实操技巧|红外光谱法制样中常见问题及注意事项

一般来说, 样品制备应注意以下几点:

(1) 样品浓度和测试厚度要选择适当。过低浓度和过薄的样品会使某些峰消失,得不到完整谱图,相反,会使某些强吸收峰超过表尺刻度,出现齐头峰,而无法确定它的真实峰位。一张好的红外谱图应使吸收峰的透过率大都处于20%-60% 范围内。

(2) 样品中不应含有游离水。水的存在不但干扰试样的吸收状况, 还会腐蚀盐窗。

(3) 多组分试样应尽量预先进行组分的分离。否则各组分光谱互相重叠, 致使谱图无法解析。

气体样品

气体样品一般用气体吸收池进行测试。先将气体池抽真空, 利用负压将气体试样吸人池内。吸收峰的强度可以通过调整气体池内样品压力来改变。气体分子的密度比液体、固体小得多, 因此气体样品要求有较大的样品光程长度。

常规气体吸收池厚度为10cm。如果被分析的气体组分浓度很小, 可利用多次反射气体池。

利用气体池内反射镜使红外光在气体池中多次反射, 光程长度可提高到10m、20m 或50m。

在进行气体测定时应注意以下几点:

(1)气体样品要干燥, 因水蒸气在中红外区有大量吸收峰。进样前须先进行干燥处理。

(2)测定完毕要清洗气体池, 即用干燥空气流洗涤气体池及人口管道。

(3)若使用多次反射气体池, 最好对样品进行纯化。因多次反射后背景吸收十分明显,而且杂质气体对光谱的干扰亦增加。

(4)定量分析时应该使气体池内总压相等, 因峰强不仅与分压有关, 也与总压有关。故必要时, 可补充灌注不活泼无吸收气体, 如氮气或氢气, 使总压相等。

固体样品

不同固体样品有不同制样方法。

1. 压片法

压片法是固体样品红外光谱分析最常用的制样方法, 凡易于粉碎的固体试样都可以采用此法。

样品的用量随模具容量大小而异,样品与KBr的混合比例一般为0.5-2 :100。压片时先将固体试样置于玛瑙研钵中研细,然后加KBr 粉末,研磨混合均匀后移人压片模具,抽真空, 加压几分钟。混合物在压力下形成一透明小圆片,便可进行测试。

压片过程中常会出现二些不正常现象, 其原因和解决办法如下:

(1) 整个片子不透明。压力不够及分散不好所致。可重新研磨或压制, 使其分散均匀,并加大压力, 但不要超载。

(2)刚压好时片子很透明, 一分钟或更长时间后出现不规则云雾状浑浊。抽真空不够所致。检查真空度并延长抽真空时间可消除此现象。

(3) 片子中心出现云雾状。砧座或压舌面不平整所致。应调换或重新抛光。

(4)片子出现许多白色斑点, 其余部分清晰透明。研磨不均, 含有少量粗粒所致。应重新研磨。

(5)片子中有不规则块状物或全部呈云雾状浑浊。样品或KBr受潮所致。可干燥或延长抽真空时间。

(6)透过片子看远距离物体, 透光性差,有光散射。KBr 不纯所致, 所用的KBr 中至少混有5% 以上碱金属卤化物。应选用纯KBr。

另外,在采用压片法时,还应注意以下几点:

(1) KBr 吸湿性较强。即使操作条件很严格, 如在红外干燥器中进行样品的研磨工作,红外光谱中仍然不可避免地有游离水的红外吸收峰出现。为消除游离水的干扰, 可在相同条件下制备一个KBr 空白片( 不加样品), 作为补偿片。

(2) 碱金属卤化物会和样品发生离子交换, 产生响应的杂质吸收峰。

(3)由于有碱金属卤化物吸湿性干扰, 所以在解析O-N、N-H键 的伸缩振动吸收峰,以及C = C、C = N 伸缩振动吸收峰时须小心。为避免这种干扰, 有时也可将样品和聚乙烯粉末或石蜡混合后压成薄片来测定。

