傅里叶变换红外光谱分析.pdf

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书籍描述

内容简介
红外光谱作为“分子的指纹”广泛用于分子结构和物质化学组成的研究。《傅里叶变换红外光谱分析》(第三版)系统地介绍了红外光谱的基本概念、傅里叶变换红外光谱学的基本原理、红外光谱仪的结构及其附件原理和使用技术、红外光谱样品制备和测试技术、红外光谱数据处理技术、红外光谱谱图解析、红外光谱的定性分析和未知物的剖析、红外光谱的定量分析等。
《傅里叶变换红外光谱分析》(第三版)可供从事红外光谱分析测试工作者学习参考,也可作为高等院校化学、化工、材料、环境及相关专业师生的教学参考书。

作者简介
翁诗甫,北京大学化学系,教授级高工,1970年毕业于北京大学化学系。毕业后留校任教,多年从事普通无机化学(生物类本科生)和分子光谱(研究生)的教学工作。从1978年起,从事红外光谱 分析测试和分子光谱的基础研究。1985年3月 - 1986年10月,加拿大国家研究院化学所分子光谱研究室,访问学者。1995年4月 - 10月,美国尼高力仪器公司总部,合作研究。

目录
第1章红外光谱的基本概念1
1.1红外光谱的产生和红外光谱区间的划分1
1.2分子的量子化能级3
1.3分子的转动光谱5
1.3.1转动能级6
1.3.2转动频率7
1.4分子的纯振动光谱10
1.4.1双原子分子的伸缩振动10
1.4.2多原子分子的振动12
1.5分子的振转光谱15
1.6振动模式20
1.6.1伸缩振动21
1.6.2弯曲振动23
1.7振动频率、基团频率和指纹频率26
1.7.1振动频率26
1.7.2基团频率27
1.7.3指纹频率27
1.8倍频峰28
1.9合(组)频峰30
1.10振动耦合32
1.10.1伸缩振动之间的耦合32
1.10.2弯曲振动之间的耦合34
1.11费米共振34
1.12诱导效应35
1.13共轭效应38
1.13.1π-π共轭效应38
1.13.2p-π共轭效应39
1.13.3超共轭效应40
1.14氢键效应41
1.15稀释剂效应42
第2章傅里叶变换红外光谱学44
2.1单色光干涉图和基本方程44
2.2二色光干涉图和基本方程48
2.3多色光和连续光源的干涉图及基本方程50
2.4干涉图数据的采集53
2.4.1干涉图数据点间隔53
2.4.2单向采集数据55
2.4.3双向采集数据56
2.4.4动镜的移动速度57
2.5切趾(变迹)函数58
2.6相位校正61
2.6.1干涉图数据点采集漂移引起相位误差61
2.6.2干涉图的余弦分量相位滞后引起相位误差62
2.7红外光谱仪器的分辨率64
2.7.1分辨率的定义64
2.7.2分辨率的测定方法67
2.8噪声和信噪比71
2.8.1红外光谱仪的噪声和信噪比71
2.8.2红外光谱的噪声和信噪比72
2.8.3影响红外光谱信噪比的因素74
第3章傅里叶变换红外光谱仪80
3.1中红外光谱仪80
3.1.1红外光学台80
3.1.2红外光源82
3.1.3光阑84
3.1.4干涉仪85
3.1.5检测器94
3.2近红外光谱仪和近红外光谱97
3.2.1仪器配置97
3.2.2近红外光谱的特点99
3.2.3近红外光谱测试技术101
3.3远红外光谱仪和远红外光谱106
3.3.1仪器配置106
3.3.2远红外光谱样品制备技术110
3.3.3影响远红外光谱测试的因素113
3.3.4远红外光谱的应用115
3.4红外仪器的安装、保养和维护124
3.4.1红外仪器的安装和验收124
3.4.2红外光谱仪的保养和维护130
3.4.3红外光谱仪常见故障的处理133
3.4.4红外光谱仪档案资料的建立和保管134
第4章傅里叶变换红外光谱仪附件136
4.1红外显微镜136
4.1.1红外显微镜的种类、原理和结构137
4.1.2红外显微镜附件152
4.1.3红外显微镜的使用技术155
4.2傅里叶变换拉曼光谱附件160
4.2.1傅里叶变换拉曼附件的结构160
4.2.2拉曼光谱和红外光谱的区别162
4.2.3FT-Raman光谱的热效应和荧光效应164
4.2.4FT-Raman光谱的波数校正167
4.2.5FT-Raman光谱的应用170
4.3气红联用(GC/FTIR)附件171
4.3.1气红联用接口171
4.3.2样品的测定和分析173
4.4衰减全反射附件175
4.4.1ATR附件工作原理175
4.4.2水平ATR(HATR)附件180
4.4.3单次反射ATR附件183
4.5漫反射附件184
4.5.1漫反射附件的工作原理184
