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近紅外分光光度計原理大揭秘:分子振動與光譜吸收的關系

更新時間:2025-03-19      點擊次數:389
  近紅外分光光度計是一種基于分子振動與光譜吸收原理的分析儀器,以下是對其原理的詳細揭秘:
  一、基本原理
  1.分子振動與能級躍遷
  分子振動基礎:分子中的原子并非靜止不動,而是在其平衡位置附近不停地振動。這些振動包括伸縮振動(如化學鍵的伸縮)和彎曲振動(如鍵角的變動)等多種形式。不同的化學鍵和分子結構具有各自特定的振動頻率。
  能級躍遷:根據量子力學原理,分子的振動能量是量子化的,即分子只能處于一些不連續的能級狀態。當分子吸收特定波長的近紅外光時,光子的能量恰好等于分子振動的能級差,分子就會從低能級躍遷到高能級,產生能級躍遷。
  2.近紅外光譜的產生
  倍頻與合頻吸收:在近紅外區域,主要記錄的是含氫基團X-H振動的倍頻和合頻吸收。這是因為含氫基團的振動頻率較高,其倍頻和合頻剛好落在近紅外區。例如,一個分子中某個化學鍵的基頻振動頻率為ν,那么它的二倍頻、三倍頻等倍頻,以及不同化學鍵振動頻率之和或差的合頻等,都可能在近紅外區產生吸收峰。
  非諧振性影響:分子振動并非完*遵循簡諧振動規律,存在一定的非諧振性。這種非諧振性使得分子在振動過程中,能級間隔會隨振動能量的變化而略有改變,從而導致倍頻和合頻吸收峰的出現,豐富了近紅外光譜的信息。
  二、近紅外分光光度計分子結構與光譜吸收的關系
  1.不同基團的特征吸收
  含氫基團:各類含氫基團由于其獨*的化學鍵性質和振動頻率,在近紅外光譜中表現出不同的吸收特征。例如,甲基、亞甲基等基團中的C-H鍵伸縮振動會產生倍頻和合頻吸收,其吸收峰的位置和強度可以作為識別這些基團的依據。而且,同一基團在不同化學環境中,由于受到周圍原子或基團的影響,其振動頻率會發生位移,吸收峰的位置也會相應改變,這被稱為基團的化學位移效應。
  其他基團:除了含氫基團外,其他一些基團如羰基、氨基等也可能在近紅外區產生較弱的吸收,這些吸收峰同樣可以提供有關分子結構的信息。
  2.分子結構對光譜的影響
  官能團種類與位置:分子中官能團的種類、數量以及它們在分子中的相對位置都會對近紅外光譜產生影響。不同的官能團組合和連接方式會導致分子振動模式的差異,進而使光譜中的吸收峰位置、強度和形狀發生變化。通過分析光譜中這些特征吸收峰的變化,可以推斷分子中官能團的存在及其周圍的化學環境。
  分子構象與相互作用:分子的構象(如折疊、扭曲等)以及分子內或分子間的相互作用也會改變分子的振動狀態。例如,氫鍵的形成會使參與氫鍵的X-H鍵的振動頻率降低,吸收峰向長波方向移動;分子內共軛體系的存在會使電子云分布更加均勻,降低某些化學鍵的振動頻率,從而影響近紅外光譜的吸收特性。
 

 

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