红外光谱法对果糖和葡萄糖的定性分析

红外光谱法对果糖和葡萄糖的定性 施张胜 12011001399 1 实验目的 1.1 熟练掌握红外光谱仪的使用方法，知道怎么保护红外光谱仪。 1.2 熟练掌握压片的技巧。 1.3 学会用红外光谱仪判定未知物及其质组成与结构的方法。 2 实验原理 2.1 实验原理及应用范围 红外光谱对样品的适用性相当广泛，固态、液态或气态样品都能用该方法进行分析，无机、有机、高分子化合物也都可。 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，可以采用与化合物的红外光谱对比的方法来做分析鉴定。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。 红外吸收峰的位置与强度反映了分子结构上的特点，可以用来鉴别未知物的结构组成或确定其化学基团;而吸收谱带的吸收强度与化学基团的含量有关，可用于进行定量分析和纯度鉴定。另外，在化学反应的机理研究上，红外光谱也发挥了一定的作用。但其应用最广的还是未知化合物的结构鉴定。 红外光谱不但可以用来研究分子的结构和化学键，如力常数的测定和分子对称性的判据，而且还可以作为表征和鉴别化学物种的方法。 2.1. 1定性分析 红外光谱是物质定性的重要的方法之一。它的解析能够提供许多关于官能团的信息，可以帮助确定部分乃至全部分子类型及结构。其定性分析有特征性高、分析时间短、需要的试样量少、不破坏试样、测定方便、分析成本低等优点。 传统的利用红外光谱法鉴定物质通常采用比较法，即与标准物质对照和查阅标准谱图的方法，但是该方法对于样品的要求较高并且依赖于谱图库的大小。如果在谱图库中无法检索到一致的谱图，则可以用人工解谱的方法进行分析，这就需要有大量的红外知识及积累。大多数化合物的红外谱图是复杂的，即便是有经验的专家，也不能保证从一张孤立的红外谱图上得到全部分子结构信息，如 果需要确定分子结构信息，就要借助其他的分析测试手段，如核磁、质谱、紫外光谱等。尽管如此，红外谱图仍是提供官能团信息最方便快捷的方法。 2.1.2定量分析 定量分析依据是比尔定律:ecl=logI0/I或A=ecl。如果有标准样品，并且标准样品的吸收峰与其它成分的吸收峰重叠少时，可以采用标准曲线法以及解联立方程的办法进行单组分、多组分定量。对于两组分体系，可采用比例法。 2.2 实验方法 红外光的波长较大，能量较紫外光和可见光较小，当红外光照射到物质表面时，会引起分子的振动能级和转动能级的跃迁。红外光谱所研究的是分子振动中伴有偶极距变化的化合物，当这些化合物吸收红外光后，分子将产生不同方式的振动，消耗光能。 红外可分近红外、中红外和远红外: -1近红外 12820,4000 cm -1 中红外 4000,200 cm -1远红外 200,33 cm 为了研究某种物质的结构特征，采用红外光照射该物质，并测定该物质的吸光度，以透光度为纵坐标，波数为横坐标作图。根据波谷对应的波数，查阅标准物质红外光图谱，确定待测物质的组成或者所包含的官能团及不饱和度等信息，从而确定待测物质的结构。本实验中，当果糖和葡萄糖收到红外光谱照射，分子吸收某些频率的辐射，其分子振动和转动能及发生从基态到激发态的跃迁，使相应的透射光强度减弱。以红外光的透射比对波数或波长作图，就可以得到果糖和葡萄糖的红外光谱图。葡萄糖和果糖的炭式结构如图1所示，费歇尔式结构如图2所示: 图1 图2 2.3 仪器原理 2.3. 1 傅立叶红外光谱仪 傅立叶红外光谱仪的基本结构如图3所示。 图3 傅立叶红外光谱仪工作原理示意图 傅里叶红外光谱仪的工作原理如下: 光源发出的红外光由迈克尔逊干涉仪分成两束相干光，相干光照射到样品上，含有样品信息的相干光到达检测器，由检测器将光信号转化为电信号，并将此电信号传递到指示系统——计算机中。计算机将时间域信息通过傅立叶变换转化为频率域信息，最终得到透过率随波数变化的红外吸收光谱图。 (一)光源 光源要求能发射出稳定、高强度连续波长的红外光，能斯特灯、碳化硅或涂有稀土化合物的镍铬旋状灯丝这些是我们通常使用光源材料。 (二)干涉仪 我们所用的干涉仪是迈克尔逊干涉仪，迈克尔逊干涉仪的作用是将复色光变为干涉光。中红外干涉仪中的分束器主要由溴化钾材料制成;近红外干涉仪中的分束器一般以石英和CaF为材料;远红外干涉仪中的分束器一般由Mylar膜和2 网格固体材料制成。 迈克尔逊干涉仪工作原理图如图4所示。 图4 迈克尔逊干涉仪光路图 迈克尔逊干涉仪是由固定不动的反射镜M(定镜)，可移动的反射镜M(动12镜)以及广分束器G和G组成。M和M是互相垂直的平面反射镜，G和G121212 以45?角置于M和M之间。光线由光源S发出之后，入射在半透半反镜G上，121部分光线反射到平面镜M，再经M反射和G透射，最后到达检测器，同时，111 另一部分光线经G透射后，穿过G到达M，再经M反射沿原路返回，最后被1222 G反射至检测器。由于动镜的移动，使两束光产生了光程差。当光程差为半波1 长的偶数倍时，发生相长干涉，产生明线;当光程差为半波长的奇数倍时，发生相消干涉，产生暗线。当动镜连续移动，在检测器上记录的信号将连续变化。 (三)检测器 红外光区的检测器一般有两种类型:热检测器和光导电检测器。红外光谱仪中常用的热检测器有:热电偶;辐射热测量计，以及热电检测器等。热电偶和辐射热测量计主要用于色散型分光光度计中，而热电检测器主要用于中红外傅立叶变换光谱仪中 2.4 分析过程 2.4. 1 样品处理技术 针对液体样品、固体样品分别有液膜法、溶液法和压片法、薄膜法。针对气体样品也有专门的处理方法。 2.4. 2 液体样品 (1)液膜法 液体样品常用液膜法。该法适用于不易挥发(沸点高于80?)的液体或粘稠溶液。使用两块KBr或NaCl盐片。将液体滴1-2滴到盐片上，用另一块盐片将其夹住，用螺丝固定后放入样品室测量。若测定碳氢类吸收较低的化合物时，可在中间放入夹片(spacer，约0.05-0.1mm厚)，增加膜厚。测定时需注意不要让气泡混入，螺丝不应拧得过紧以免窗板破裂。使用以后要立即拆除，用脱脂棉沾氯仿、丙酮擦净。 (2)溶液法 溶液法适用于挥发性液体样品的测定。使用固定液池，将样品溶于适当溶剂中配成一定浓度的溶液(一般以10%w/w左右为宜)，用注射器注入液池中进行测定。所用溶剂应易于溶解样品，是非极性，不与样品形成氢键，溶剂的吸收不与样品吸收重合。常用溶剂为CS2、CCl4、CHCl3等。 2.4. 3 固体样品 (1)压片法 固体样品常用压片法，它也是固体样品红外测定的标准方法。将固体样品0.5mg,1.0mg与150mg左右的KBr一起粉碎，用压片机压成薄片。薄片应透明均匀。 (2)薄膜法 该法适用于高分子化合物的测定。将样品溶于挥发性溶剂后倒在洁净的玻璃板上，在减压干燥器中使溶剂挥发后形成薄膜，固定后进行测定。常见盐片的红外透明范围为:KBr(400 cm-1)，NaCl(650 cm-1)，CsI(150 cm-1)等。 2.4. 4气体样品 10cm的大容量气体池，如图5气体样品的测定可使用窗板间隔为2.5cm, 所示。抽真空后，向池内导入待测气体。测定气体中的少量组分时使用池中的反射镜，其作用是将光路长增加到数十米。气体池还可用于挥发性很强的液体样品的测定。 图5.气体池 2.5 谱图分析 2.5. 1 红外光谱的三个重要特征 (1)谱带位置 谱带的位置是指示一定基团存在的最有用的特征，由于若干不同的集团可能在相同的频率区出现，做出判断时要特别慎重。 (2)形状 有时候从谱带的形状也可能得到相关基团的有关信息，这些对于坚定特殊基团的存在很有用。 (3)相对强度 由于分子中极性较强的集团产生强的吸收带，有时我们可以根据相对强度进行分析。 2.5. 2同一基团振动峰 任一官能团由于存在伸缩振动(某些官能团同时存在对称和反对称伸缩振动)和多种弯曲振动，会在红外谱图的不同区域显示出几个相关吸收峰。所以，只有当几处应该出现吸收峰的地方都显示吸收峰时，就可以得出该官能团存在的 结论。