北京化工大学理学院：《分离科学与技术》课程电子教案（PPT教学课件）近代红外光谱进展

近代红外光谱进展 分析测试中心 张普敦

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本部分的提纲: 1.红外光谱技术回顾 1.1红外光谱技术的发展 1.2红外光谱的原理 1.3红外光谱实验技术 1.4红外光谱解决的问题 2.红外光谱技术的一些最新进展 2.1红外反射技术 2.1.1镜面反射(300) 2.1.2掠角反射 2.1.3漫反射 2.1.4偏振红外光谱法 2.1.5衰减全内反射 2.1.6衰减部分内反射 2.1.7表面增强等离子体衰减全内反射技术

本部分的提纲： 1. 红外光谱技术回顾 1．1 红外光谱技术的发展 1．2 红外光谱的原理 1．3 红外光谱实验技术 1．4 红外光谱解决的问题 2．红外光谱技术的一些最新进展 2．1红外反射技术 2．1．1镜面反射（30o） 2．1．2 掠角反射 2．1．3漫反射 2．1．4偏振红外光谱法 2．1．5衰减全内反射 2．1．6衰减部分内反射 2．1．7表面增强等离子体衰减全内反射技术

2.2红外光声光谱技术 2.2.1光声光谱的产生 2.2.2光声光谱的原理 2.2.3光声光谱的应用 2.3红外显微成像技术 2.3.1单点显微红外光谱技术 2.3.2单点显微红外成像 2.3.3焦平面阵列检测显微成像 2.3.4线阵列式成像技术 2.3.5红外显微成像技术的应用 2.4一些特殊的红外光谱技术 2.4.1时间分辨红外光谱技术 2.4.2二维红外相关谱技术

2．2 红外光声光谱技术 2．2．1光声光谱的产生 2．2．2光声光谱的原理 2．2．3光声光谱的应用 2．3 红外显微成像技术 2．3．1单点显微红外光谱技术 2．3．2单点显微红外成像 2．3．3焦平面阵列检测显微成像 2．3．4线阵列式成像技术 2．3．5红外显微成像技术的应用 2．4一些特殊的红外光谱技术 2．4．1时间分辨红外光谱技术 2．4．2二维红外相关谱技术

3.近红外和远红外光谱 3.1近红外光谱 3.1.1近红外光谱分析技术概述及发展历程 3.1.2现代近红外光谱的工作过程 3.1.3近红外光谱仪器 3.2远红外光谱 3.2.1简介 3.2.2远红外仪器的特点 3.2.3影响远红外光谱的因素 3.2.4远红外光谱的应用 4.喇曼光谱 4.1喇曼光 4.2喇曼光谱的原理 4.3喇曼光谱实验技术 4.4喇曼光谱的应用

3．近红外和远红外光谱 3．1 近红外光谱 3．1．1近红外光谱分析技术概述及发展历程 3．1．2现代近红外光谱的工作过程 3．1．3 近红外光谱仪器 3．2远红外光谱 3．2．1 简介 3．2．2远红外仪器的特点 3．2．3影响远红外光谱的因素 3．2．4远红外光谱的应用 4．喇曼光谱 4．1喇曼光 4．2喇曼光谱的原理 4．3喇曼光谱实验技术 4．4喇曼光谱的应用

1.红外光谱技术回顾 1.1红外光谱技术的发展 1.1.1第一代红外光谱仪一棱镜型红外光谱仪 棱镜的分光原理如下: 准光系统 色散系统 成谱系统 -9

1.红外光谱技术回顾 1．1红外光谱技术的发展 1.1.1 第一代红外光谱仪－棱镜型红外光谱仪 棱镜的分光原理如下：

1.1.2第二代红外光谱仪一光栅型红外光谱仪 光栅分光的原理如下 传统的单缝衍射为了使各衍 射条纹分得很开(即高分辨 率),要求狭缝很小,这在 制作上困难很大。衍射光栅 能满足这一要求。由于缝数 很大(最大可达105),可以 得到分光效率高,光强度很 强的单色光 (a)透射式(b)反射式

