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本课件讲分子吸光分析法，说明有机与无机化合物的紫外-可见吸收光谱及 σ、π、n 电子跃迁类型，由朗伯-比尔定律推出定量依据并讨论其偏离，介绍分光光度计与三类仪器结构，并展开红外光谱的理论、谱图解析与近红外、拉曼光谱法。
第二章分子吸光分析法•第一节紫外可见吸收光谱法•第二节红外吸收光谱法
第一节紫外-可见分子吸收光谱法一概述(一)、分子吸收光谱分析的发展概况•紫外-可见-红外•目视比色-光电比色-分光光度•光声光谱-长光程吸收光谱-传感器(二)、分子吸收光谱的分类和特征紫外-可见电子光谱ΔEe =1 -20 eV红外振动光谱0.05-1远红外转动光谱0.005-0.05
a b cRoRoRoVoV1EoE1E电子能级V振动能级R转动能级
Aλ/nmHCN NN NCH对称四嗪水中环己烷中蒸汽中500555分子的电子光谱的特点:•在波长范围内按一定强度分布的谱带—带光谱•波长位于紫外-可见区
可进行分子的定性和定量分析π可用于一些物理化学常数的测定(如平衡常数等)π仪器结构简单、价格便宜π应用范围广泛(无机离子、有机化合物、生物大分子分析等)3、分子吸收光谱的特点
(一)、吸收光谱与分子结构1、有机化合物的吸收光谱根据分子轨道理论,分子中的电子轨道有n、σ和π三种σσ*ππ*n二紫外-可见分子吸收光谱的理论基础反键轨道非键轨道成键轨道
跃迁•能量很大•吸收光谱在真空紫外区•多为饱和烃甲烷125 nm乙烷135 nm
| 化合物 | λmax (nm) | εmax (L·mol⁻¹·cm⁻¹) |
|---|---|---|
| H₂O | 167 | 1480 |
| CH₃OH | 184 | 150 |
| CH₃Cl | 173 | 200 |
| (CH₃)₂O | 184 | 2520 |
和n→π* 跃迁•π→π* 和n→π* 跃迁能量低(>200 nm)•含有不饱和键的有机分子易发生这类跃迁C=C C=C ; N=N ; C=O•有机化合物的紫外-可见吸收光谱分析多以这两类跃迁为基础•π→π* 比n→π* 跃迁几率大100-1000 倍•π→π*跃迁吸收强,ε~ 104•n→π* 跃迁吸收弱,ε
生色团——含有π键不饱和官能团助色团——基团本身无色,但能增强生色团颜色为含有n电子,且能与π电子作用,产生n →π共轭184204254270苯(π→π*)苯酚(—OH为助色团)Aλ/nm
2、无机化合物的吸收光谱d-d 电子跃迁绝大多数过渡金属离子都具有未充满的d 轨道,按照晶体场理论,当它们在溶液中与水或其它配体生成配合物时,受配体配位场的影响,原来能量相同的d轨道发生能级分裂,产生d-d 电子跃迁。配体配位场越强,d 轨道分裂能越大,吸收波长越短。(f -f 跃迁与此类似)没有配位场八面体配位场dxydxxdyzdx2dx2-y2ΔE
例如:H2O 配位场< NH3 配位场Cu 2+—水合离子794 nm浅蓝色Cu 2+—氨合离子663 nm深蓝色
电荷转移跃迁电子接受体电子给予体配合物中一方电子向主要属于另一方的轨道跃迁电荷转移跃迁的摩尔吸光系数都很大(10000以上),因此利用配合物可建立灵敏的分析方法。例如Fe(III)-SCN 配合物
金属离子影响下的配体π→π* 跃迁金属离子与有机物配合后使配体的共轭结构发生变化,导致吸收光谱蓝移或红移。偶氮氯瞵III偶氮氯瞵III—U(VI)配合物500 600 700λ/nmA
小结:分子结构——光谱特征——定性分析ν不同结构的分子由于共轭程度不同,分子吸收的特征不同;ν相同共轭结构的分子骨架,因助色团的加入或改变,导致光谱位移和吸收系数变化;ν相同配体,因过渡金属离子不同,导致配位场的变化或电荷转移跃迁,或配体共轭结构的变化,光谱发生变化
IoIbSdx(二)、吸收定律(定量分析的基础)
IxdIxdIxIx吸收光强入射光强吸收率任一截面的吸收率
adnds = adn截面为S的区域内俘获光的有效面积从分子吸收的角度考虑
因此俘获光的几率应为:
a1dn1dn2dn3a3a2ds = a1dn1+a2dn2+a3dn3
令εi = 0.4343NaiAi= εib ci如果吸光介质内只有一种吸光分子
A = εb c定量分析的依据(三)、吸收定律的适用性与限制1、吸收定律具有加和性,即
1 λ2 λA1A2A2、吸收定律只适合单色光
设
当ε1= ε2= ε当时,出现偏离
AC0λ1λ1 + λ2
特别是存在非吸收线(或吸收很小,杂散光)和浓度较大时,I变的很小,I<< i= 常数
AiI0
350380CrO4 2-Cr2O7 2-λ/nmA03、吸收定律因化学反应而偏离因解离等原因,被测物并不都以对特定频率辐射吸收有效的形态存在,导致吸收定律的偏离。
(四)、紫外-可见吸收光谱的灵敏度ε= 0.4343 N aiai = 1×10-15 cm2N = 6.02×1023因为ε为摩尔吸光系数ai 的单位是cm2 (cm3 是ml,变成L除1000)所以ε= 0.4343 N ai =0.4343 ×6.02×1023 ×1×10-15/ 1000= 105
若1%吸收A=0.0044b = 1C=A 0.0044εb 100000== 4.4 ×10-8(M)此即为方法的理论灵敏度
三紫外-可见分光光度计(一)、基本结构光源单色器狭缝样品室检测器
讨论:与原子吸收光谱仪比较:•光源的单色性•单色器•样品室•检测器
1、光源•钨丝灯•卤钨灯•氢灯和氘灯山气灯100 400 800 λ1 4 8 10 μm山气灯钨丝灯相对辐射功率
D2 灯H2 灯200250 300λ/nm相对辐射功率
2、单色器光栅——棱镜与原子吸收要求类似3、检测器光电被增管—CCD
4、样品室1 cm5 cm石英——玻璃
(二)、紫外-可见分光光度计1、单光束仪器HW红蓝S1S2
单光束仪器的缺点:•操作麻烦:空白——IO样品——I任一波长•不能进行吸收光谱的自动扫描•光源不稳定性影响测量精密度
2、双光束仪器IOI
双光束仪器的特点和不足:•测量方便,不需要更换吸收池•补偿了仪器不稳定性的影响•实现了快速自动吸收光谱扫描•不能消除试液的背景成分吸收干扰
3、双波长仪器切光器λ1λ2
nmA0200 300 400待测成分干扰成分λ1 λ2
( 1 )消除光谱重叠干扰Aλ1= Aa λ1+ Ai λ1Aλ2= Aa λ2+ Ai λ2Ai λ1 = Ai λ2ΔA = Aa λ2-Aa λ1=(εaλ1-εaλ2)bCa消除了共存组分的干扰
双波长仪器能否消除背景干扰?Aλ1= lg I0/ I1= ελ1bC + AbAλ2= lg I0/ I2= ελ2bC + Ab式中Ab 为背景吸收或干扰物质的吸收若波长选择合适,λ1和λ2处Ab相同
则ΔA = lg I1/ I2=(ελ1-ελ2)bC因此测量两波长吸光度之差,就消除了背景吸收的干扰。
( 3 ) 进行导数光谱测定ΔλΔAAA = εb CdA dλ= bCd εd λ(1)灵敏度取决于d ε/d λ,拐点d ε/d λ最大,灵敏度最高;(2)d ε/d λ= 0 为吸收曲线极大值;(3)两个重叠度很大的曲线的导数曲线有可能区别开。
nmA
nmA0200 300 400λ1λ2λ3(4)多组分混合物中各组分分别测定——多波长分光光度法
A1= ε11C1+ ε12C2+ ε13C3A2= ε21C1+ ε22C2+ ε23C3A3= ε31C1+ ε32C2+ ε33C3εij为在波长i测定组分j的摩尔吸光系数Ai 为在波长i测得该体系的总吸光度解上联立方程可求出待测物浓度C1、C2、C3
(一)、络和物组成的测定摩尔比率法等摩尔系列法斜率比法平衡移动法四紫外-可见分光光度法的应用定性分析与定量分析(略)
摩尔比率法测定络和比:mM+nR MmRn配制:不同CR/CM的系列溶液:如CR/CM=1,2,3,……n分别测吸光度:A1, A2 ,A3……An,作A~ CR/CM曲线
ACR/CM0D络和比M未被完全络和有过量的RA0A’
若络合物稳定性差,络合物解离使吸光度下降,转折不明显,据此可以测定络合物不稳定常数。设:络合物解离度为α,不解离时转折处浓度为CCMmRn= (1-α)CCM= m αCCR = n αC则络合物不稳定常数为