以甲基为例，在2960、2870、1460、1380 cm-1处都应有C-H的吸收峰出现。以长链CH2为例，2920、2850、1470、720 cm-1处都应出现吸收峰。 2.5. 3谱图解析顺序 根据质谱、元素分析结果得到分子式。由分子式计算不饱和度U。U=四价元素数 -(一价元素数/2)+(三价元素数/2)+ 1。然后先观察官能团区，找出存在的官能团，再看指纹区。如果是芳香族化合物，应定出苯环取代位置。根据官能团及化学合理性，拼凑可能的结构。最后是进一步的确认需与标样、标准谱图对照及结合其它仪器分析手段得出的结论。 3 仪器与试剂 3.1 试剂与药品: 3.1.1 溴化钾(分析纯) 3.1.2 果糖(分析纯)、葡萄糖(分析纯) 3.1.3 未知样品A、B、C(样品是葡萄糖或果糖或者是两者的混和物) 3.1.4 无水乙醇 3.2 仪器: 3.2.1 玛瑙研钵、药匙、镊子、纸巾 3.2.2 WS701型红外线快速干燥器(上海市吴淞五金厂) 3.2.3 NEXUS 470-FTIR 傅立叶红外光谱仪(Thermo公司) 3.2.4 AB135-S电子天平(METTLER TOLEDO公司) 3.2.5 手压机(岛津公司) 4 实验步骤 4.1 实验前准备 实验前首先开启烘干机，保持实验室内干燥，后则影响仪器的性能并且使样品沾有水分影响分析图谱。在实验前将所需的药品:溴化钾、样品A、B、C，用研钵初步磨细、磨匀，然后放入烘箱，将模具、镊子、药匙和研钵等用沾有无水乙醇的纸巾擦拭干净(3.2.1)。 4.2 压片的制备以及图谱绘制 4.2.1 KBr空白压片的制备 用电子天平(3.2.4)称取200 mg左右初步磨好的溴化钾粉末，放入研钵中用力再次磨细、磨匀。然后用药匙小心地将磨好的KBr粉末移入模具中，转移过程中应小心谨慎，防止粉末溅洒到模具周围，引起粉末的损失，导致压片不均匀。将模具盖装好，旋转几圈，使KBr粉末在模具中均匀分布。随后将模具放 2入手压机(3.2.5)，用约600 kgf/cm压力在液压机上压制2 min左右。取出模具，用镊子小心地将压好的KBr薄片放在磁板上。 3404.544.2.2 样品压片 用电子天平称取约1 mg样品(A、B、C中任选一种),我们在实验中选择的 2945.30是A样品。再取约200 mg溴化钾粉末，将两者混合，用研钵研磨，其余操作步 2910.27骤同上。 以上步骤每用完一次药品要及时放回干燥器内，保持药品的绝对干燥。 2883.034.2.3 绘制红外图谱 首先将装有KBr薄片的磁板放入样品槽中，开启红外光谱仪，在计算机中设定好参数，仪器开始运行，最后在计算机中会显示出红外光谱图，作为空白。 2361.51 2334.27将待测样品放入样品槽，重复以上步骤，计算机将自动扣除空白后的光谱图显示出来。随后表示出每个明显吸收峰对应的波数，保存文件，完成图谱的绘制。 65 605 实验数据与结果 1633.73 55我们实验中所得出的样品A的光谱图以及葡萄糖(分析纯)和果糖(分析1458.59 50纯)的标准红外图谱分别如图6、图7和图8所示: 1415.781337.95 451221.191147.24859.241104.43 401053.841022.70 35913.73812.54 773.62 30707.46839.78 617.95 25551.78%Transmittance 20 15 10 5 4000 3000 2000 1000 Wavenumbers (cm-1) 图6 样品A的红外光谱 图7葡萄糖的标准图谱 3392.86 2937.51 2883.03 2353.73 2330.38 1641.51 1454.70 1411.891341.84 1240.65 1182.27 551143.35 1061.62 979.89 50921.51863.14820.32 777.51 45695.78621.84520.653404.54594.59 40415.57 352945.30 