红外光谱原理及使.ppt

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1、by by 吴吴瑛瑛红外光谱红外光谱红外光谱红外光谱(IR)(IR)Infrared SpectroscopyInfrared Spectroscopy主讲人：吴瑛2008-11-4made by wuying基本原理基本原理实验部分实验部分IRIRAB期末考试期末考试D上机操作上机操作C地点：物化所地点：物化所224样品制备样品制备考核考核软件操作软件操作红外光谱仪红外光谱仪工作原理工作原理红外光谱原理红外光谱原理made by wuying前前 言言红外吸收光谱法红外吸收光谱法是鉴别物质和分析是鉴别物质和分析物质结构的有效手段。已被广泛用于各物质结构的有效手段。已被广泛用于各种物质的种物质

2、的定性鉴别定性鉴别和和定量分析定量分析，并用于，并用于研究研究分子间内部的相互作用分子间内部的相互作用。1 1、解决的问题、解决的问题made by wuying2、发展历史、发展历史第第一一代代：棱棱镜镜式式色色散散型型红红外外光光谱谱仪仪。它它对对温度、湿度敏感，对环境要求苛刻。温度、湿度敏感，对环境要求苛刻。第第二二代代：60年年代代光光栅栅型型色色散散式式红红外外光光谱谱仪仪。这这是是由由于于光光栅栅的的刻刻制制和和复复制制技技术术的的发发展展，出出现现了了光光栅栅代代替替棱棱镜镜。提提高高了了仪仪器器的的分分辨辨率率，展宽了测量波段，降低了环境要求。展宽了测量波段，降低了环境要求。m

3、ade by wuying第第三三代代：干干涉涉型型红红外外光光谱谱仪仪。工工作作原原理理和和色色散散型型完完全全不不同同，它它具具有有宽宽的的测测量量范范围围，高高测测量量精精度度和和极极高高的的分分辨辨率率以以及及极极快快的的测测量量速速度度。此此类类的的代代表表是是FTIR（FourierTransformInfraredSpectroscopy）。第第四四代代：激激光光红红外外光光谱谱。能能量量高高，单单色色性性好好，具具有有极极高高的的灵灵敏敏度度，可可调调激激光光既既作作为为光光源源又又省省去去了了分分光光部部件件，此此类类仪仪器器将将成成为为今后研究的重要方向。今后研究的重要方向

4、。made by wuying3、FTIR的核心的核心是是迈迈克克尔尔逊逊干干涉涉仪仪。是是由由迈迈克克尔尔逊逊（Michelson）制制成成的的，它它可可精精确确地地控控制制两两相相干干光光的的光光程程差差，他他推推断断，从从干干涉涉仪仪测测量的干涉条纹中，可能导出某些光谱信息。量的干涉条纹中，可能导出某些光谱信息。made by wuying4 4、适用范围、适用范围高高分分子子，石石油油工工业业，地地学学，农农业业，食食品品，生生物物学学，生生物物化化学学，医医学学，无无机机和和配配位位化化学学，半半导导体体材材料料，法法庭庭科科学学，环环境境科科学学，气气象象科科学学，染染织织工工业业

5、，日日用用化化工工，原原子子能能科科学学，质量监控，工业生产等方面。质量监控，工业生产等方面。made by wuying红红外光外光谱谱的的基本理基本理论论made by wuyingmade by wuying1.1.红红外外辐辐射射是是波波长长接接近近于于可可见见光光但但能能量量比比可可见见光光低低的的电电磁磁辐辐射射，所所以以它它的的名名称称就就是是因因为为其其能能量量低低于于可可见见光光区区的红外光而取的。的红外光而取的。2.红外光的波长红外光的波长0.7500made by wuying用用波数波数代表（而不用波长或频率）。代表（而不用波长或频率）。当当用用作作为为波波长长单单位位

6、时时，波波数数定定义义为为波波长长的倒数。的倒数。即即()=如如 =2.8 的红外线，它的波数为：的红外线，它的波数为：=3.63.红外光的能量表示：红外光的能量表示：made by wuying4.红外光谱区分类红外光谱区分类根根据据红红外外线线波波长长，习习惯惯将将红红外外光光谱谱分分成成三三个个区区域域，其其中中中中红红外应用最多。外应用最多。名称名称波长波长/波数波数/能级跃迁类型能级跃迁类型503000.782.52.550128204000400020020033近红外近红外（泛频区）（泛频区）中红外（基本中红外（基本振动区）振动区）远红外远红外（转动区）（转动区）O-H，N-H及