A0-A’A0K = [M]m[R]n(m αC)m(n αC)nmmnnαm+nCm+n-1[MmRn](1-α)C1-α==
(二)、酸碱离解常数的测定HBH++B-Ka =[H+][B-][HB](1)pKa=pH+lg[HB][B-]设:b=1cmA=A HB+AB-
A=εHB(c-[B-]) +εB-[B-] = εHBc+[B-] (εB--εHB)
Ka=[H+](A-εHBc)εB-c-AA HB=εHB cAB-=εB-c定义:
(三)、测量误差
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0相对误差T
只有当则测量误差最小,此时-logT = log e = 0.434 = A即吸光度为0.434时,浓度测量才具有最小相对误差。
(四)、紫外-可见分子吸收光谱的发展1、光声光谱激光光源吸收池光声传感器记录装置不仅可用于液体样品、也可用于固体样品
2、长光程紫外-可见分光光度计激光光源吸收池记录装置
双叉光纤光导纤维传感器
第二节红外吸收光谱法一概述1.红外光谱的历史•1800年英国科学家赫谢尔发现红外线•1936年世界第一台棱镜分光单光束红外光谱仪制成•1946年制成双光束红外光谱仪•60年代制成以光栅为色散元件的第二代红外光谱仪•70年代制成傅立叶变换红外光谱仪,使扫描速度大大提高•70年代末,出现了激光红外光谱仪,共聚焦显微红外光谱仪等
2. 红外光谱的范围200nm400nm780nm1000um近紫外可见红外0.78um2.5um50um1000um中红外区远红外区近红外区
例如波数/cm-1
3. 红外光谱的特点θ每种化合物均有红外吸收,有机化合物的红外光谱能提供丰富的结构信息θ任何气态、液态和固态样品均可进行红外光谱测定,这是其它仪器分析方法难以做到的θ常规红外光谱仪器结构简单,价格不贵θ样品用量少,可达微克量级红外光谱主要用于定性分析但也可用于定量分析
定性: 红外光谱最重要的应用是中红外区有机化合物的结构鉴定。通过与标准谱图比较,可以确定化合物的结构;对于未知样品,通过官能团、顺反异构、取代基位置、氢键结合以及络合物的形成等结构信息可以推测结构。
二红外光谱的理论基础C-光速K-键力常数u-折合质量m1m2红外光谱产生于分子的振动.从经典力学的观点,采用谐振子模型来研究双原子分子的振动,即化学键相当于无质量的弹簧,它连接两个刚性小球,它们的质量分别等于两个原子的质量。(一)、红外吸收与分子结构1. 双原子分子的振动根据虎克定律:
| 化学键 | 键力常数 K (×10⁻⁵ g·s⁻²) | 振动频率 V (cm⁻¹) |
|---|---|---|
| C—C | 4–6 | 1190 |
| C=C | 8–12 | 1683 |
| C≡C | 12–20 | 2062 |
| C—H | — | 2920 |
注：原文键力常数以连写形式给出，本表按 C—C、C=C、C≡C 顺序对应 4–6、8–12、12–20。
实际上在一个分子中,基团与基团之间,化学键之间都会相互影响,因此,振动频率不仅决定于化学键两端的原子质量和键力常数,还与内部结构和外部因素(化学环境)有关。由于原子的种类和化学键的性质不同,以及各化学键所处的环境不同,导致不同化合物的吸收光谱具有各自的特征,据此可以对化合物进行定性分析。
2、多原子分子的振动分为伸缩振动和弯曲振动,见示意图。θ一个由n个原子组成的分子其运动自由度应该等于各原子运动自由度的和。θ一个原子在空间的位置由三个坐标确定,对于n个原子组成的分子,需用3n个坐标确定,即分子有3n个自由度。θ但分子是整体,对于非直线型分子,分子绕其重心的转动有3个自由度,分子重心的平移运动又需要3个自由度,因此剩余的3n-6个自由度是分子的基本振动数。θ而对于直线型分子,沿其键轴方向的转动不可能发生,转动只需要两个自由度,分子基本振动数为3n-5。基本振动又称简正振动。
