傅立叶变换红外光谱仪的原理和应用实验指导书

傅立叶变换红外波谱仪的原理和应用指导书作者:日期：傅立叶变换红外波谱仪的原理和应用实验指导书浙江学院精细化工研究开发中心（红色化肥与生物工程重点实验室）1、实验类型及学时数a）实验类型:设计性实验（研究性实验）b）学时数：6学时2、实验目的和意义红外及拉曼波谱都是分子震动波谱。通过谱图解析可以获取分子结构的信息。任何气态、液态、固态样品均可进行红外波谱测定，这是其它仪器剖析方式无法做到的。由丁每种化合物均有红外吸收，尤其是有机化合物的红外波谱能提供丰富的结构信息，因而红外波谱法是有机化合物结构解析的重要手段之一。傅立叶变换红外波谱仪是20世纪70年代发展上去的新一代红外波谱仪，它具有以下特性：一是扫描速率快，可以在1s公测得多张红外谱图；二是光通量大，可以测量透射较低的样品，可以测量二氧化碳、固体、液体、薄膜和金届涂层等不样品；三是码率高，便丁观察气态分子的精细结构；四是测定波谱范围宽，只要改变光源、分束器和检查器的配置，就可以得到整个红外区的波谱。广泛应用丁有机物理、高分子物理、无机物理、化工、催化、石油、材料、生物、医药、环境等领域。通过学习红外波谱仪的构成和使用方式，及其在定性、定量剖析中的应用，培养中学生严谨的科学心态、细致的工作作风、实事求是的数据报告和良好的实验习惯（打算充分、操作规范，记录简明，台面整洁、实验有序，良好的环保和公德意识）。

培养培养中学生的动手能力、理论联系实际的能力、统筹思维能力、创新能力、独立剖析解决实际问题的能力、查阅指南资料并运用其数据资料的能力以及归纳总结的能力等。3、实验原理红外吸收波谱剖析方式主要是根据分子内部原子间的相对震动和分子转动等信息进行测（1）双原子分子的红外吸收频度分子震动可以近似地看作是分子中原子心平衡点为中心，以很小的振幅做周期性的震动。这些震动的模型可以用精典的方式来模拟。如图1所示，m1和m2分别代表两个小球的质量，即两个原子的质量，弹簧的宽度就是物理键的厚度。这个体系的震动频度取决于弹簧的硬度即物理键的硬度和小球的质量。其震动是在联接两个小球的键轴方向发生的。伸一oAAA/VOT_—殖—一I—图1双原子分子的震动模型用精典热学的方式可以得到如下的估算公式21k可简化为：—130^—式中，是频度，Hz;一是波数，cm-1;k是物理键的力常数，g/sLc是光速(/s);是原子的折合质量(=m1m2/(m1+m2)通常来说单键的k=4X105〜/S2；官能团的k=8X105-/s2•各键的k=12y；g/D,X105~/s2。

多原子分子的吸收频度双原子分子震动只能发生在连接两个原子的直线上，而且只有一种震动形式，而多原子分子震动则有多种震动形式。假定由n个原子组成，每一个原子在空间都有3个自由度，则分子有3n个自由度。非线性分子的转动有3个自由度，线性分子则只有2个转动自由度，因而非线性分子有3n-6种基本震动，而线性分子有3n-5种基本震动。以H2O分子为例，其各类震动如图所示，水份子由3个原子组成但是不在一条直线上，其震动形式应有3X3-6=3个，分别是对称和非对称伸缩震动和弯曲震动。O-H键宽度改变的震动称为伸缩震动，键角小丁HOH改变的震动称为弯曲震动。一般键长的改变比键角的改变须要更大的能量，因而伸缩震动出现在高波数区，弯曲震动出现在低波数区。红外波谱及其表示方式红外波谱所研究的是分子中原子的相对震动，也可归结为物理键的震动。不同的物理键或双键傅里叶红外光谱仪原理示意图，其震动基态从能级跃迁到迸发态所须要的能量不同，因而要吸收不同的红外光。化学吸收不同的红外光，将在不同波长上出现吸收峰。红外波谱就是这样产生的红外波谱的表示方式如右图所示：红外波段一般分为近红外(13300〜)、中红外(4000〜)和远红外(400~10cm1)。