7、及C-H键的倍频吸收键的倍频吸收分子中原子的振分子中原子的振动及分子转动动及分子转动分子转动，晶格分子转动，晶格振动振动made by wuying分子中基团的振动和转动能级跃迁产生：振分子中基团的振动和转动能级跃迁产生：振-转光谱转光谱辐射辐射分子振动能级跃迁分子振动能级跃迁红外光谱红外光谱官能团官能团分子结构分子结构made by wuying5.红外光谱的产生：红外光谱的产生：分子振动能级的跃迁（同时伴随分子振动能级的跃迁（同时伴随转动能级的跃迁）而产生的。转动能级的跃迁）而产生的。偶偶极极矩矩变变化化：任任何何分分子子就就其其整整个个分分子子而而言言，呈呈电电中中性性，但但因因构构成成

8、分分子子的的各各原原子子因因价价电电子子得得失失的的难难易易，而而出出现现不不同同的的电电负负性性，分分子子也也因因此此显显示示不不同同的的极极性性。极极性性大大小小用用分分子子偶偶极极矩矩 来来描述：描述：=qd 正负电荷的中心距离正负电荷的中心距离正负电中心的电荷正负电中心的电荷+q_qmade by wuying分分子子内内原原子子处处于于在在其其平平衡衡位位置置不不断断振振动动的的状状态态，d的的瞬瞬时时值值也也不不断断变变化化，也也相相应变化即分子有确定的偶极矩变化频率。应变化即分子有确定的偶极矩变化频率。HClHCld+q_qH2O+q_qOHH+qdmade by wuying分

9、子振动能级的跃迁条件：分子振动能级的跃迁条件：只只有有在在吸吸收收外外界界光光的的能能量量后后才才能能实实现现。换换句句话话说说，将将外外界界红红外外光光的的能能量量转转移移到到分分子子中中去去才才能能实实现现振振动动能能级级的的跃跃迁迁，而而这这种种能能量量的的转转移移是是通通过过偶偶极极矩矩的变化来实现的。的变化来实现的。made by wuying条件是：条件是：当当辐辐射射频频率率与与偶偶极极子子频频率率相相匹匹配配时时，分分子子才才与与辐辐射射发发生生相相互互作作用用（振振动动偶偶合合），而而增增加加它它的的振振动动能，使振动能加激，振幅加大。能，使振动能加激，振幅加大。振动频率将有

10、偶极矩变化的振动基团一个偶极子基态振动振动能级因此由原来较高的较高的视为视为具有一定的具有一定的made by wuying红外吸收条件：红外吸收条件：发发生生偶偶极极矩矩变变化化的的振振动动才才能能引引起起可可观观测测的的红红外外吸吸收收带带，这这种种振振动动为为红红外活性，反之称为非红外活性。外活性，反之称为非红外活性。made by wuying红外光谱图的产生：红外光谱图的产生：当一定频率当一定频率的红外光的红外光分子分子两者产生共振两者产生共振照射该该分分子子中中的的某某个个振振动动频频率和红外光一样率和红外光一样此此时时光光的的能能量量通通过过分分子子偶偶极极矩矩的的变变化化而而传

11、传递递给给分分子子，这这个个基基团团就就吸吸收收一一定定频频率率的的红红外外光光，产生振动跃迁。产生振动跃迁。made by wuying如果红外光的振动频率红外光的振动频率 分子中各基团的振分子中各基团的振动频率动频率不符合不符合导致结果该部分的红该部分的红外光不吸收外光不吸收因因此此用用连连续续改改变变频频率率红红外外光光照照射射某某试试样样，由由于于某某试试样样对对不不同同频频率率的的红红外外光光的的吸吸收收不不同同，使使通通过过试试样样后后的的红红外外光光在在一一些些波波长长范范围围内内变变弱弱（被被吸吸收收），在在另另一一些些范范围围内内则则较较强强（不不吸吸收收）。将将分分子子吸吸

12、收收红红外外光光的的情情况况用用仪器记录，就得到该试样的红外吸收光谱图。仪器记录，就得到该试样的红外吸收光谱图。made by wuying分子振动方程分子振动方程m1m2缩伸伸r谐振子振动示意图谐振子振动示意图简简谐谐振振动动：分分子子中中的的原原子子以以平平衡衡点点为为中中心心，以以非常小的振幅作周期性的振动。非常小的振幅作周期性的振动。模型模型弹簧带小球的模型弹簧带小球的模型为小球质量（原子质量）为小球质量（原子质量）r r弹弹簧簧长长度度（分分子子化化学学键键的的长度长度）m1m2、made by wuying体系的振动频率体系的振动频率（以波数表示）可表示如下：（以波数表示）可表示如

13、下：=（1）分子振动方程式分子振动方程式光速：光速：2.998 1010弹簧的力常数。弹簧的力常数。即联结原子的化学键的力常数即联结原子的化学键的力常数两个小球（两个原子）的折合质量两个小球（两个原子）的折合质量=（2）运用虎克定律：运用虎克定律：made by wuying根据小球的质量和原子量的关系，根据小球的质量和原子量的关系，式改为：式改为：分子振动方程式分子振动方程式=阿佛加德罗常数（阿佛加德罗常数（6.021023）折合相对原子质量折合相对原子质量如两原子的相对质量为如两原子的相对质量为 和和 ，则折合相对原子，则折合相对原子质量：质量：=made by wuying 各有其特征的

