光栅光谱仪实验讲义

实验名称：光谱分析

一 实验目的

1、学习光谱分析的基本原理，光谱图的基本特征；

2、掌握利用光谱进行定性分析的基本方法和鉴定程序。

二 实验仪器

红外光谱仪，计算机

三 实验原理

利用红外光谱对物质分子进行的分析和鉴定。将一束不同波长的红外射线照射到物质的分子上，某些特定波长的红外射线被吸收，形成这一分子的红外吸收光谱。每种分子都有由其组成和结构决定的独有的红外吸收光谱，据此可以对分子进行结构分析和鉴定。红外吸收光谱是由分子不停地作振动和转动运动而产生的，分子振动是指分子中各原子在平衡位置附近作相对运动，多原子分子可组成多种振动图形。当分子中各原子以同一频率、同一相位在平衡位置附近作简谐振动时，这种振动方式称简正振动（例如伸缩振动和变角振动）。分子振动的能量与红外射线的光量子能量正好对应，因此当分子的振动状态改变时，就可以发射红外光谱，也可以因红外辐射激发分子而振动而产生红外吸收光谱。分子的振动和转动的能量不是连续而是量子化的。但由于在分子的振动跃迁过程中也常常伴随转动跃迁，使振动光谱呈带状。所以分子的红外光谱属带状光谱。分子越大，红外谱带也越多。

红外光谱仪的种类有：①棱镜和光栅光谱仪。属于色散型，它的单色器为棱镜或光栅，属单通道测量。②傅里叶变换红外光谱仪。它是非色散型的，其核心部分是一台双光束干涉仪。当仪器中的动镜移动时，经过干涉仪的两束相干光间的光程差就改变，探测器所测得的光强也随之变化，从而得到干涉图。经过傅里叶变换的数学运算后，就可得到入射光的光谱。这种仪器的优点：①多通道测量，使信噪比提高。②光通量高，提高了仪器的灵敏度。③波数值的精确度可达0.01厘米-1。④增加动镜移动距离，可使分辨本领提高。⑤工作波段可从可见区延伸到毫米区，可以实现远红外光谱的测定。

红外光谱分析可用于研究分子的结构和化学键，也可以作为表征和鉴别化学物种的方法。红外光谱具有高度特征性，可以采用与标准化合物的红外光谱对比的方法来做分析鉴定。已有几种汇集成册的标准红外光谱集出版，可将这些图谱贮存在计算机中，用以对比和检索，进行分析鉴定。利用化学键的特征波数来鉴别化合物的类型，并可用于定量测定。由于分子中邻近基团的相互作用，使同一基团在不同分子中的特征波数有一定变化范围。此外，在高聚物的构型、构象、力学性质的研究，以及物理、天文、气象、遥感、生物、医学等领域，也广泛应用红外光谱。

四 实验装置

Spectrum 系列中的Spectrum One付里叶变换红外光谱仪是新一代智能化、小型化仪器的典范，荣膺美国Scientific Computing and Instrumentation杂志2001年Read’s Choice金奖。对于中、小型研究所和QC/QA

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实验室来说，Spectrum One的智能化、网络化、高精度、高性能、高稳定性和全认证体系正是他们最理想的选择。

Spectrum One傅立叶变换红外光谱仪对红外光谱仪制造技术的最大贡献在于首先提出了“绝对标准化仪器”Absolute Virtual Instrument (AVI)校正系统，实现了自动实时拟合扣除空气吸收(H2O & CO2)背景噪声功能和Look-Ahead背景预知等独创先进功能。这些新颖而且实用的功能，可以大幅度减少水和二氧化碳的干扰，提高测量精度；减少背景扫描的次数，节省实验时间；保证多台仪器之间的数据同一性，实现定量数据转移，极大地方便了用户的使用，提高了仪器的性能。

Spectrum One带有APV自动精度认证系统，内置ASTM横坐标（聚苯乙烯）和纵坐标（NG11）标准，可自动进行仪器状况认证、系统适应性认证和ASTM标准认证，确保测定数据的可靠性，带有电子签名功能的ES软件，充分符合21 CFR Part 11的要求，对制药系统和其它着重进行QA/QC和计量认证的单位尤为适用。

Spectrum One采用智能化自动识别、自动优化即插即用附件，操作使用方便，软件功能强大，仪器经久耐用，抗干扰能力强、信噪比高，数据可靠。

光谱范围

信噪比(RMS)

纵坐标精度

纵坐标线性范围

分辨率

波数精度 7800-350cm-1 (KBr)，7800-225 cm-1 (CsI) 优于100000:1 （4cm-1, 1min，DTGS检测器，KBr分束器） 优于0.05%T（ASTM0 标准） 0～5A(0～5A范围内,相关系数0.9999) 优于0.5 cm-1 优于0.01 cm-1