2910.27 30 2883.03%Transmittance 25 202361.51 2334.27 15 10 65 4000 3000 2000 1000 601633.73Wavenumbers (cm-1) 551458.591415.781337.95 50 1221.191147.24859.241104.43 45 1053.841022.70 40913.73812.54 35773.62707.46839.78 30617.95 551.78%Transmittance 25 20 15 10 5 4000 3000 2000 1000 Wavenumbers (cm-1) 图8 果糖的标准图谱 看图3对比图4和图5可以知道，样品A的图谱即不能和果糖的标准图谱很好的吻合，也不能和葡萄糖的标准图谱很好的温和，所以我判定样品A为果糖和葡萄糖的混合物。由上面三个图找出样品A与葡萄糖和果糖的相似峰值，并列下表(表1)。具体解析见表1。 样品A 果糖 葡萄糖 对比最大差值 3404.54 3412.32 7.78 2945.30 2945.30 0 2910.27 3.89 2883.03 0 2361.51 2914.16 2357.62 7.78 2334.27 2883.03 2342.05 7.78 1633.73 1641.51 7.78 1458.59 1458.59 0 1415.78 1411.89 3.89 1337.95 1341.84 3.89 1221.19 1225.08 3.89 1147.24 1143.35 3.89 1104.43 1112.22 7.78 1053.84 1061.62 1046.05 7.78 1022.70 1022.70 0 913.73 921.57 917.62 7.78 859.24 863.14 3.89 839.78 839.78 0 812.54 820.32 7.78 773.62 777.51 777.51 3.89 707.46 695.78 7.78 617.95 617.95 551.78 559.57 7.78 表1 葡萄糖标准图谱与样品C的红外图谱分析 分析:由表格可知样品A明显吸收峰分别与葡萄糖和果糖的部分峰值较好的吻合，最大的差值也不超过8。有些吸收峰有一定的差异可能是因为在压片和进样的过程中，固体压片吸附了空气中的水汽或二氧化碳等物质。 6 实验讨论 6.1为什么用KBr作为空白及样品的稀释剂, -1答:因为KBr在4000,400 cm区域内无吸收;并且，它的折射率与大多数有机化合物的折射率很接近，因此可以减少因光散射而造成的能量损失，我们在实验中将固体颗粒研磨到其粒径比辐射波长还小也是为了减少散射率;否则，将有很大部分的辐射能量因散射而损失。因此，应将样品研磨到其粒径为2 μm以下[1]。 6.2 水对测定过程有哪些影响, 答:水分在近红外谱区内有较强的吸收峰(约在1450 nm处)，这是近红外定量 [2]分析的主要干扰因素。KBr有很强的吸水性，因此使用前必须对其进行干燥处理，并且在实验过程中应尽量缩短KBr暴露在空气中的时间。 6.3 二氧化碳对实验是否有影响,为什么, 答:有影响。 因为CO虽然是对称分子，但是它还存在非对称伸缩振动，会有2-1红外吸收，所以游离的CO应该就有吸收，面内变形伸缩振动在617 cm附近;2-1面外伸缩在2369 cm附近。 6.4 为什么葡萄糖的标准谱图中没有羰基吸收峰, 答:葡萄糖标准谱图和样品谱图中均没有出现明显的羰基吸收峰。这是因为，实际上葡萄糖并不是以开链结构的形式存在的，而是以氧环结构的形式存在的。葡 - 萄糖 δ碳上的羟基与醛基反应形成半缩醛，因而失去了羰基的结构特征。 7 参考文献 [1] 石杰. 仪器分析. 郑州，郑州大学出版社，2003，95,96 [2] 严衍禄，赵龙莲，韩东海，杨曙明. 近红外光谱分析基础与应用. 北京:中国 轻工业出版社，2005，130,136