14、红外吸收光谱各有其特征的红外吸收光谱 由由可可知知，影影响响基基本本振振动动频频率率的的直直接接因因素素是是相对原子质量和化学键的力常数。相对原子质量和化学键的力常数。各化合物结构各化合物结构原子质量不同原子质量不同力常数不同力常数不同吸收频率不同吸收频率不同不同不同导出导出导导出出made by wuying表表某些键的伸缩力常数（毫达因某些键的伸缩力常数（毫达因/埃）埃）键类型键类型C CC=CCC力常数力常数15 179.5 9.94.5 5.6峰位峰位4.5 m6.0 m7.0 m化学键键强越强（即键的力常数化学键键强越强（即键的力常数K越大），原子折合质越大），原子折合质量越小，化学

15、键的振动频率越大，吸收峰将出现在高波数区。量越小，化学键的振动频率越大，吸收峰将出现在高波数区。made by wuying例题例题:由表中查知由表中查知C=C键的键的K=9.5 9.9,令其为令其为9.6,计算波数值。计算波数值。正己烯中C=C键伸缩振动频率实测值为1652cm-1made by wuying分子振动形式分子振动形式双原子分子双原子分子只有只有一种振动形式一种振动形式伸缩振动伸缩振动多原子分子多原子分子有有多种振动方式多种振动方式伸缩振动伸缩振动弯曲振动弯曲振动伸伸缩缩振振动动：指指原原子子沿沿着着旋旋轴轴方方向向作作使使键键长长发发生生变变化的往复运动。以符号化的往复运动。

16、以符号V表示。表示。弯弯曲曲振振动动：即即变变形形振振动动，是是指指原原子子沿沿垂垂直直与与它它的键轴方向的运动，它可能有键角的变化。的键轴方向的运动，它可能有键角的变化。made by wuyingHHC对称对称Vs2853(s)伸缩振动伸缩振动反对称反对称对称对称弯曲振动弯曲振动面内弯曲面内弯曲面外弯曲面外弯曲对对称称伸伸缩缩振振动动相相对对中中心心原原子子而而言言，两两个个相相同同原原子子沿沿键键轴轴的的运运动动方方向向相相同同，用用Vs表表示示。如：如：反反对对称称伸伸缩缩振振动动两两个个相相同同原原子子沿沿键键轴轴的的运运动动方向相反，用方向相反，用Vas表示。如：表示。如：HHC反

17、对称反对称Vas 2926 (s)made by wuying面内弯曲面内弯曲弯弯曲曲振振动动在在几几个个原原子子所所构构成成的的平平面内进行，以面内进行，以表示。表示。分类分类剪刀振动剪刀振动两个相同原子在同一平面内彼此相两个相同原子在同一平面内彼此相向弯曲振动，键角发生变化。向弯曲振动，键角发生变化。面对摇摆振动面对摇摆振动两个相同原子在同一平面内两个相同原子在同一平面内向同一方向弯曲振动，键角不发生变化。向同一方向弯曲振动，键角不发生变化。HHC:720摇摆摇摆HHC:1468剪式剪式made by wuying指指弯弯曲曲振振动动在在几几个个原原子子所所构构成成的的平平面面上下进行，以

18、符号上下进行，以符号r表示。表示。面外弯曲面外弯曲分类分类扭扭曲曲振振动动两两个个相相同同原原子子方方向向相相反反，相相对对于于纸纸平平面面上上下下方方向向所所作作的的弯弯曲曲振振动动，键键角角发发生生变变化。化。面面外外摇摇摆摆振振动动两两个个相相同同原原子子向向同同方方向向，相相对对于于纸纸平平面面所所作作的的弯弯曲曲振振动动，键键角角不不发发生生变化。变化。：1250HHC扭扭曲曲+_HHC摇摆+：1306made by wuying伸缩振动伸缩振动甲基：甲基：变形振动变形振动甲基甲基对称对称s s(CH(CH3 3)1380)1380-1-1 不不对称对称asas(CH(CH3 3)1

19、460)1460-1-1对称对称不对称不对称s s(CH(CH3 3)asas(CH(CH3 3)2870 2870-1-1 2960 2960-1-1甲基的振甲基的振动动形式形式made by wuying理论上，多原子分子的振动数应与谱峰数理论上，多原子分子的振动数应与谱峰数相同相同。振动的自由度振动的自由度指分子独立的振动数目，或基本的振动数目N N个个原子原子组组成分子，每成分子，每个个原子在空原子在空间间具三具三个个自由度自由度线性分子：线性分子：F3N-5非线性分子：非线性分子：F3N-6分子自由度平动自由度分子自由度平动自由度+转动自由度转动自由度+振动自由度振动自由度3N分子振