五 实验内容和步骤：

5. 1 一般注意事项

在定性分析中，所制备的样品最好使最强的吸收峰透过率为10%左右。

5. 2 固体样品

5. 2. 1 压片法

取1 ～ 2mg的样品在玛瑙研钵中研磨成细粉末与干燥的溴化钾（A. R.级）粉末（约100mg，粒度200目）混合均匀，装入模具内，在压片机上压制成片测试。

5. 2. 2 糊状法

在玛瑙研钵中，将干燥的样品研磨成细粉末。然后滴入1～2滴液体石蜡混研成糊状，涂于KBr或NaCl晶片上测试。

5. 2. 3 溶液法

把样品溶解在适当的溶液中，注入液体池内测试。所选择的溶剂应不腐蚀池窗，在分析波数范围内没有吸收，并对溶质不产生溶剂效应。一般使用0.1mm的液体池，溶液浓度在10%左右为宜。

5. 3 液体样品

5. 3. 1 液膜法

油状或粘稠液体，直接涂于KBr晶片上测试。流动性大，沸点低（≤100℃）的液体 ，可夹在两块溴化钾晶片之间或直接注入厚度适当的液体池内测试。对极性样品的清洗剂一般用CHCl3，非极性样品清洗剂一般用CCl4。

5. 3. 2 水溶液样品

可用有机溶剂萃取水中的有机物，然后将溶剂挥发干，所留下的液体涂于KBr晶片上测试；

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固体则用KBr压片法测试。应特别注意含水的样品不能直接注入KBr或NaCl液体池内测试。

5. 4 气体样品

直接注入气体池内测试。

5. 5 塑料、高聚物样品

5. 5. 1 溶液涂膜

把样品溶于适当的溶剂中，然后把溶液一滴一滴的滴加在KBr晶片上，待溶剂挥发后把留在晶片上的液膜进行测试。

5. 5. 2 溶液制膜

把样品溶于适当的溶剂中，制成稀溶液，然后倒在玻璃片上待溶剂挥发后，形成一薄膜（厚度最好在0.01 ～ 0.05mm），用刀片剥离。薄膜不易剥离时，可连同玻璃片一起浸在蒸馏水中，待水把薄膜湿润后便可剥离。这种方法溶剂不易除去，可把制好的薄膜放置1 ～ 2天后再进行测试。或用低沸点的溶剂萃取掉残留的溶剂，这种溶剂不能溶解高聚物，但能和原溶剂混溶。

5. 6 其它样品

对于一些特殊样品，如:金属表面镀膜，无机涂料板的漫反射率和反射率的测试等，则要采用特殊附件，如：ATR，DR，SR等附件。

5.7 样品测试

5. 7.1 把制备好的样品放入样品架，然后插入仪器样品室的固定位置上

5.7.2 按仪器的操作规程测试

1.1开机与测试操作程序

1.1.1 按测试所需高度架设仪器；

1.1.2 检查干燥管；

1.1.3 检查检测器类型，如是MCT检测器，必须液氮制冷；

1.1.4 连接电源线及网络联机线；

1.1.5 打开光谱仪、电脑的电源；如需要，打开黑体光源的电源；

1.1.6 启动IE，检查光谱仪与电脑的联机状况，启动OPUS程序；

1.1.7 设置测试参数（如使用的条件相同，不必每次都设置）；

1.1.8 检查信号（如需要使用黑体光源：调节黑体温度及频率，调节光路，并设置光阑大小）；

1.1.9 测试及数据处理；

1.1.10 数据输出。

1.2关机操作程序

1.2.1 关闭OPUS程序；

1.2.2 关闭电脑、光谱仪和黑体光源的电源；

1.2.3 使用过的相关设备、装置均收回原处，恢复原状态，盖上遮尘布。

5. 6 测试结果

5. 6. 1 定性分析

5. 6. 1. 1 基团定性

根据被测化合物的红外特性吸收谱带的出现来确定该基团的存在。

5. 6. 1. 2 化合物定性

（1）从待测化合物的红外光谱特征吸收频率（波数），初步判断属何类化合物，然后查找该类化合物的标准红外谱图，待测化合物的红外光谱与标准化合物的红外光谱一致，即两者光谱吸收峰位置和相对强度基本一致时，则可判定待测化合物是该化合物或近似的同系物。

（2）同时测定在相同制样条件下的已知组成的纯化合物，待测化合物的红外光谱

与该纯化合物的红外光谱相对照，两者光谱完全一致，则待测化合物是该已知化合物。

5. 6. 1. 3 未知化合物的结构鉴定

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（1）未知化合物必须是单一的纯化合物。测定其红外光谱后，按5.6.1.1和5.6.1.2进行定性分析，然后与质谱，核磁共振及紫外吸收光谱等共同分析确定该化合物的结构。

（2）定量分析：

（3）写出结果报告。

测绘一种玻璃材料的光谱，鉴定其物相。

一般情况下很少采用红外光谱作定量分析，因分析组份有限，误差大，灵敏度较低，但仍可采用红外定量分析的方法或仪器附带的软件包进行。结果如下：