红外光谱技术的不断提高和进展，红外光谱在各领域应用全面展开，有关红外光谱的研究及应用迅速增加，成为进展最快、最引人注目的分析技术。

它的应用越发普遍，有着光明的进展前景。

作为21世纪的大学生，咱们要尽力学习科学文化知识，培育自己的自主创新能力，将所学的知识应用到实践中来，做到理论与实践相结合，更多的发觉红外光谱的各项应用，造福人类。

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