20、动自由度分子振动自由度3N-（平动自由度（平动自由度+转动自由度）转动自由度）made by wuying水分子非线性分子H2O分子分子IR谱图谱图made by wuying（2349cm-1)（667cm-1)（667cm-1)CO2分子分子IR谱图谱图（1388cm-1)实际上，谱峰数常常实际上，谱峰数常常少于少于理论计算出的振动数。理论计算出的振动数。例如：例如：CO2made by wuying实实际际上上，谱谱峰峰数数常常常常少少于于理理论论计计算算出出的的振振动动数数，这是因为：这是因为：偶偶极极矩矩的的变变化化=0的的振振动动，不不产产生生红红外外吸吸收收,如如CO2；谱线简并

21、（振动形式不同，但其频率相同）；谱线简并（振动形式不同，但其频率相同）；仪器分辨率或灵敏度不够，有些谱峰观察不到仪器分辨率或灵敏度不够，有些谱峰观察不到;有些吸收带落在仪器检测范围之外。有些吸收带落在仪器检测范围之外。made by wuying基频峰基频峰基团由基态向第一振动能级跃迁所基团由基态向第一振动能级跃迁所吸收的红外光频率。吸收的红外光频率。倍频峰倍频峰由基态跃迁至第二激发态、第三由基态跃迁至第二激发态、第三激发态所产生的吸收峰。激发态所产生的吸收峰。合频峰合频峰差频峰差频峰四四峰峰made by wuying以以HCl为例：为例：基频峰（基频峰（01）2885.9cm-1最强最强二

22、倍频峰（二倍频峰（02）5668.0cm-1较弱较弱三倍频峰（三倍频峰（03）8346.9cm-1很弱很弱四倍频峰（四倍频峰（04）10923.1cm-1极弱极弱五倍频峰（五倍频峰（05）13396.5cm-1极弱极弱made by wuying红外光谱的吸收强度红外光谱的吸收强度吸吸收收峰峰的的强强度度取取决决于于振振动动进进程程中中偶偶极极矩矩的的变化变化及及能级的跃迁几率能级的跃迁几率。红红外外光光谱谱的的强强度度与与分分子子振振动动时时偶偶极极矩矩变变化化的平方成正比。的平方成正比。跃跃迁迁几几率率指指能能级级跃跃迁迁过过程程中中，激激发发态态分分子子所占分子总数的百分数。所占分子总数

23、的百分数。made by wuying分子结分子结构特点构特点与分子组成或化学基团的含与分子组成或化学基团的含量有关，可进行定量分析量有关，可进行定量分析定定性性分分析析红外吸收带的波数位置红外吸收带的波数位置波峰的数目波峰的数目吸收谱带的强度吸收谱带的强度made by wuying 红红外光外光谱仪谱仪及原理及原理 made by wuying光源光源样品样品分光器分光器检测器检测器光谱图光谱图图图1 1 色散型红外原理图色散型红外原理图色散型红外与傅立叶变换红外比较色散型红外与傅立叶变换红外比较：相同点：都是用来获得物质的红外吸收光谱相同点：都是用来获得物质的红外吸收光谱异同点：测定原理

24、都不同异同点：测定原理都不同色散型红外光谱色散型红外光谱光源发出的光照射试样，而后再经光栅分成单色光源发出的光照射试样，而后再经光栅分成单色光，由检测器检测后获得光谱。光，由检测器检测后获得光谱。1.FTIR光谱的基本原理光谱的基本原理made by wuying光源光源样品样品分光器分光器检测器检测器光谱图光谱图图图2 2 干涉型红外原干涉型红外原理图理图计算机计算机光源光源样品样品干涉仪干涉仪检测器检测器干涉图干涉图光谱图光谱图FTIR光光源源发发出出的的光光经经迈迈克克尔尔逊逊干干涉涉仪仪变变成成干干涉涉光光，再再让让干干涉涉光光照照射射样样品品，检检测测器器获获得得干干涉涉图图，而而得

25、得不不到到红红外外吸吸附附光光谱谱，实实际际吸吸收收光光谱谱是是由由计计算算机机把把干干涉涉图图进进行行傅傅立立叶叶数数学学变换得到的。变换得到的。made by wuying光源光源样品样品分光器分光器检测器检测器光谱图光谱图图图2 2 干涉型红外原干涉型红外原理图理图计算机计算机光源光源样品样品干涉仪干涉仪检测器检测器干涉图干涉图光谱图光谱图FTIR光光源源发发出出的的光光经经迈迈克克尔尔逊逊干干涉涉仪仪变变成成干干涉涉光光，再再让让干干涉涉光光照照射射样样品品，检检测测器器获获得得干干涉涉图图，而而得得不不到到红红外外吸吸附附光光谱谱，实实际际吸吸收收光光谱谱是是由由计计算算机机把把干干