其中研究最为广泛的是中红外区。红外谱带的硬度红外吸收峰的硬度与偶级矩变化的大小有关，吸收峰的强弱与分子震动时偶极矩变化的平方成反比，通常，永久偶极矩变化大的，震动时偶极矩变化也较大，如C=O(或C-O)的硬度比C=C(或C-C)要大得多，若偶极矩变为零，则无红外活性，即无红外吸收峰。4、实验设备仪器设备：-21型傅立叶变换红外波谱仪-21傅立叶变换红外波谱仪的工作原理图固定平面镜、分光器和可调凹面镜组成傅立叶变换红外波谱仪的核心部件-迈克尔干涉仪。由光源发出的红外光经过固定平■面镜反射镜后，由分光器分为两束：50%的光透射到可调凹面镜，另外50%的光反射到固定平■面镜。可调凹面镜联通至两束光光程差为半波长的质数倍时，这两束光发生相长干涉，干涉图由红外测量器获得，经过计算机傅立叶变换处理后得到红外波谱图。-21型傅立叶变换红外波谱仪具300入射迈克尔逊密闭型干涉仪，单光束光学系统，空冷陶瓷光源，镀错KBr基片分束器，湿度可调的监测器，波数范围7,800~350cm-1,S/N大丁40,000:1(4cm-1,1分钟，2,100cm*附近,P—P)，具有自确诊功能和状态监控器。

可搜集中红外、近红外、远红外范围波谱。5、实验内容了解并初步把握傅立叶变换红外波谱仪的基本原理与构造；学习红外波谱法测定化合物结构的技巧；通过测定已知和未知样品的红外波谱，初步把握获得谱图的通常操作程序与技术；学习样品制备的方式；了解影响剖析测定的重要因素，学会优化剖析条件；学习谱图的解析方式。6、实验步骤样品制备技术简介(a)固体样品制样固体样品制样由压模进行，压模的构造如图所示：压模由压杆和压舌组成。夺舌的半径为13mm,两个压舌的表面洁白度很高，以保证压出的薄片表面光滑。因而使用时要注意样品的细度、湿度和强度，以免损伤压舌表面的洁白度。组装压模时，将其中一个压舌光洗面朝上置于基座上，并装上压片套圈，加入碾磨后的样品再将另一压舌光洗面朝下压在样品下，轻轻转动以保证样品面平■整，最后次序置于压片套筒、弹簧和压杆，通过油压器加压力至10t,保持3min。(b)液体样品制样液体池构造如右图所示I-后框察木2—窗片框3—华片；4一车窗片;3—暴四氧乙烯隔片；6—蔺窗片；了一前框架液体池是由后框架、垫片、后窗片、间隔片、前窗片和前框架7个部份组成。通常后框架和前框架由金届材料制成；前窗片和车窗片为硫酸钠、漠化钾等晶体薄片；间隔片常由镀铝和聚四氟乙烯等材料制成，起着固定液体样品的作用，长度为0.01〜2mm。