一般观察到的振动数要少于简正振动,原因是:分子的对称性。通常分子的对称伸缩振动无红外活性。θ两个或多个振动的能量相同时,产生简并。θ吸收强度很低时无法检测。θ振动能对应的吸收波长不在中红外区。实际由于一些振动不产生红外吸收,或吸收在中红外区以外,有些振动频率很接近,不易分辨,因此化合物的红外吸收峰数目小于(3n-6)。分子在振动和转动过程中只有伴随净的偶极矩变化的键才有红外活性。因为分子振动伴随偶极矩改变时,分子内电荷分布变化会产生交变电场,当其频率与入射辐射电磁波频率相等时才会产生红外吸收。
多原子分子的基本振动引起的红外吸收称为基频谱带,实际上在红外图谱中,还可以看到基频谱带之外的吸收峰,包括:(1)倍频谱带——由基态跃迁至第二、第三激发态所产生的谱带;(2)组合频谱带——两个或两个以上基频之和或之差、或基频与倍频的结合产生的谱带;(3)振动耦合频率——两个基团相邻且振动频率相差不大时,振动耦合引起吸收频率偏离基频,移向高频或低频方向产生的振动频率。
(4)费米共振——倍频和组合频与某基频相近,相互作用而产生强吸收或发生峰分裂。含氢基团产生的振动耦合或费米共振现象,均可以通过氘代而加以鉴别。因为当含氢基团氘代以后,其折合质量的改变会使吸收频率发生变化,此时氘代前的耦合或费米共振条件不再满足,有关的吸收峰会发生较大的变化。
振动耦合举例:[例1]:CO2分子:O=C=O 若无耦合发生,两个羰基的振动频率应与脂肪酮的羰基振动频率相同(约1700cm-1)。但实际上CO2在2330 cm-1和667 cm-1处有两个振动吸收峰。[例2]:振动耦合对不同醇中C-O吸收频率的影响甲醇乙醇丁醇-2C-O (cm-1) 10341053 1105上述吸收频率的变化是由于伸缩振动与相邻伸缩振动的耦合之故。由此可见,振动耦合使某些振动吸收的位置发生变化,对功能团的鉴定带来不便。但正因为如此,使红外光谱成为某一特定化合物确认的有效手段。
3、红外吸收光谱与分子结构的关系红外光谱源于分子振动产生的吸收,其吸收频率对应于分子的振动频率。大量实验结果表明,一定的官能团总是对应于一定的特征吸收频率,即有机分子的官能团具有特征红外吸收频率。这对于利用红外谱图进行分子结构鉴定具有重要意义。
红外谱图有两个重要区域:高波数段:4000-1300cm-1(官能团区)含氢官能团(折合质量小)、含双键或叁键的官能团(键力常数大)在官能团区有吸收,如OH,NH以及C=O等重要官能团在该区域有吸收,它们的振动受分子中剩余部分的影响小。低波数段:1300cm-1以下(指纹区)不含氢的单键(折合质量大)、各键的弯曲振动(键力常数小)出现在1300cm-1以下的低波数区。该区域的吸收特点是振动频率相差不大,振动的耦合作用较强,因此易受邻近基团的影响。同时吸收峰数目较多,代表了有机分子的具体特征。大部分吸收峰都不能找到归属,犹如人的指纹。因此,指纹区的谱图解析不易,但与标准谱图对照可以进行最终确认。
图谱解析(1)饱和烃CH3
图谱解析(1)饱和烃CH3:2960、2870——1460、1380(此峰分叉表示偕二甲基)CH2:2925、2850——1470(2)烯烃=C-H:3100-3010——1000-800C=C:1680-1620(3)炔烃C-H:3310-3300——700-600C=C:2200-2100C-CC=CC=C120016502150==
苯环、醇与胺的特征频率
(4)苯环C-H:3100-3010苯环:1450、1500、1580、1600(苯环特征,但后三峰不一定同时出现)苯环弯曲:900-650(5)醇-OH:3400-3200 (宽而强)C-O:1100OH弯曲:650(6)胺-NH2:3390、3290 (双峰)C-N:1230-1030(脂肪胺)1340-1250(芳香胺)N-H:1650-1590900-650(宽)C-H3000C-C1200C-N1150C-O1100 C-Cl800
醛酮、羧酸与酯的特征频率
(7)醛和酮C=O:1750-1680(强)C-H:2720(8)羧酸O-H:3000-2500——1400、920(强而宽)C=O:1770-1750C-O:1285(9)酯C=O:1742左右C-O:1241(特征)