26、涉涉图图进进行行傅傅立立叶叶数数学学变换得到的。变换得到的。made by wuying傅立叶傅立叶变换红变换红外光外光谱仪谱仪工作原理工作原理图图FTIR无无分分光光系系统统，测测量量时时是是应应用用经经过过迈迈克克尔尔逊逊干干涉涉仪仪调调制制了了的的干干涉涉光光，可可一一次次取取得得全全波波段段光光谱谱信信息息，具具有有高高光光通通量量，低低噪噪声声，测测量量速速度度快快等等一一系列优点。系列优点。made by wuying表表1色散型与色散型与FTIR光谱性能比较表光谱性能比较表 色散型色散型 FTIR 1.1.光光学学部部件件复复杂杂，带带有有多多种种易易磨磨损损的的活活动动部部件件

27、，有有机机械公差。械公差。2.2.测测量量波波段段窄窄，扩扩宽宽波波段设计复杂，制作困难。段设计复杂，制作困难。3.3.测测量量精精度度低低，需需用用外外部标准校正。部标准校正。4.4.为为了了获获得得高高分分辨辨光光谱谱图图需需用用光光栏栏限限制制光光束束，使使光光通通量降低，检测灵敏度下降。量降低，检测灵敏度下降。1.1.光光学学部部件件简简单单，只只有有一一个个可动镜在实验过程中运动。可动镜在实验过程中运动。2.2.测测量量波波段段宽宽，只只需需换换用用不不同同的的分分束束器器、光光源源和和探探测测器器，就就能能测测450006cm-1整整个个光光谱谱波波段。段。3.3.利利用用He-N

28、e激激光光器器提提供供0.01cm-1的测量的测量精精度。度。4.4.光光束束全全部部通通过过，光光通通量量大大，检测灵敏度检测灵敏度高高。made by wuying色散型色散型FTIR5.使使用用色色散散法法，在在某某时时间间间间隔隔内内只只能能测测量量很很窄窄的的波波段范围。段范围。6.扫扫描描速速度度慢慢不不宜宜测测量量快快速速变变化化的的过过程程，与与GC、LC联机检测困难。联机检测困难。7.杂散光易造成虚假读数。杂散光易造成虚假读数。8.样样品品受受红红外外光光束束聚聚焦焦加加热，易产生热效应。热，易产生热效应。9.样样品品自自身身的的红红外外辐辐射射会会被检测器接受。被检测器接受

29、。5.具具有有多多路路通通过过特特点点，所所有有频频率率同时测量。同时测量。6.扫扫描描速速度度最最快快可可达达60次次/秒秒，可可作作快快速速反反应应动动力力学学研研究究，并并可可与与GC、LC联机检测。联机检测。7.使使用用调调制制音音频频测测量量，杂杂散散光光不不影响影响检测。检测。8.样样品品放放于于分分束束器器后后测测量量，大大量量辐辐射射由由分分束束器器阻阻挡挡，样样品品又又接接受受调制波，故使调制波，故使热效应极小热效应极小。9.检检测测器器仅仅对对调调制制的的音音频频信信号号有有反应反应。made by wuying图图3 迈迈克尔克尔逊逊干涉干涉仪仪示意示意图图光光学学分分束

30、束器器具具有有半半透透明明性性质质，放放于于动动镜镜和和定定镜镜之之间间，和和它它们们呈呈45 角角放放置置。它它使使入入射射的的单单色色光光50%通通过过，50%反反射。射。2.2.迈克尔逊干涉仪与干涉图迈克尔逊干涉仪与干涉图1.1.干涉仪组成如图：干涉仪组成如图：I定镜定镜反射光反射光光源光源45o检测器检测器分束器分束器动镜动镜透射光透射光I I反反射射光光反反射射光光到到定定镜镜后后沿沿光光路路返返回回分分束束器器，其其中中一一半半又又透透过过分分束束器器射射向向探探测测器器，另另一一半半则则被被反射回光源。反射回光源。透透射射光光也也是是同同样样经经历历，穿穿过过分分束束器器射射到到

31、动动镜镜上上，在在那那里里被被反反射射，沿沿原原光光路路回回到到分分束束器器，再再被被分分束束器器反反射射，与与光光束束一一样样射射向向检检测测器器，光光束束的的另另一一半半则则透透过过分分束束器器返返回回光光源源。射射向向探探测测器器的的、两两光光束束实实际际上上又又会会合合在在一一起起，但但已已成成为为具具有有干干涉涉光光特特性性的的相干光。相干光。made by wuying图图4 4 不同情况下产生的干涉不同情况下产生的干涉从移动镜来的光从移动镜来的光从固定镜来的光从固定镜来的光干涉光干涉光(a)(b)光程差光程差 场合场合光程差光程差场合场合当当动动镜镜移移动动到到不不同同位位置置时