4.5.2漫反射附件的种类185
4.5.3漫反射附件的使用技术186
4.6镜面反射和掠角反射附件191
4.6.1镜面反射和掠角反射附件工作原理191
4.6.2镜面反射附件的种类195
4.6.3镜面反射和掠角反射附件使用技术196
4.7变温红外光谱附件198
4.7.1变温红外光谱附件的种类199
4.7.2变温红外光谱的应用202
4.8红外偏振器附件205
4.8.1偏振光206
4.8.2红外偏振器207
4.8.3偏振红外光谱210
4.9光声光谱附件215
4.10高压红外光谱附件216
4.11样品穿梭器附件220
第5章红外光谱样品制备和测试技术223
5.1固体样品的制备和测试224
5.1.1压片法224
5.1.2糊状法232
5.1.3薄膜法235
5.2液体样品的制备和测试238
5.2.1液池窗片材料239
5.2.2液池种类242
5.2.3纯有机液体样品光谱的测试246
5.2.4有机溶液样品光谱的测试247
5.2.5水和重水溶液样品光谱的测试250
5.3超薄样品的测试254
第6章红外光谱数据处理技术257
6.1基线校正257
6.2光谱差减262
6.2.1背景扣除法262
6.2.2吸光度光谱差减法263
6.3光谱归一化、乘谱和加谱269
6.3.1光谱归一化269
6.3.2乘谱272
6.3.3加谱273
6.4生成直线273
6.5改变光谱数据点间隔和填充零274
6.5.1改变光谱数据点间隔275
6.5.2填充零276
6.6光谱平滑277
6.7导数光谱279
6.7.1一阶导数光谱279
6.7.2二阶导数光谱280
6.7.3四阶导数光谱282
6.8傅里叶退卷积光谱284
第7章红外光谱谱图解析287
7.1烷烃化合物基团的振动频率287
7.1.1CH3振动288
7.1.2CH2振动294
7.1.3CH振动300
7.1.4C—C伸缩振动302
7.2烯烃化合物基团的振动频率304
7.2.1CH2振动304
7.2.2CH振动306
7.2.3CC伸缩振动309
7.3芳香族化合物基团的振动频率311
7.3.1CH振动311
7.3.2芳环骨架振动315
7.4炔烃化合物基团的振动频率316
7.4.1CH伸缩振动317
7.4.2C≡C伸缩振动318
7.5醇和酚类化合物基团的振动频率319
7.5.1O—H伸缩振动319
7.5.2C—OH伸缩振动321
7.5.3C—O—H弯曲振动323
7.6醚类化合物基团的振动频率324
7.6.1饱和脂肪醚的C—O—C伸缩振动324
7.6.2环醚的C—O—C伸缩振动326
7.6.3烯醚的C—O—C伸缩振动327
7.6.4芳香醚的C—O—C伸缩振动328
7.7酮和醌类化合物基团的振动频率329
7.7.1酮的有关振动329
7.7.2醌的有关振动332
7.8醛类化合物基团的振动频率333
7.8.1醛羰基CO伸缩振动333
7.8.2醛基—CHO中的CH伸缩振动334
7.8.3醛基—CHO中的CH面内弯曲振动335
7.8.4醛基—CHO中的C—H面外弯曲振动336
7.8.5芳香醛中C—C伸缩振动336
7.9羧酸类化合物基团的振动频率336
7.9.1羧酸羰基CO伸缩振动337
7.9.2羧基COOH的OH伸缩振动340
7.9.3羧基COOH的C—OH伸缩振动340
7.9.4羧基COOH的C—O—H面内弯曲振动340
7.9.5羧基COOH的C—O—H面外弯曲振动341
7.10羧酸盐类化合物基团的振动频率342
7.10.1羧酸根COO伸缩振动342
7.10.2羧酸根COO变角振动344
7.10.3羧酸根COO扭曲振动344
7.10.4羧酸根COO面外摇摆振动345
7.11酯类化合物基团的振动频率346
7.11.1酯羰基CO伸缩振动346
7.11.2酯的C—O—C伸缩振动348
7.12酸酐类化合物基团的振动频率350
7.12.1酸酐羰基CO伸缩振动350
7.12.2酸酐的C—O—C伸缩振动353
7.13胺类化合物基团的振动频率355
7.13.1NH3振动355
7.13.2NH2振动356
7.13.3NH振动359
7.13.4C—N伸缩振动360
7.14铵盐类化合物基团的振动频率363
7.14.1NH+4振动363
7.14.2NH+3振动364
7.14.3NH+2振动367
7.14.4NH+伸缩振动368
7.14.5N+的有关振动369
7.15氨基酸类化合物基团的振动频率370
7.15.1COO振动370
7.15.2NH+3振动373
7.15.3NH+2振动374