官能团区与指纹区
小结:官能团区:4000-1300 cm-1指纹区:1300-650分为6个区:(一)、4000-2500(X—H)(1)O—H3200-3650(2)N—H与羟基类似,伯胺两个吸收峰、叔胺无吸收(3)C—H 3000为分界限醛类在2820及2720处有两个吸收峰气态游离:高波数、峰尖形成氢键:波数低、宽羧酸:缔合,峰型宽不饱和>3000饱和<3000
(二)、2500-2000三键和积累双键区(CO2吸收2365、2335需扣除)C=C,C=N,C=C=C(三)、2000-1500双键振动区C=C1600-1670 (中、低强度)苯环1450、1500、1580、1600 (特征)C=O脂肪酮:1715左右取代基使双键性减弱,吸收频率下降:=R—C—NH2 OR—C =NH2 O-+吸收:1690(1)、共振效应==
(2)、诱导效应R —C—ROR —C—ClOR —C—FO17151785-18151869
R —C—C = C—OR —C—RO脂肪酮1715α,β不饱和酮1675芳酮1690(3)、共轭效应
C—H 弯曲振动区
(四)、1500-1300C—H 弯曲振动区—CH314601380(此峰分叉表示偕二甲基)—CH21470 左右(五)、1300-910单键伸缩、分子骨架振动、部分含氢基团弯曲振动等我们曾计算得:C—C1200C—O1100C—N
苯环取代与烯的碳氢弯曲
(六)、910 以下苯环取代烯的碳氢弯曲振动(本区和上区)
红外光谱解析的三要素在解析红外光谱时,要同时注意吸收峰的位置、强度和峰形。以羰基为例。羰基的吸收一般为最强峰或次强峰。如果在1680-1780 cm-1有吸收峰,但其强度低,这表明该化合物并不存在羰基,而是该样品中存在少量的羰基化合物,它以杂质形式存在。吸收峰的形状也决定于官能团的种类,从峰形可以辅助判断官能团。以缔合羟基、缔合伯胺基及炔氢为例,它们的吸收峰位只略有差别,但主要差别在于峰形:缔合羟基峰宽、圆滑而钝;缔合伯胺基吸收峰有一个小小的分叉;炔氢则显示尖锐的峰形。4、红外光谱解析举例
同一基团的几种振动相关峰应同时存在任一官能团由于存在伸缩振动(某些官能团同时存在对称和反对称伸缩振动)和多种弯曲振动,因此,会在红外谱图的不同区域显示出几个相关吸收峰。所以,只有当几处应该出现吸收峰的地方都显示吸收峰时,方能得出该官能团存在的结论。以甲基为例,在2960、2870、1460、1380 cm-1处都应有C-H的吸收峰出现。以长链CH2为例,2920、2850、1470、720 cm-1处都应出现吸收峰。
谱图解析顺序(1)根据质谱、元素分析结果得到分子式。(2)由分子式计算不饱和度U。U=四价元素数-(一价元素数/2)+(三价元素数/2)+ 1如苯,U=6-6/2+1=4 (3)可以先观察官能团区,找出存在的官能团,再看指纹区。如果是芳香族化合物,应定出苯环取代位置。根据官能团及化学合理性,拼凑可能的结构。(4)进一步的确认需与标样、标准谱图对照及结合其它仪器分析手段得出的结论。(5)标准红外谱图集最常见的是萨特勒(Sadtler)红外谱图集。目前已建立有红外谱图的数据库方便检索。
C12H241、不饱和度=1+12+1/2(0-24)=12、3075 —说明有不饱和烃,可能是烯3、1640 —有C=C,肯定是烯4、3000-2800—大量饱和烃5、2920、2850—CH2多于CH36、1460—CH27、980、915—烯的C-H振动,有端乙基1640307014609809153000-2800[例题1]
例题2]某未知物的分子式为C12H24O2,试从其红外谱图推测它的结构。[解](1)由其分子式可计算出该化合物的不饱和度为1,即该分子含有一个双键或一个环。(2)1700cm-1的强吸收表明分子中含有羰基,正好占去一个不饱和度。(3)3300-2500cm-1的强而宽的吸收表明分子中含有羟基,且形成氢键。吸收峰延续到2500cm-1附近,且峰形强而宽,说明是羧酸。(4)叠加在羟基峰上2920cm-1,2850cm-1为CH2的吸收,而2960cm-1为CH3的吸收峰。从两者峰的强度看,CH2的数目应远大于CH3数。