32、时，即即能能得得到到不不同同光光程程差差的的干干涉涉光光强，干涉光产生的过程可用图强，干涉光产生的过程可用图4定性说明定性说明:made by wuying图图5动镜移动中产生动镜移动中产生干涉示意图干涉示意图动镜动镜光源光源定镜定镜通至检测器通至检测器样品样品I分束器分束器IIABC检检测测器器信信号号O动镜移动时如何产生干涉动镜移动时如何产生干涉当当定定镜镜和和动动镜镜距距分分束束器器距距离离相相等等时时（A位位）：光光和和光光则则到到达达探探测测器器时时光光程程一一样样，相相位位相相同同，产产生生相相长干涉，亮度最强。长干涉，亮度最强。如如动动镜镜移移动动1/41/4，则则、两两光光将将

33、有有1/21/2的的光光程程差差，相相位位相相反反发发生相消干涉，亮度最弱。（生相消干涉，亮度最弱。（B B位）位）如如动动镜镜移移动动1/2 1/2 ，则则、两两光光将将有有1 1 的的光光程程差差，相相位位相相同同发发生生相长干涉，亮度加强。相长干涉，亮度加强。（C C位）位）当动镜移动时：当动镜移动时：光光程无变光光程无变化（定镜返回光），化（定镜返回光），光光程光光程都随动镜移动不断变化。都随动镜移动不断变化。made by wuying负号负号 表示动镜从零位向分束器方向移动。表示动镜从零位向分束器方向移动。正号正号 表示动镜从零位向远离分束器方向移动。表示动镜从零位向远离分束器方向

34、移动。零位零位 是动镜距分束器和定镜距分束器相等的部位。是动镜距分束器和定镜距分束器相等的部位。光光程程差差为为 发发生生相相长长干干涉涉，光强加强。光强加强。光光程程差差为为发发生生相相消消干干涉涉，光强减弱。光强减弱。依依此此类类推推，、两两相相干干光光光光程程类类型型差差变变化所产生的干涉有如下规律：化所产生的干涉有如下规律：made by wuying在在动动镜镜移移动动的的相相长长、相相消消干干涉涉间间是是部部分分相相长长和和相相消消干干涉涉。因因此此，对对一一个个纯纯单单色色光光，在在动动镜镜移移动动中中将将得得到到强强度度不不断断变变化化的的余余弦弦干干涉涉波波。如如果果动动镜镜

35、以以速速度度相相对对光光束束器器移移动动，探探测测器器得得到到的的信信号号强强度度将将随随相相长长和和相相消消干干涉涉变变化化而而不不断断改改变变，其周期变化规律可用下式表示：其周期变化规律可用下式表示：调制频率调制频率动镜移动速度动镜移动速度波长波长波数（波数（）1-1-1-1-1 1made by wuying由由上上式式可可知知，迈迈克克尔尔逊逊干干涉涉仪仪把把高高频频率率振振动动的的红红外外光光（光光速速/波波长长101014 14 ）通通过过动动镜镜不不断断移移动调制成低频的音频频率（动调制成低频的音频频率（=10 =102 2）。）。由由此此可可知知，在在FTIR红红外外测测量量时

36、时，检检测测器器上上接接受受的的实实际际是音频信号，是音频信号，FTIR能抗杂散光干扰的根本原因之一能抗杂散光干扰的根本原因之一。例如动镜移动的速度为例如动镜移动的速度为0.16 0.16 时，时，4000400波段的调制频率该为波段的调制频率该为128左右。左右。made by wuying现在我们再来研究一下纯单色光经干涉仪后产现在我们再来研究一下纯单色光经干涉仪后产生干涉光的强度变化规律。理想状态下，在任生干涉光的强度变化规律。理想状态下，在任意光程差意光程差x时入射到探测器上的光强可用下式表时入射到探测器上的光强可用下式表示：示：分束器反射率分束器反射率 分束器透射率分束器透射率 波数

37、波数 探测器上产生的信号强度，它是光程差探测器上产生的信号强度，它是光程差x的函数的函数光源强度，与光的频率有关光源强度，与光的频率有关1-1-1-1-2 2made by wuying1-1-31-1-3从从1-1-31-1-3式可知，探测器上产生的信号是直流式可知，探测器上产生的信号是直流部分部分 和交流部分和交流部分 之和。之和。从光谱实际测量来看，一般来说仅有交流部从光谱实际测量来看，一般来说仅有交流部分才有实际意义。故含交流分量为：分才有实际意义。故含交流分量为：这个交流分量这个交流分量 代表了光强随光程差代表了光强随光程差 的变化，的变化，我们称它为干涉图。我们称它为干涉图。1-1

38、-41-1-4改写改写1-1-21-1-2式：式：made by wuying从从1-1-41-1-4式看，在理想状态下，式看，在理想状态下，单色光的干涉图是单色光的干涉图是一条余弦曲线一条余弦曲线，参看图，参看图5 5：在非理想状态下，对实测干涉图，需加一修正项在非理想状态下，对实测干涉图，需加一修正项 ,1 1（校正因子）。（校正因子）。在非理想状态下，检测器测得的干涉强度与在非理想状态下，检测器测得的干涉强度与 有关外，还与有关外，还与 （分束器反射率），（分束器反射率），（分束器透（分束器透射率）有关，与放大器特性有关，只需加修正项。射率）有关，与放大器特性有关，只需加修正项。1-1-