7.16酰胺类化合物基团的振动频率375
7.16.1酰胺I谱带(酰胺羰基CO伸缩振动)376
7.16.2酰胺II谱带和酰胺III谱带(C—N伸缩振动)378
7.16.3酰胺Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ和Ⅶ谱带381
7.16.4NH2伸缩振动381
7.16.5NH伸缩振动(酰胺A和酰胺B)381
7.17酰卤类化合物基团的振动频率382
7.17.1酰卤羰基CO伸缩振动383
7.17.2酰卤的碳卤C—X伸缩振动384
7.17.3酰卤基团OC—X的变角振动385
7.17.4芳香酰卤的C—C伸缩振动385
7.18糖类化合物基团的振动频率386
7.18.1糖类O—H伸缩振动388
7.18.2糖类C—OH伸缩振动388
7.18.3糖类C—O—C伸缩振动388
7.18.4糖类C—H伸缩振动和变角振动389
7.19含硼化合物基团的振动频率390
7.19.1硼氢振动390
7.19.2硼氧B—O振动391
7.19.3硼氟B—F振动393
7.20含硅化合物基团的振动频率394
7.20.1硅氢伸缩振动394
7.20.2硅碳伸缩振动395
7.20.3硅氧伸缩振动395
7.20.4硅氮伸缩振动396
7.21含氮化合物基团的振动频率397
7.21.1硝酸盐NO3振动397
7.21.2亚硝酸盐NO-2伸缩振动399
7.21.3硝基化合物NO2伸缩振动399
7.21.4亚硝基NO伸缩振动401
7.21.5亚硝酰基N≡O伸缩振动401
7.21.6亚硝基胺N—NO的NO伸缩振动402
7.21.7肟CN—OH的有关振动402
7.21.8氰化物—C≡N的伸缩振动403
7.21.9氰酸盐和异氰酸盐(-O—C≡N和OCN-)的有关振动404
7.21.10氰酸酯和异氰酸酯(—O—C≡N和—NCO)的有关振动405
7.21.11硫氰酸盐和异硫氰酸盐(-S—C≡N和—NCS)的有关振动405
7.21.12硫氰酸酯和异硫氰酸酯(—S—C≡N和—NCS)的有关振动407
7.21.13碳二亚胺NCN伸缩振动407
7.21.14重氮化合物CNN和叠氮化合物N3伸缩振动408
7.22含磷化合物基团的振动频率410
7.22.1PO伸缩振动410
7.22.2P—O伸缩振动413
7.22.3P—OH伸缩振动414
7.22.4PO—H伸缩振动415
7.22.5P—H伸缩振动415
7.22.6P—C伸缩振动416
7.22.7P—F伸缩振动416
7.22.8P—Cl伸缩振动416
7.22.9PS伸缩振动416
7.23水、重水、氢氧化物和过氧化物的振动频率418
7.23.1H2O的振动418
7.23.2D2O的振动421
7.23.3金属氢氧化物的O—H伸缩振动421
7.23.4过氧化物的O—O伸缩振动421
7.24含硫化合物基团的振动频率423
7.24.1SO4振动423
7.24.2SO3振动426
7.24.3SO2振动429
7.24.4SO振动429
7.24.5S—H伸缩振动431
7.24.6CS振动431
7.25含卤素基团的振动频率435
7.25.1C—F振动435
7.25.2C—Cl振动436
7.25.3C—Br振动438
7.25.4C—I振动440
7.26无机化合物基团的振动频率441
7.26.1中性分子的振动频率441
7.26.2简单无机盐的振动频率443
7.26.3含氧酸盐阴离子的振动频率444
7.26.4金属氧化物的振动频率449
第8章红外光谱的定性分析和未知物的剖析451
8.1红外光谱的定性分析451
8.1.1已知物的验证451
8.1.2样品纯度和杂质检出限的确定452
8.1.3样品的比对454
8.1.4谱库检索455
8.2未知物的红外光谱剖析457
8.2.1固体未知物样品的剖析457
8.2.2液体未知物样品的剖析462
8.2.3聚合物未知样品的剖析465
第9章红外光谱的定量分析467
9.1朗伯比耳定律468
9.2峰高和峰面积的测量470
9.2.1峰高的测量方法470
9.2.2峰面积的测量方法473
9.3曲线拟合法测量峰高和峰面积475
9.4导数光谱用于定量分析478
9.5固体样品的定量分析479
9.6液体样品的定量分析480
9.6.1液池厚度的测定480
9.6.2单一组分液体样品的定量分析482
9.6.3二组分液体的定量分析483
9.6.4三组分液体的定量分析485
9.7多组分液体的定量分析486
9.8高分子共聚物和共混物的定量分析487
附录基团振动频率表490
参考文献508

