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紅外光譜解析(紅外光竟然能鑒定物質(zhì)結(jié)構(gòu))

2022-06-20 22:08:45 百科全書來源:
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目前大家應(yīng)該是對紅外光譜解析(紅外光竟然能鑒定物質(zhì)結(jié)構(gòu))比較感興趣的,所以今天好房網(wǎng)小編CC就來為大家整理了一些關(guān)于紅外光譜解析(紅外光竟然能鑒定物質(zhì)結(jié)構(gòu))方面的相關(guān)知識來分享給大家,希望大家會喜歡哦。

紅外光譜解析(紅外光竟然能鑒定物質(zhì)結(jié)構(gòu)?)

總的來說,世界上的任何物質(zhì)都是運動著的,除了人們可以直接觀察到的宏觀運動,如流動的河水,奔馳的汽車等,構(gòu)成物質(zhì)的分子和原子還存在著微觀運動,這些運動很難直接觀察或捕捉,通常都是以間接的方式被認(rèn)識和研究的,比如炒菜時滿屋飄香(氣味分子的擴(kuò)散運動)。與宏觀現(xiàn)象一樣,微觀世界的物質(zhì)運動也必然伴隨著能量的變化和轉(zhuǎn)移,這些變化直接與電磁波發(fā)生聯(lián)系,可以用簡單的關(guān)系式,即普朗克定律來表示:

紅外光竟然能鑒定物質(zhì)結(jié)構(gòu)?

式中紅外光竟然能鑒定物質(zhì)結(jié)構(gòu)?為能量的變換值,h 為普朗克常數(shù),紅外光竟然能鑒定物質(zhì)結(jié)構(gòu)?為電磁波的頻率。

電磁波是以波動的形式傳播的電磁場。按照波長或頻率的順序把相應(yīng)的電磁波排列起來,就是電磁波譜(如下圖)。依照波長的長短、頻率以及波源的不同,電磁波譜可大致分為:γ射線、X射線、紫外線、可見光、紅外線、微波和無線電波,而本片文章要介紹的就是利用紅外輻射的紅外光譜分析。

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分子在振動運動的同時還存在轉(zhuǎn)動運動,紅外吸收光譜是分子振動能級的躍遷(同時伴隨轉(zhuǎn)動能級的躍遷)而產(chǎn)生的,實際上是分子的振動與轉(zhuǎn)動運動的加和表現(xiàn),因此又稱為分子振動轉(zhuǎn)動光譜。接下來就讓我們踏上旅程,去探索一下紅外吸收光譜圖的形成過程吧!

和可見光一樣,紅外輻射可以a、從物質(zhì)表面反射b、被物質(zhì)吸收c、穿透物質(zhì)(如下圖)。

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物質(zhì)吸收電磁輻射應(yīng)滿足兩個條件:

(1)輻射應(yīng)具有剛好能滿足物質(zhì)躍遷時所需的能量;

(2)輻射與物質(zhì)之間有相互作用。

當(dāng)一定頻率(一定能量)的紅外光照射分子時,如果分子中某個基團(tuán)的振動頻率和紅外輻射的頻率一樣,就滿足了第一個條件。為滿足第二個條件,分子必須有偶極矩的改變。什么是偶極矩呢?我們知道,任何分子就其整體而言是呈現(xiàn)電中性的,但由于分子中的各個原子因外層電子得失難易表現(xiàn)出不同的電負(fù)性,使得分子顯示不同的極性。我們通常用偶極矩μ來表示分子極性的大?。ㄈ缦聢D):

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只有發(fā)生偶極矩變化的振動才能產(chǎn)生可觀測的紅外吸收光譜。由于d的瞬時值不斷在發(fā)生變化,分子的偶極矩μ也相應(yīng)地改變。當(dāng)一定頻率的紅外光照射分子時,如果分子中某個基團(tuán)的振動頻率和它一樣,二者就會產(chǎn)生共振,此時光的能量通過分子偶極矩的變化傳遞給分子,增加了基團(tuán)的振動能,振幅加大,這個基團(tuán)就吸收一定頻率的紅外光,產(chǎn)生振動躍遷。

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而當(dāng)使用連續(xù)改變頻率的紅外光照射分子時,如果紅外光的振動頻率和分子中各基團(tuán)的振動頻率不同,該部分紅外光就不會被吸收(如上圖)。這樣由于通過分子的紅外光被吸收的情況不同,在一些波長范圍內(nèi)被部分吸收后變?nèi)酰诹硪恍┎ㄩL范圍內(nèi)不被吸收,將分子吸收紅外光的情況用傅里葉變換紅外光譜儀記錄下來,就得到該樣品的紅外吸收光譜圖了。下圖為傅里葉變換紅外光譜儀記錄紅外譜圖過程示意圖:

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通過這些得到的紅外吸收光譜圖我們就可以分析物質(zhì)的結(jié)構(gòu),獲取有用的結(jié)構(gòu)信息。那么具體如何來看?