39、41-1-4式改写为：式改写为：1-1-51-1-5made by wuying 1-1-61-1-6则则=令令=项是修正后的光源强度，它是光源频项是修正后的光源强度，它是光源频率的函数。同样对一个有连续波长的复色率的函数。同样对一个有连续波长的复色光，其干涉图可用下式表示：光，其干涉图可用下式表示：1-1-71-1-7=这这复色光的干涉图是各单色光干涉图的加合复色光的干涉图是各单色光干涉图的加合。由于。由于零光程差时各单色光强度都为极大值，其余部分则零光程差时各单色光强度都为极大值，其余部分则因相长或相消干涉强弱不同而相互抵消，它们加合因相长或相消干涉强弱不同而相互抵消，它们加合的结果形成一

40、个中心突起并向两边迅速衰减的对称的结果形成一个中心突起并向两边迅速衰减的对称图形。图形。made by wuying图图6各类光的干涉图及它们加合的复光干涉图各类光的干涉图及它们加合的复光干涉图加合干涉图加合干涉图单色光单色光干涉图干涉图单色光单色光干涉图干涉图单色光单色光干涉图干涉图made by wuying1-1-81-1-8是傅立叶变换光谱学的基本方程式，这一套是傅立叶变换光谱学的基本方程式，这一套变换处理记忆十分复杂，必须用电子计算机才能变换处理记忆十分复杂，必须用电子计算机才能完成。完成。为了更好的了解各类光谱图及其相应的干涉图形为了更好的了解各类光谱图及其相应的干涉图形形态，现选

41、用典型的光谱及其相应干涉图示于图形态，现选用典型的光谱及其相应干涉图示于图7:7:可见，由迈克尔逊干涉仪不能直接获得样可见，由迈克尔逊干涉仪不能直接获得样品的吸收光谱，只能得到样品吸收光谱的品的吸收光谱，只能得到样品吸收光谱的干涉图。为获得样品的吸收光谱图，必须干涉图。为获得样品的吸收光谱图，必须对式对式1-1-7进行傅立叶变换。进行傅立叶变换。1-1-81-1-8=made by wuying1.1.纯单色光的干涉图纯单色光的干涉图 是一条余弦曲线是一条余弦曲线 2.2.两等强度不同频率两等强度不同频率光的干涉图光的干涉图是两单色光干涉图的叠是两单色光干涉图的叠加，由于相长、相消叠加，由于相

42、长、相消叠加而变成这样的形态。加而变成这样的形态。图图7各类光谱及其相应干涉图各类光谱及其相应干涉图made by wuying3.3.随着谱带加宽随着谱带加宽 叠叠加加的的单单色色光光干干涉涉图图加加多多，逐逐渐渐形形成成零零光光程程差差处处最最强强，两边逐渐衰减的干涉图两边逐渐衰减的干涉图4.4.由单色光加合由单色光加合而成复合光而成复合光 复合光越复杂，其干涉图越复合光越复杂，其干涉图越锐，两边衰减也越快锐，两边衰减也越快 made by wuying图图8多色干涉光经样品吸收后的干涉图多色干涉光经样品吸收后的干涉图(a)及其及其Fourier变换后的红外光谱图变换后的红外光谱图(b)m

43、ade by wuying红外光谱法的应用红外光谱法的应用1.1.已知物的鉴定已知物的鉴定 将试样的谱图与标准的谱图进行对照，或者与将试样的谱图与标准的谱图进行对照，或者与文献上的谱图进行对照。文献上的谱图进行对照。2.2.未知物结构的测定未知物结构的测定（1 1）查查阅阅标标准准谱谱图图的的谱谱带带索索引引，与与寻寻找找试试样样光光谱谱吸收带相同的标准谱图；吸收带相同的标准谱图；（2 2）进进行行光光谱谱解解析析，判判断断试试样样的的可可能能结结构构，然然后后在由化学分类索引查找标准谱图对照核实。在由化学分类索引查找标准谱图对照核实。made by wuying正己烷正己烷最最常常见见的的有

44、有机机化化合合物。物。谱图解析谱图解析正己烷正己烷made by wuying谱谱图图的的解解析析一一般般从从高高波波数数开开始始，因因为为高高波波数数谱谱峰峰频频率率与与基基团团一一一一对对应应，而而且且最最容容易易解解释释。在在3000cm-1以以上上没没有有吸吸收收峰峰，表表明明没没有有不不饱饱和和的的CH伸伸缩缩振振动动。在在3000cm-1以以下下的的四四个个峰峰是是饱饱和和C-H伸缩振动峰。伸缩振动峰。谱图解析谱图解析正己烷正己烷made by wuying在在2962cm-1处处的的峰峰是是CH3基基团团的的反反对对称称伸伸缩缩振振动动。这这种种反反 对对 称称 伸伸 缩缩 振振