(5)720cm-1的C-H弯曲振动吸收说明CH2的数目应大于4,表明该分子为长链烷基羧酸。综上所述,该未知物的结构为:CH3(CH2)10COOH。对照图5.20官能团的特征频率,其余吸收峰的指认为:(1)1460cm-1处的吸收峰为CH2(也有CH3的贡献)的C-H弯曲振动。(2)1378cm-1为CH3的C-H弯曲振动。(3)1402 cm-1为C-O-H 的面内弯曲振动。(4)1280cm-1、1220cm-1为C-O的伸缩振动。939cm-1的宽吸收峰对应于O-H面外弯曲振动。
CH2= CH -(CH2)9-CH3此化合物的结构是:
二、红外吸收的强度与浓度红外光谱用于定量分析远远不如紫外-可见光谱法。其原因是:主要缺点:1、光源强度弱,测量精度低;2、光谱通带宽,吸收线窄,偏离吸收定律;3、红外吸收池光程短,红外吸收弱,灵敏度低;4、样品吸收峰多,难找到不受干扰的吸收峰。
定量分析依据是比尔定律:如果有标准样品,并且标准样品的吸收峰与其它成分的吸收峰重叠少时,可以采用标准曲线法以及解联立方程的办法进行单组分、多组分定量。A = εb c
(一)、色散型红外光谱仪1、基本结构光源吸收池单色器检测器光源参比样品单色器检测器三红外光谱的仪器
2、主要部件(1)光源——Nernst灯——炭化硅棒——涂有稀土化合物的Ni-Cr螺旋灯丝30mm1-2mmZrO2 ThO2 Y2O3室温不导电加热到7000C开始导电,同时产生连续红外辐射工作温度:17500C
| 摩尔吸光系数 ε | 吸收强度 |
|---|---|
| > 200 | 很强 |
| 75–200 | 强 |
| 25–75 | 中 |
| 5–25 | 弱 |
| < 5 | 很弱 |
(3)检测器热检测器——热电偶等光检测器——InSb、InAs、PbSe等半导体材料受光照射后导电性变化而产生信号光检测器的灵敏度比热检测器高几倍,但需要液氮冷却。
(4)吸收池(A)固体样品通常采用压片法,将KBr与样品充分研磨,混匀,压片后进行测定。也可采用调糊法,将研细的样品用氟化煤油或重烃油调糊,夹在两盐片间测定。
(B)气体和液体吸收池因玻璃有红外吸收,因此吸收池通常采用盐类的单晶,如KBr、LiF等。这些材料易吸潮,故操作环境应干燥(C)光声光谱强吸收、高分散、不透明的样品,如煤等;常规难制样的样品,如橡胶、高聚物等;可采用光声光谱法。
二、傅立叶变换红外光谱仪Fourier Transform Infrared Spectrometer (FTIR)70年代出现,是一种非色散型红外吸收光谱仪,其光学系统的主体是迈克尔逊(Michelson)干涉仪。测量步骤:1、测得一组包含原辐射全部光谱信息的干涉图;2、经计算机进行傅立叶变换,获得红外吸收光谱图。
光源检测器样品动镜定镜O扫描距离2-18cm速度0.05-4cm/s
1)当O点到动镜和定镜的距离相等—无光程差—相长干涉2)O点到两镜距离(δ表示)相差λ/4的偶数倍—相长干涉相差λ/4的奇数倍—相消干涉发生在上述两种位移之间,亦部分为相消干涉。若令I 为两光束干涉后的强度,则I(δ)=0.5 I(ν) Cos2πδ/ λ
或I(δ)=0.5I(ν) Cos2πνδ以上讨论的是单色光的干涉,若同时有多个频率的光,则任意频率的光强随两镜距离之差为:Ii(δ)=0.5Ii(νi)Cos2πνiδ总光强为I(δ)=
以上讨论的是Michelson干涉仪移动时两镜相差任意δ时的光强I(δ),而我们更关心光强随波长的变化I(ν)而不是光强随两镜距离差的变化I(δ)+∫-∫I(δ)=
I (ν)ν
傅立叶变换的优点:1、FTIR不需要分光,因此检测器接收到的光通量较色散型仪器大得多,因此提高了信噪比和灵敏度,有利于弱光谱的检测;2、FTIR的扫描速度极快,能在很短的时间里(<1s)获得全谱域的光谱响应;3、FTIR仪器与计算机技术的结合,使IR的整机性能大大提高,价格下降,使FTIR的商品仪器获得了普及。