(4)样品在压片过程中会发生物理变化( 如多晶转换现象) 或化学变化( 部分分解),使谱图面貌出现差异。因此对于某些无机化合物、糖、固态有机酸、固态酚、胺、亚胺、胺盐、酰胺等物质, 用KBr压片来制备样品就不一定合适。

2. 粉末法

粉末法通常是把固体样品放在玛瑙研钵中研细至2微米左右。然后把粉末悬浮在易挥发的液体中,把悬浮液移至盐窗上并赶走溶剂即形成一均匀的薄层,再进行扫描。

粉末法常出现的问题是粒子散射,即红外光照射到样品颗粒上,入射光发生散射。这种杂乱无章的散射降低了样品光束到达检测器上的能量,使谱图基线升高。散射现象在短波区尤为严重,甚至无吸收峰出现。为了降低散射现象,通常应使样品粒子直径小于入射光的波长。由于中红外区是从2微米开始,所以样品研磨到2微米大小是必要的。

3. 薄膜法

选择适当溶剂溶解试样,将试样溶液倒在玻璃片上或KBr 窗片上,待溶剂挥发后生成一均匀薄膜即可测试。薄膜厚度一般控制在0.001-0.01 mm。

薄膜法要求溶剂对试样溶解度好,挥发性适当。若溶剂难挥发则不易从试样膜中去除干净,若挥发性太大,则会使试样在成膜过程中变得不透明。

4. 糊剂法

对于无适当溶剂又不能成膜的固体样品可采用此法。

将2-5mg试样研磨成粉末( 颗粒

常用液体分散介质有液体石蜡、氟油和六氯丁二烯三种。由于液体分散介质在 4000-400 cm-1光谱范围内有吸收,所以采用此法应注意到分散介质的干扰。其次,此法虽然简单迅速,能适用于大多数固体试样,但是由于分散介质的干扰,尤其是试样和分散介质折光系数相差很大或试样颗粒不够细时,会严重影响光谱质量,固此不适于用作定量分析。

液体样品

液体样品分为纯液体和溶液两种。一般尽量不用溶液,以免带入溶剂的吸收干扰。只有试样的吸收很强,液膜法无法制成很薄的吸收层,或为了要避免试样分子间相互缔合的影响,才采用溶液法测试。

选用溶液测试时, 常用的溶剂为四氯化碳、二硫化碳、二氯甲烷、丙酮等。溶剂的选择必须注意以下两点:

(1)常温下对试样有足够溶解度, 对试样应为化学惰性。否则试样的吸收带位置和强度均会受到影响。

(2)在试样的主要吸收带区域内该溶剂无吸收, 或仅有弱吸收, 或吸收能被补偿。

各种溶剂本身在红外区域内或多或少有吸收,所以要得到一张光谱较宽的试样溶液光谱图,必须选用两种或两种以上溶剂分段联用。

配制溶液浓度一般在3%-5%。根据不同用途和试样量的多少,选用不同类型的液体试样池。在定量分析时,液体试样池的厚度必须进行校正。常用的校正方法有两种:干涉条纹法和光密度比较法。

在进行固体池操作过程中, 要注意以下几点:

(1)灌样时要防止气泡。

(2)样品要充分溶解, 不应有不溶物进人池内。

(3)池的清洗过程中或清洗完毕时, 不要因溶剂挥发而使窗片受潮。

(4)装池时不要将样品溶液溢到窗片上。

对于纯液体试样,通常是制成0.001-0.05mm 左右极薄的膜。只有这样小的光程才能获得满意的光谱。

一般将一滴纯液体压在两块盐窗片之间,然后放入光路中测试。这种方法简单、快速又无溶剂干扰,但对易挥发液体试样不适用,而且这种方法不能获得很重复的光谱数据,所以不适用于定量分析。

压片法 KBr 的处理和保存

压片使用的KBr不一定要光谱纯的,国外也常常使用分析纯的,但是,必须注意以下几点:

选择正规的产品,有水份是没有关系的,关键是没有无杂质,尤其是有机物峰,还有SO42-,NO3-等。。。可以先做个红外看看纯度。

如果符合要求的话,可以处理一大批KBr。首先,用干净的玛瑙研钵仔细研磨细,然后在120℃烘干24h,或马弗炉中400℃烧30分钟,置于专用的干燥器中冷却。

再做个KBr红外,看看吸收。如果没有特殊吸收,就放干燥器中,可以统一保存。

另外使用个小称量瓶和专用药勺,取出一小部分KBr供平常使用,与统一保存的KBr要分开。保存的KBr要尽量减少开启次数。

做红外的KBr一定要专用,不要和其它实验合成的混用。药品遵循只许出,不许进的原则。处理过的KBr也是这样,以免污染。

使用光谱纯的也可,但也要进行上述处理。

打破的,做液体的溴化钾单晶片纯度很高,不要扔掉破碎的溴化钾片,可以用来压片。

液膜 KBr 晶片的处理

溴化钾单晶片盐片用时间久了,不太透明或不平整,有几个办法可以彻底处理 :

可以用附带的抛光附件抛光。

可以先用最细的金相(颜色最淡的那种,物理系常常有)砂纸抛光,然后再用平绒布面上蹭。

国外有用一份蒸馏水+5份异丙醇混和,先滴加在绒布面抛光,然后迅速转移在干燥的绒布面上蹭。效果也很好。处理时一定要带好手套,避免手上湿气的侵蚀。

操作注意事项

a.理论上,研磨的粒度要小于其红外光的波长,这样才能避免产生色散谱,注意 : 研磨过程尽量不要吸收水分,不要对着样品呼气。

b.做红外放样品时候,注意轻开轻关样品室,同时,不要面对样品室呼气,可以使背景的吸收扣的很好。

c.擦洗盐片要由里向外,有机溶剂,比如,丙酮不要沾的很多。

d.液体样品要控制好厚度。

e.手洗干净和干燥是很重要的。

一些特殊样品的处理方法

a.有些在溶液中生成的样品,如,配合物一类等,不易提取出来。可以把溶液滴加在的KBr中干燥,研磨。如果样品不怕加温,可以加温干燥后测试。如果样品不能加温,可以待溶剂挥发后,再放入干燥器中自然干燥后再测红外。

b.有些含水的样品,如果,没有氟化钙的盐片,可以用KBr粉末压片,把样品滴加在上面,测完后抛弃。

c.平时用坏了的KBr片,比如,摔裂的半个片都行,专门用来测含水样品。如果光面不好了,可以用异丙醇5份加水1份,滴加在绒布上抛光后使用。

d.根据样品的特点来处理样品。

举个例子,轮胎橡胶制品无法研磨,一般压片法很难制样:

普通制样方法得到的谱图透过率差,看不到特征吸收;

使用全反射方法测全反射红外谱,不仅需要附件,而且由于橡胶制品是黑色的,得到的谱图效果也差,即使,放大以后的谱图,吸收峰透过率仍然在98%~100%,而且样品的平坦度不够,不成形,不平整就无法做;