液体池的装样操作将吸收池倾斜30。，用注射器(不带针筒)汲取待测的样品，由下孔注入直至上孔见到样品溢出为止，用聚四氟乙烯瓶塞堵住上、下注压裂，用高质量的厕纸擦去溢出的液体后，便可进行测试。在液体池装样操作过程中，应注意以下几点：①灌样时要避免气泡：②样品要充分溶化,不应有不溶物步入液体池内；③装样品时不要将样品碱液外溢到窗片上。液体池的活洗操作测试完毕，取出瓶塞，用注射器吸出样品，由下孔注入溶剂，冲洗2-3次。冲洗后，用吸耳球汲取红外灯附近的干燥空气吹入液体池内以去除残留的溶剂，之后!液体池在活洗过程中或活洗完]置于红外灯下烤制至干，最后将液体池储存在干燥器中。注意毕时，不要因溶剂挥发而导致窗片发霉。液体池长度的测定：按照均匀的干涉白色的数量可测定液体池的长度。测定的方式是将空的液体池作为样品进行扫描，由丁两盐片间的空气对光的折射率不同而形成干涉。按照干涉白色的数量估算池厚(如图所示)。般选1500~的范围较好，估算公式:式中，b是液体池长度，cm;n是两波数问所夹的完整波形个数；-、-分别为起始和中止的波数，cm-1。(c)载样材料的选择目前以中红外区(4000~400cm-1)应用最为广泛，通常的光学材料为硫酸钠(4000~)、漠化钾(4000〜);这种晶体很容易吸水使表面发乌，影响红外光的透过。

因而，所用的容片应置于干燥器内，要在温度小的环境下操作。(2)上机操作的基本思路A.样品的制备不同的样品状态(固体、液体、气体及胶状样品)须要与之相应的制样方式。制样方式的选择和制样技术的优劣直接影响谱带的频度、数目和硬度。a)液膜法：样品的沸点高丁100C可采用液膜法测定。胶状样品也可采用液膜法。这些技巧较简单，只要在两个盐片之间滴加1~2滴未知样品，使之产生一层薄的液膜。流动性较大的样品，可选择不同长度的垫圈来调节液膜的长度。样品制好后，用治具轻轻火住进行测定。b)液池法：样品的沸点低丁100C可采用液池法。选择不同的垫圈规格可调节液池的长度，对强吸收的样品用溶剂稀释后再测定。本底采用相应的溶剂。c）条状法：需确切晓得样品是否富含OH塞团（防止KBr中水的影响）时采用粉状法。这些技巧是将干燥的粉末研细，之后加入几滴漂浮剂（常用石蜡油或氯化煤油）在翡翠研钵中研成均匀的条状，涂在盐片上测定。本底采用相应的漂浮剂。d）压片法：粉末状样品常采用压片法。将研细的粉末分散在固体介质中，并用压片器压成透明的薄片后测定。固体分散介质通常是KBr，使用时将其充分研细，颗粒半径最好小丁2四（由于中红外区的波长是从2.5pm开始的）。

本底最好采用相应的分散介质（KBr）。e）薄膜法:对丁熔点低，熔体时不发生分解、升华和其他物理变化的物质，可采用加热熔体的方式压制成薄膜后测定。B•样品测试a）将制好的样品用火具夹好，倒入仪器内的固定支架上进行测定，样品测定前要先行测定本底；b）测试操作和谱图处理按工作站操作说明书进行，主要包括输入样品编号、测量、基线校准、谱峰标定、谱图复印等几个命令0c）检测结束后，用无水乙酸将研钵傅里叶红外光谱仪原理示意图，压片用具洗干净，烘干后，储存丁干燥器中。（3）谱图解析（4）数据剖析和实验报告7、注意事项（1）必须严格依照仪器操作规程进行操作；实验未涉及的命令严禁乱跑；（2）在红外灯下操作时，用溶剂（CCl4或CHCI3）活洗盐片，不要离灯太近，否则，移开红外灯时温差太大，盐片会崩裂；（3）谱图处理时，平滑参数不要选择太高，否则会影响谱图的码率。8、思考题或作业（1）用压片法治样时，为何要求碾磨到颗粒度在2网左右？碾磨时不在红外灯下操作，谱图上会出现哪些情况？⑵液体检测时，为何低沸点的样品要求采用液体池法？（3）对丁小的共聚物材料，很难碾磨成细小的颗粒，采用哪些制样方式比较好？