序言
前言
本书第一版书名《傅里叶变换红外光谱仪》于2005年出版,第二版书名改为《傅里叶变换红外光谱分析》于2010年出版。第二版出版后,作为红外光谱分析测试工作者和高等院校学习红外光谱测试和分析的本科生和研究生的参考用书,深受欢迎。五年来,又出现了一些新的红外仪器和新的红外附件。本书再版的目的,一方面是为了尽量体现最新的红外光谱技术,另一方面是将35年来北京大学化学学院红外光谱实验室全体老师和研究生在红外光谱教学、科研和分析测试工作中积累的知识、经验和光谱数据呈现给广大读者。本书中所录用的红外光谱数据绝大部分是在尼高力(Nicolet)仪器公司的红外和拉曼仪器上测试得来的。
本书第三版在第二版的基础上进行修订。原书的第2章“傅里叶变换红外光谱学的基本原理”、第5章“红外光谱样品制备和测试技术”和第6章“红外光谱数据处理技术”内容改动很少;第1章“红外光谱的基本概念”和第4章“傅里叶变换红外光谱仪附件”改动较多;第3章“傅里叶变换红外光谱仪”和第9章“红外光谱仪的保养和维护”合并为第3章;原书的第8章“基团的振动频率分析”是按照基团分类进行分析的,在第三版中改为第7章“红外光谱谱图解析”,按化合物分类进行谱图解析,在解析时,为了便于理解,加入了许多谱图;在第三版中,添加第8章“红外光谱的定性分析和未知物的剖析”;将原书第7章“红外光谱的定量分析和未知物的剖析”改为第9章“红外光谱的定量分析”。本书第三版对第二版内容修订较多,尤其是第7章内容全部重新编写。其他章节有的重新编写,有的进行添加,还有一些章节进行了删除、合并。
作者在编写第三版过程中,得到黎乐民、吴瑾光、杨键、耿刚、张元福、刘建华等老师的帮助和支持,在此向他们表示由衷的感谢。本书虽经再三修改,仍有些光谱现象难以解析。书中内容若存在不妥之处,敬请读者不吝赐教。