四近红外光谱分析法简介(一)、概述1、近红外光谱的范围—Near Infrared Spectroscopy (NIR)800 nm2500nm1100nm近红外短波区近红外长波区
| 谱带 | 波长范围 (nm) | 相对强度 | 样品池光程 |
|---|---|---|---|
| 基频 | 3380–3510 | 1 | 0.1–4 mm |
| 一级倍频 | 1690–1755 | 0.01 | 0.1–2 cm |
| 二级倍频 | 1127–1170 | 0.001 | 0.5–5 cm |
| 三级倍频 | 845–875 | 0.0001 | 5–10 cm |
3、近红外光谱的特点•除含H原子的化学键外,其它基团不在此区产生吸收,减少了干扰,如谷物中微量水的测定;•近红外短波在固体样品中穿透深度可达几厘米,能直接分析固体样品;•仪器简单,适于自动在线和无损分析,被称为环境友好的绿色快速分析技术;4、发展现状•1988年建立了国际近红外光谱协会•90年代初创刊了国际Journal of Near Spectroscopy•国内近年来在仪器研制和分析应用方面取得了进展
(二)、近红外光谱的仪器光源光栅检测器样品室
8009001000苯异辛烷正庚烷A
五拉曼光谱法Raman spectroscopy(一)、概述1、历史•拉曼效应发现于1928年,发现者为印度物理学家C.V. Raman •拉曼光谱与红外光谱同属分子振动光谱,但红外光谱依据分子对光子的特征吸收而拉曼光谱则依据分子对光的散射•拉曼光谱经历了两次大的发展机遇(60年代激光在拉曼光谱中的应用;最近的表面增强拉曼光谱进行单分子分析)
2、特点•研究分子结构时与红外光谱互为补充,分子振动时,如果偶极矩改变,产生红外光谱,如果分子极化率改变,产生拉曼光谱•信息量丰富,但图谱较红外简单,加之强度与样品浓度成简单线形关系,因此用于定量分析有一定优点•水的拉曼峰很弱,可用做溶剂进行结构分析,此外,拉曼测定制样简单,样品可以是固体、液体或气体
(二)、理论基础1、拉曼散射效应Rayleigh散射Raman散射1234虚态虚态
Rayleigh散射——弹性碰撞方向改变而未发生能量交换Raman散射——非弹性碰撞方向改变并发生能量交换
1234Stokes线νs= ν0 -Δννs= ν0 -(E1-E0) / h 反Stokes线νs= ν0 + Δννas= ν0 + (E1-E0) / h ν0——入射光频率Δν—拉曼位移Δν= (E1-E0) / h
据Boltzman定律,常温下大多数分子处于基态,所以Stokes线强度大于反Stokes线强度,但高温下反Stokes线可大大增强。拉曼位移取决于分子的振动能级的改变,不同的化学键或基团有不同的振动能级,与之相对应的拉曼位移Δν也是特征的,这是拉曼光谱作为分子结构分析的基础。
2、拉曼活性的判断拉曼光谱是否出现,即分子是否有拉曼活性,取决于分子在运动时某一固定方向上诱导出的电偶极矩是否改变。分子的电偶极矩由下式表示:P = αE = αE0cos2πν0t (1)分子的电子云在交变电场作用下会诱导出电偶极矩Pα——分子的极化度(Polarizability) E——入射光的交变电场强度分子的极化度反映分子的属性。在交变电场作用下,当分子的振动引起分子极化度α改变时,则产生拉曼散射。
0+ (d α/dq)0q(2)式中α0是分子在平衡位置的极化度q是双原子分子的振动坐标q = r –re式中r 是双原子分子的核间距re是平衡位置的核间距已知:q = q0cos2πνt 所以P = α0E0cos2πν0t + 1/2 q0E0(d α/dq)0[cos2π(ν0-ν) t + cos2π(ν0+ ν) t ]瑞利散射拉曼散射Stokes线反Stokes线(d α/dq)0 = 0是拉曼活性的依据,分子振动时极化度随振动改变就会产生拉曼散射,即分子具有拉曼活性。