1.1.2 第二代红外光谱仪－光栅型红外光谱仪 光栅分光的原理如下： 传统的单缝衍射为了使各衍 射条纹分得很开（即高分辨 率），要求狭缝很小，这在 制作上困难很大。衍射光栅 能满足这一要求。由于缝数 很大（最大可达105），可以 得到分光效率高，光强度很 强的单色光

1.1.3第三代红外光谱仪一傅立叶变换红外光谱仪(FTIR, Fourier Transform InfraRed Spectroscopy FTR与前两代光谱仪最大的不同是它不采用分光系统,而 是利用干涉图与光谱图之间的对应关系,通过测量干涉图并 对干涉图进行傅立叶积分变换来测定光谱图。它事实上是以 种数学方式对光谱信息进行编码,同时测量、记录所有谱 元的信号,并以很高的效率采集来自光源的辐射能量,因而 信噪比和分辨率都得以大为提高

1.1.3第三代红外光谱仪－傅立叶变换红外光谱仪（FTIR, Fourier Transform InfraRed Spectroscopy） FTIR与前两代光谱仪最大的不同是它不采用分光系统，而 是利用干涉图与光谱图之间的对应关系，通过测量干涉图并 对干涉图进行傅立叶积分变换来测定光谱图。它事实上是以 一种数学方式对光谱信息进行编码，同时测量、记录所有谱 元的信号，并以很高的效率采集来自光源的辐射能量，因而 信噪比和分辨率都得以大为提高

1.2红外光谱的原理 1.2.1红外光谱的产生 分子中基团的振动和转动能级跃迁产生振转光谱 辐射→分子振动能级跃迁→红外光谱→官能团→分子结构 高 频率v 能量 低 近红外区原千内电子妖|千内电干来动迁山世动医干上过 中红外区 无线|射 远红外区 x射线紫外同红外微波电波频 近中远 IR MNR 电子能[紫外可见[振动红外磁共掘 200mm400m800mn2.5μ15μ1m 短 波长入 长 光波谱区及能量跃迁相关图

1．2 红外光谱的原理 1.2.1红外光谱的产生 分子中基团的振动和转动能级跃迁产生振-转光谱 辐射→分子振动能级跃迁→红外光谱→官能团→分子结构 近红外区 中红外区 远红外区

122红外吸收光谱产生的条件 满足两个条件: (1)辐射应具有能满足物质产生振动跃迁所需的能量; (2)辐射与物质间有相互偶合作用 对称分子:没有偶极矩,辐射不能引起共振,无红外 活性。如:N2、O2、Cl等 对称分子:有偶极矩,有红外活性

1.2 .2红外吸收光谱产生的条件 满足两个条件： (1)辐射应具有能满足物质产生振动跃迁所需的能量； (2)辐射与物质间有相互偶合作用。 对称分子：没有偶极矩，辐射不能引起共振，无红外 活性。 如：N2、O2、Cl2 等。 非对称分子：有偶极矩，有红外活性

1.23分子振动方程式 双原子分子的简谐振动及其频率 化学键的振动类似于连接两个小球的弹簧,因此可按虎克 定律进行解决: (● 虎克定律 k 订二 m1+Am 2丌Aμ k:化学键的力常数,与键能和键长有关, 为双原子的折合质量=m1m2/(m1+m2) 发生振动能级跃迁需要能量的大小取决于键两端原子的 折合质量和键的力常数,即取决于分子的结构特征。化学键 键强越强(即键的力常数κ越大)原子折合质量越小,化学 键的振动频率越大,吸收峰将出现在高波数区

1.2.3 分子振动方程式 双原子分子的简谐振动及其频率 化学键的振动类似于连接两个小球的弹簧,因此可按虎克 定律进行解决： k：化学键的力常数，与键能和键长有关， 为双原子的折合质量  =m1m2 /（m1+m2） 发生振动能级跃迁需要能量的大小取决于键两端原子的 折合质量和键的力常数，即取决于分子的结构特征。化学键 键强越强（即键的力常数K越大）原子折合质量越小，化学 键的振动频率越大，吸收峰将出现在高波数区