分子中的原子有兩種基本振動形式類型,即伸縮振動和變角振動,其中變角振動又包括彎曲振動和變形振動。如果我們把分子比作用一根彈簧連接的兩個剛性小球(如下圖),那么彈簧長度就代表化學(xué)鍵的長度。

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對于雙原子分子來說,只有一種伸縮振動形式,即兩個小球在同一直線上來回伸縮;而對于多原子分子,則存在多種振動形式,比如H2O分子的對稱伸縮振動、反對稱伸縮振動和彎曲(變形)振動(圖1),還有甲基的伸縮振動和不同種類的彎曲(變形)振動(圖2)。

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圖1 水分子的紅外譜圖

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圖2 甲基的振動形式

紅外光譜除用波長λ(單位μm)表征外,為便于表達(dá),還廣泛使用波數(shù)(單位cm-1)表征。波數(shù)是波長的倒數(shù),表示每厘米長光波中波的個數(shù),波數(shù)和波長的關(guān)系式為:

v(cm-1)=1/λ(cm)=10000/λ(μm)

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習(xí)慣上按照紅外線波長,將紅外光譜分成三個區(qū)域:近紅外區(qū)、中紅外區(qū)和遠(yuǎn)紅外區(qū)三個波段。三個區(qū)的波長和波數(shù)范圍如下圖所示:

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其中,近紅外光譜是由分子的倍頻、合頻產(chǎn)生的;中紅外光譜屬于分子的基頻振動光譜;遠(yuǎn)紅外光譜則屬于分子的轉(zhuǎn)動光譜和某些基團(tuán)的振動光譜。由于絕大多數(shù)有機(jī)物和無機(jī)物的基頻吸收帶都出現(xiàn)在中紅外區(qū),因此中紅外區(qū)是研究和應(yīng)用最多的區(qū)域,積累的資料也最多,儀器技術(shù)最為成熟。

我們通常所說的紅外光譜系指波長在5-25 μm之間的中紅外光譜。就像每個人都有不同的指紋一樣,每一種化合物也都有屬于自己的“指紋圖譜”——紅外光譜,其最重要的應(yīng)用是中紅外區(qū)有機(jī)化合物的結(jié)構(gòu)鑒定。通過與標(biāo)準(zhǔn)譜圖比較,可以確定化合物的結(jié)構(gòu);對于未知樣品,通過官能團(tuán)、順反異構(gòu)、取代基位置、氫鍵結(jié)合以及絡(luò)合物的形成等結(jié)構(gòu)信息可以推測結(jié)構(gòu)。紅外光譜與紫外光譜、質(zhì)譜、核磁共振并稱物質(zhì)結(jié)構(gòu)分析“四大譜”,是儀器分析中重要的分析手段之一。

隨著紅外光譜附件技術(shù)(如顯微鏡、漫反射、鏡面反射和掠角反射、衰減全反射等配件)和計算機(jī)軟件技術(shù)(如差譜技術(shù)、紅外光譜譜圖壓縮數(shù)據(jù)庫及其網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)龋┑母咚侔l(fā)展,紅外光譜技術(shù)的應(yīng)用迅速拓寬至諸多領(lǐng)域。

新型冠狀病毒感染的肺炎疫情嚴(yán)峻,測量體溫成為防控疫情的必要手段。人體紅外線測溫儀做為關(guān)鍵的醫(yī)療設(shè)備,在疫情防控中充分發(fā)揮主導(dǎo)作用。

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比如紅外熱成像體溫快速篩檢儀,可在人流密集的公共場所進(jìn)行大面積監(jiān)測,自動跟蹤、報警高溫區(qū)域,與可見光視頻配合,快速找出并追蹤體溫較高的人員(如上圖)。所有高于絕對零度(-273℃)的物體都會發(fā)出紅外輻射。人體發(fā)出的紅外輻射被紅外熱像儀的探測器和光學(xué)鏡頭捕捉到,然后將這些紅外輻射能量分布圖形反映到光敏元件上,從而獲得紅外熱像圖,這種熱像圖與物體表面的熱分布場相對應(yīng)。

通俗地講紅外熱像儀就是將物體發(fā)出的不可見的紅外能量轉(zhuǎn)變?yōu)榭梢姷臒釄D像。熱圖像的上面的不同顏色代表被測物體的不同溫度。另外還有紅外耳溫計和紅外額溫計,紅外體溫計設(shè)備簡單、使用方便、價格實惠,應(yīng)用廣泛,可實現(xiàn)對人員的依次、快速測溫。

還有遙感技術(shù),即太陽輻射經(jīng)過大氣層到達(dá)地面,一部分與地面發(fā)生作用后反射,再次經(jīng)過大氣層,到達(dá)傳感器,傳感器將這部分能量記錄下來,傳回地面(如下圖)。其中紅外遙感技術(shù)是指傳感器的工作波段限于紅外波段范圍之內(nèi),主要感受地面物體反射或自身輻射的紅外線,有時可不受黑夜限制。

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此外,紅外光譜在化學(xué)化工、環(huán)境分析、半導(dǎo)體和超導(dǎo)材料等其他領(lǐng)域的應(yīng)用都得到了廣泛的發(fā)展。


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