3、拉曼活性与红外活性比较均来源于分子的振动频率变化•相互排斥原则:具有对称中心的分子,其红外和拉曼活性是互相排斥的,红外吸收强则拉曼吸收弱。例如:极性基团振动时常伴随偶极矩变化,因而产生较强的红外吸收,非极性基团振动时极化度变化越大,拉曼散射越强,故非极性基团分析常用拉曼光谱C—CS—SN—N拉曼强
相互允许原则:凡是没有对称中心的分子,红外和拉曼都是活性的•相互禁阻规则:对于少数分子的振动,其红外和拉曼光谱都是非活性的。如乙烯分子的扭曲振动,既没有偶极矩的变化,亦没有极化度的变化,在红外和拉曼光谱中均得不到谱峰。3000200015001000500拉曼位移/cm-13600IC—CC—H
4、拉曼谱的去偏振度及其测量去偏振度ρ与分子的极化度有关,如果分子的极化度中各向同性部分为α,各向异性部分为β,则ρ= 3 β245 α2+ 4 β2对球形分子β=0,所以ρ= 0分子各向异性α= 0,β=3/4所以ρ> 0因此,ρ越小,分子对称性越高通过测量拉曼谱线的去偏振度可以确定分子的对称性
CN(CH3)2N(CH3)2CI-(CH3)2 NCN(CH3)2N(CH3)2(CH3)2 N++测得:ρ0故为对称结构结晶紫
去偏振度测量ρ= I
5. 拉曼光谱的强度I = K (ν0-ν) 4I0 ( )dαdr
(三)、拉曼光谱仪光源单色器检测器样品室
1、光源通常采用激光光源(1)He-Ne激光器主要波长632.8 nm(2)氩离子激光器主要波长514.5 nm488.0 nm——与Rayleigh散射一样,拉曼散射的强度反比于波长的四次方,因此使用较短波长的激光可以获得较大的散射强度——荧光干扰拉曼光谱的测定,因此当样品或杂质有荧光时,使用较短波长的激光也获得较大的荧光干扰
2、样品室——样品池的设计可用于测不仅液体、固体、也可气体——可进行变温、变压实验——为防止样品在强光照射下分解,可设置旋转池
3、单色器色散型:色散性好且降低杂散光影响常采用双光栅分光非色散型:采用傅立叶变换型仪器(四)、检测器早期采用摄谱仪现采用光电倍增管和CCD
显微拉曼分析仪器CCD
Unfiltered•Filtered without R6G•2×10-11M R6G•2×10-11M R6G•2×10-10M R6G•2×10-9M R6G
(五)、高灵敏度拉曼光谱分析的应用传统上认为,拉曼光谱的主要缺点是灵敏度低,其强度较荧光若10-12-10-14数量级,因此应用受到限制。为了提高灵敏度,近年来发展了一些新的技术:1、共振拉曼光谱当激光的频率接近或等于样品分子中某些官能团(生色团)的电子跃迁吸收频率时,由于电子跃迁和振动跃迁的耦合,产生共振拉曼效应。拉曼谱线强度提高104-106倍。
2、表面增强拉曼散射效应Surface-enhance Raman Scattering (SERS)拉曼谱线强度提高1012-1014倍•INRS(νs)=N·I(νl)·SfreeRaman普通Raman
表面增强Raman机理示意图•SERS•Ag•ISERS(νs)=N’·I(νl)·|A (νl)|2·|A(νs)|2·Sads
SERS基质•金属Ag,Au,Cu Ni,Al,Li,Na,K,Pt•半导体CdS,Fe2O3,TiO2•SERS活性物质•先决条件:能吸附在金属基体表面•吡啶等杂环化合物•苯甲酸衍生物•氰基衍生物•一些染料,金属络合物,生物分子,无机分子
1984年,《J.Phys.Chem 》上Peter Hildebrandt等首先研究了R6G在Ag胶表面SERS光谱,发现两种不同机理造成的增强,聚集的纳米银粒子有更强的Raman增强。•1997年,《Science》上,Shuming Nie 和StevenR.Emory利用Ag和R6G进行了单分子、单纳米粒子检测。他们发现在一些单个纳米Ag粒子表面,SERS增强因子可达1014-15.•1999年11月,《Journal of American Chemical Society》,Michaels A.M等对同样体系进行了Rayleigh散射研究,对比SERS,建立了一个新的模型。
SERS免疫分析
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