45、 动动 范范 围围296210cm-1，事事实实上上，存存在在两两个个简简并并的的反反对对称称伸伸缩缩振振动（显示其中一个）。动（显示其中一个）。谱图解析谱图解析正己烷正己烷made by wuying在在2926cm-1处处，是是CH2的的不不对对称称伸伸缩缩振振 动动 峰峰，一一 般般 在在292610cm-1范范 围围内。内。谱图解析谱图解析正己烷正己烷made by wuying2872cm-1处处是是CH3的的对对称称伸伸缩缩振振动动峰峰，一一般般波波数数范范围为：围为：287210cm-1。谱图解析谱图解析正己烷正己烷made by wuying在在2853cm-1处处的的吸吸收收

46、峰峰，是是CH2的的对对称称伸伸缩缩振振动动峰峰，一一般般这这种种振振动动峰峰的的吸吸收收位位置在：置在：285310cm-1。谱图解析谱图解析正己烷正己烷made by wuying这这是是C-H弯弯曲曲振振动动区区域域，把把该该区区域域放放大大CH2和和CH3的的弯弯曲曲振振动动峰峰叠叠加加在在一一起起，关关于于这这一一点点，我我们们可可以以比比较较环环己己烷烷和和2,3-二二甲甲基基丁丁烷烷在在该该区区间间的的吸收峰。吸收峰。谱图解析谱图解析正己烷正己烷made by wuying在在1460cm-1出出现现的的宽宽峰峰实实际际上上是是两两个个峰峰叠叠加加而而成成的的。一一般般地地，CH

47、3基基团团的的反反对对称称弯弯曲曲振振动动峰峰的的位位置置在在146010cm-1,这这是是一一个个简简并并弯弯曲曲振振动动（仅仅显显示示一一种种）。谱图解析谱图解析正己烷正己烷made by wuying在在145510cm-1处处，是是CH2的的弯弯曲曲振振动动峰峰吸吸收收值（也叫剪刀振动）。值（也叫剪刀振动）。谱图解析谱图解析正己烷正己烷made by wuying在在137510cm-1，是是CH3对对称称弯弯曲曲振振动动（也也叫叫“伞伞”弯弯曲曲振振动动）吸吸收收峰峰位位置置，这这个个峰峰通通常常时时很很有有用用的的，因因为为这这个个峰峰比比较较孤孤立立，比比较较环环己己烷烷的的谱谱

48、图图，最最大大的的差差异异就就是是在在环环己己烷烷谱谱图图中中没没有有CH3基团的对称弯曲振动峰。基团的对称弯曲振动峰。谱图解析谱图解析正己烷正己烷made by wuying这这是是指指纹纹区区，这这一一段段区区间间的的吸吸收收有有很很多多的的因因素素，很很难难解解释释。不不管管多多么么复复杂杂，利利用用参参考考谱谱图图进进行行比比对对，即即可可对对样样品品进进行行定定性判断。性判断。谱图解析谱图解析正己烷正己烷made by wuying当当四四个个或或更更多多的的CH2基基团团 在在 一一 根根 链链 上上，72010 cm-1是是CH2基基团的摇摆振动。团的摇摆振动。谱图解析谱图解析正

49、己烷正己烷made by wuying红红外透射光外透射光谱谱的的样样品制品制备与数备与数据据处处理理made by wuying一、一、透射光谱的样品制备透射光谱的样品制备要要得得到到一一张张高高质质量量的的谱谱图图，除除需需要要好好的的仪仪器器、合合适适的的操操作作条条件件外外，样样品品的的制制备备技技术术也很重要。也很重要。红红外外吸吸收收谱谱带带的的位位置置、强强度度和和形形状状随随测测定时样品的物理状态和制样方法而变化。定时样品的物理状态和制样方法而变化。made by wuying如：同一种样品如：同一种样品 气态红外谱图气态红外谱图液态红外谱图液态红外谱图固态红外谱图固态红外谱图

50、是不同的是不同的 同一种固态样品同一种固态样品 不同谱形不同谱形颗粒大颗粒大颗粒小颗粒小为为了了清清楚楚研研究究一一个个样样品品中中弱弱吸吸收收谱谱带带及及强强吸吸收收谱谱带带，需需要要在在几几个个不不同同厚厚度度或或不不同同浓浓度度的的条条件件下对样品进行测量。下对样品进行测量。made by wuying 各各种种不不同同的的样样品品有有不不同同的的处处理理技技术术，一一种种样样品品往往往往有有几几种种制制样样方方法法可可供供选选择择，因因此此需需要要根根据据具具体体情情况况如如样样品品状状态态，分分析析目目的的等等具具体体的的样样品品制制备备方法。方法。色色散散型型（棱棱镜镜、光光栅栅）