采用普通的压片方法,利用溶剂溶解加研磨混合制样的方法,对比了不同几种溶剂,达到了较为满意的效果。

一些异常谱带的介绍

668 CO2 大气中CO2 吸收,正或负

697 聚苯乙烯 磨损的聚苯乙烯瓶子或其他机械处理样品过程中

719 聚乙烯 实验室中常使用聚乙烯产品,有时候作为污染物出现

730 聚乙烯 同上

787 CCl4 使用CCl4后没有处理干净

794 CCl4 CCl4气体,同上

823 KNO3 无机硝酸盐与溴化钾反应物

837 NaNO3 氧化氮与窗片上的水汽生成,光源点燃有时候出现

980 K2SO4 无机硫酸盐与溴化钾离子交换的反应物

1110-1053 Si-O 使用玻璃研钵,由玻璃粉末引起的谱带,宽峰

1110 Me-O 研钵或其它物品的灰尘造成的污染,宽

1265 Si-CH3 使用硅树脂有此污染

1365 NaNO3 同837

1380,1450

2800~2900 (CH2)n 烃类物质

1378 NO3- 溴化钾的杂质,与CH3位置相近

1428 CO32- 溴化钾的碳酸盐,及其它杂质

1613-1515 ﹥COO- 碱金属卤代盐,溴化钾与羧酸反应生成的羧酸阴离子引起,压片时能产生

1639 H2O 少量夹带水的吸收

1764-1696 >C=O 药品的瓶盖,涂层,增塑剂等等的污染

1810 COCl2 氯仿暴露在空气中或日光氧化生成少量光气的谱带

1996 BO3- 碱金属卤代盐,NaCl中的偏硼酸离子引起

2326 CO2 CO2吸收

2347 CO2 正或负的大气中CO2吸收

3450 H2O 压片中KBr含的微量水的谱带,宽,常见

3650 H2O 石英管出现附着水引起的锐谱带

3704 H2O 近红外区厚吸收池使用四氯化碳或烃类溶剂中非缔合水的-OH吸收,谱带锐

一些红外透光材料介绍

选择红外透光材料要根据测定波长,机械强度,稳定性和经济性来考虑, 献 导的透光材料很多,但是实际应用的并不太多 :

(1) 溴化钾 KBr : 易潮解,透过波长7800~400cm-1,(25μm以下)透过率大于92%,不易低温;

(2) 氯化钠 NaCl : 易潮解,透过波长500~625cm-1,(2~16μm) 不易低温;

(3) 氟化钙 CaF 2 : 不易潮解,透过波长7800~1100cm-1 (1~9μm),透过率大于90%,不耐机械冲击;

(4) 氟化镁 MgF 2 : 不易潮解,透过波长0.11~8.5μm,透过率大于90%;

(5) 氟化钡 BaF 2 :不易潮解,透过波长7800~800cm(1~12μm)透过率大于90%;

(6) 金刚石 : 碳的一种,有Ⅰ型和Ⅱ型两种,透光波长10cm-1,(1000μm)。它们在4~6μm(2300~1660cm-1)有吸收,Ⅰ型还在19~22μm和7~11μm有两个吸收带,据此可以鉴别金刚石的类型;

(7) 锗 Ge : 纯度越高透光越好,透光性受纯度和厚度的影响,23μm和40μm以外可以使用,在120℃时不透明;

(8) 硅 Si : 耐机械和热冲击,可达15μm,但是,在9μm(1110cm-1)时有一吸收带;

(9) 热压块 : 用红外晶体的粉末加压成型,有MgF2,ZnS,CaF2,ZnSe,MgO等,混合热压块的机械性能超过晶体;

(10) 塑料 : 高密度聚乙烯在20~1000μm的远红外区可以使用,还有聚乙烯,聚四氟乙烯等薄片也可以使用;

(11) 氯化银 AgCl : 软,不易破裂,435cm-1(23μm以下),易变黑,贵;

(12) 溴化银 AgBr : 软,不易破裂,285cm-1(35μm以下),作为全反射材料;

(13) 硫化锌 ZnS : 不易潮解,透过波长7800~700cm-1,(1~14μm)透过率大于85%;

(14) 溴(碘)化鉈 KRS -5 :TiI 58%和TiBr 42%混晶,不易裂,透过波长7800~200cm-1,(1~50μm),透过率大于92%,折射率高,全反射材料,贵,有毒;

(15) 硒化锌 ZnSe : 不易潮解,透过波长7800~440cm-1,(1~23μm),透过率大于68%;

(16) 石英 SiO 2 : 不易潮解,透过波长190nm~4.5μm,透过率大于92%;

(17) 氟化锂 LiF :120~7000cm-1,易潮解变形;

(18) 砷化镓 GaAs :2~14μm,耐擦拭,可代替硒化锌。

 

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