翁诗甫 徐怡庄
2015年10月于北京大学

第一版前言
从20世纪70年代到现在的30多年中,傅里叶变换红外光谱技术(FTIR)发展非常迅速,FTIR光谱仪的更新换代很快。现在世界上许多生产FTIR光谱仪的公司,每3~5年就推出新型号FTIR光谱仪。随着傅里叶变换红外光谱技术的不断发展,红外光谱仪附件也在不断地发展,不断地更新换代。新的、先进的红外光谱仪附件的出现,使红外光谱仪附件的功能不断地扩大,性能不断地提高,使红外光谱技术得到更加广泛的应用。
我国从20世纪70年代就开始从国外引进傅里叶变换红外光谱仪。进入80年代,开始大批量引进FTIR光谱仪。80年代中后期,北京瑞利分析仪器公司(北京第二光学仪器厂)引进美国Analect仪器公司的FTIR技术,开始生产FTIR光谱仪。到2004年为止,我国FTIR光谱仪的保有量已经达到3000台左右。FTIR光谱仪遍布我国高等院校、科研机构、厂矿企业和各个分析测试部门,在教学、科研和分析测试中发挥着越来越重要的作用。
红外光谱属于分子光谱,分子光谱是四大谱学之一。红外光谱和核磁共振光谱、质谱、紫外光谱一样,是确定分子组成和结构的有力工具。根据未知物红外光谱中吸收峰的强度、位置和形状,可以确定该未知物分子中包含有哪些基团,从而推断该未知物的结构。
红外光谱分析技术的优点是灵敏度高、波数准确、重复性好。红外光谱可以分析超薄薄膜(纳米级)样品,利用红外光谱附件(如红外显微镜)可以分析微克级,甚至纳克级的样品。
红外光谱可以用于定性分析,也可以用于定量分析,还可以对未知物进行剖析。红外光谱应用范围非常广泛,可以说,对于任何样品,都可以得到一张红外光谱。对固体、液体或气体样品,对单一组分的纯净物和多种组分的混合物都可以用红外光谱法测定。红外光谱可以用于有机物、无机物、聚合物、配位化合物的分析,也可用于复合材料、木材、粮食、饰物、土壤、岩石、各种矿物、包裹体等的分析。因此,红外光谱是教学、科研领域必不可少的分析技术,在化工、冶金、地矿、石油、煤炭、医药、环境、农业、海关、宝石鉴定、文物、公检法等部门得到广泛的应用。
本书作者在北京大学红外光谱实验室从事红外谱学基础研究和分析测试工作已有26载。20多年来,红外光谱实验室的全体老师和研究生在红外光谱的教学、科研和分析测试工作中积累了十分丰富的经验。本书虽然由作者执笔,但内容却是全体同仁智慧的结晶。在本书书写过程中,作者与北京大学徐光宪院士、吴瑾光教授、尼高力仪器公司维修工程师经理杨健同志进行许多有益的讨论。徐光宪院士审阅了本书中有关理论部分的书稿,吴瑾光教授对全部书稿进行了逐字审阅,杨健同志审阅了本书第2、3、6、7、10章的书稿。他们对书稿提出了许多宝贵的修改意见。在此向他们表示衷心的感谢!
由于本书编写时间所限,加之作者理论水平有限,书中不妥或错误之处在所难免,祈请读者不吝批评和指正。

翁诗甫
于北京大学化学学院
2005年4月10日

第二版前言
本书第一版《傅里叶变换红外光谱仪》自2005年发行以来,受到红外光谱分析测试工作者的广泛欢迎,成为高等院校红外光谱教学的参考用书,也成为红外光谱培训班的教学和参考用书。几年来,我们认真收集读者的反馈意见,针对这几年来出现的新红外光谱仪器和新的红外光谱仪附件,为了反映最新的红外技术,对本书第一版进行了修改。
本次修订书名改为《傅里叶变换红外光谱分析》。本书第二版仍保留了第一版深入浅出、通俗易懂、注重实例的特色,在第一版的基础上删除了一部分内容,增加了一些新内容。为了节省篇幅,删除了一部分不重要的图片。原书的第8章和第10章内容基本上没有改动。将原书第3章“傅里叶变换红外光谱仪”和第7章“远红外和近红外光谱简介”合并为一章,其中一些内容作了修改或删除。其他章节的排列顺序作了调整,变动较大,具体内容也作了适当精简。有些章节删除了,有些章节合并了,有些章节重新编写了。
在本书编写过程中,吴瑾光、杨健、徐怡庄、杨展澜、李维红、张元福、刘建华等提供了大力帮助和支持,在此谨向他们表示真诚的谢意。本书有不尽如人意的地方,敬请读者批评指正。

翁诗甫
2009年10月于北京大学

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