Korean, Edit

第 28 章. 光谱学

推荐文章：【有机化学】【有机化学目录】(https://jb243.github.io/pages/1483)

1. 概述

2. 质谱

3. 红外光谱

4. 紫外-可见光谱

5. 核磁共振波谱

6. 拉曼光谱

7. 其他光谱方法

8. 光谱仪器的设计

a. 光谱示例

1.概述

⑴ 光电子能谱：通过X射线观察电子跃迁

拉曼光谱：发射可见光激光并观察波长变化

⑶ 红外光谱：通过红外线观察分子振动。观察照射红外线后观察到多少相同波长的红外线

⑷ 微波光谱：通过微波观察分子旋转

⑸ 核磁共振波谱：通过无线电波观察核自旋跃迁

⑹ 以下是解决光谱问题的一些技巧：

① 考虑不饱和度 首先：如果不饱和度为4或更高，则强烈怀疑苯环的存在。

② 关注¹H NMR：建议主要使用 1H NMR 来解决问题，因为它可以像解决数学问题一样进行处理，并提供大量信息。

③ 使用化学式缩小可能性：建议根据给定的化学式推断可能的结构。

④ 利用对称性：利用对称性可以使解决问题变得更加容易。

⑤ 用1H NMR区分顺式/反式烯烃：可以使用¹H NMR区分烯烃的顺式/反式异构体。

⑥ 同一碳上的氢的化学位移：附着在同一碳上的氢根据其空间排列，在¹H NMR 中可能具有不同的化学位移值（ppm）。

2.质谱 (MS)

⑴原理

图 1. 质量分析方法图

① 第一^第一。入口区

○ 1-1. 样品分子介绍：分子大多呈中性

○ 1-2. 分子穿过带正电势的金属板

② 第二^第二。电离区

○ 2-1. 在质谱仪中，能量为 70 eV 的电子通过电子束发射。

○ 2-2. 电离阶段：有机分子与高能电子碰撞失去一个电子，形成分子离子

○ 分子离子的质量 = 分子量

○ 分子离子呈自由基形式：可表示为 M^+ㆍ

○ 2-3. 碎裂：分子离子非常不稳定，分裂成自由基部分和带正电部分

○ 根据官能团的不同，存在优选的断裂反应

○ 多肽片段：b代表末端带有NH2的片段，y代表末端带有-COOH的片段

图 2. 多肽断裂示例

图 3. 碎片离子的形式

○ 当两个峰相差 28 Da 时，估计是 a-b 对或 x-y 对

○ a 离子出现的频率低于 b 离子：CeqO⁺ 比 C=N⁺ 更不稳定

○ 2-4. 1+、2+离子等的产生：一般形成1+离子

③ 第三^第。加速区

○ 3-1. 电场是由金属板形成的，每个金属板具有零电位和负电位，以及前面的金属板具有正电位。

○ 3-2. 带正电的分子根据电场加速

○ 只有带正电的化学物质才能到达记录仪

④ 第 4。漂移区

○ 带正电的分子穿过带负电势的金属板时，在无电场的漂移区作直线运动

⑤ 第 5。探测器区域

○ 类型 1： 反射模式：参见图 1。

○ 原理：【洛伦兹力】(https://jb243.github.io/pages/751)

○ 换句话说，当离子通过磁场时，根据其 m/z 比，它们到达检测器的方式不同。

○ 类型 2： 线性模式

○ 代表性的例子是四极杆质谱法 (QMS)。

○ 在 QMS 中，通过 RF（射频）提供振荡电场，使离子能够根据其 m/z 比以不同方式到达检测器。

○ 原理 1： 飞行时间 (TOF) 质量分析仪

○ 利用不同质量的离子根据 m/z 到达检测器所需时间不同的原理

○ 换句话说，质量较小的离子比质量较大的离子更快到达检测器。

○ 优点： 受盐或其他污染物的影响较小

○ 缺点： 在 m/z = 200 时质量分辨率可达 60,000。

○ 原理2. FT-ICR-MS（傅里叶变换离子回旋共振质谱仪）

○ m/z 值可以使用潘宁离子阱测定。

○ 利用带电粒子在回旋加速器的磁场中以特定角频率进行圆周运动的事实（原理：洛伦兹力）

○ 使用 FFT 将随时间变化的振荡信号转换为质谱。

○ 优点： 质量分辨率可达1,000,000

○ 缺点： 由于分辨率较高，需要直接进样，速度相对较慢。

○ 原理 3. Orbitrap

○ 与 FT-ICR-MS 类似，离子在离子阱（桶形）内振荡，并且使用 FFT 将其随时间变化的振荡信号转换为质谱。

○ 与 FT-ICR-MS 不同，它使用内部电极和外部电极之间形成的电场而不是磁场。

○ 质量分辨率可达240,000。

○ 原理 4： 液相色谱 (LC) 分析仪

○ 可以选择性地接受特定的 m/z，而不是整个 m/z（例如 MS/MS）

○ 单一物质可以产生多个离子，因此具有多个 m/z 值：反卷积算法创建单个峰

⑵ 质量分析解读

① 质量分析中的最高峰称为基峰

② 基峰强度设置为100，其余为相对值。

③ m/z 示例：正化学物质越稳定，峰越大

图 4. m/z 示例

④ 氮法则

○ 由C、H、O元素组成的碳氢化合物的分子量总是均匀的，因此分子离子的m/z比是均匀的。

○ 如果在有机分子中观察到 m/z 比为奇数的分子离子，则可以假定其含有奇数个氮原子。

○ 示例： 图 4 中的奇数 m/z 是由于未考虑质子转移造成的。请参阅 MALDI-TOF。

○ CH<子>4：16

○ C_nH_2n+2：偶数

○ C_nH_2n：偶数

○ C_nH_2n-2：偶数

○ 用-OH、-F、-Cl、-Br、-I、-SH、-SiH₃基团取代-H时：偶数

○ 用-NH₂基取代-H时：奇数

⑶ 质量分析和同位素

① 高分辨率光谱仪可区分同位素

表 1. 有机化合物中发现的同位素丰度（自然丰度）

② Cl以3:1的比例存在，质量为35和37

③ Br以1:1的比例存在，质量分别为79和81

④ M和M+2之间的高度差表明某些元素的存在

⑷ 类型1： 基质辅助激光解吸/电离（MALDI-TOF）：Koichi Tanaka 获得了与此相关的诺贝尔奖。

① 第一^第一。样品（M）与基质混合，当氮激光（337 nm）照射到基质上时，会产生热量

② 第二^第二。由于产生的热量，基质与样品一起蒸发

③ 第三^第。基质被汽化并同时质子化：M → MH⁺

④ 第 4。与 A（阴离子）的质子转移：MH⁺ + A → M + AH⁺

图5. MALDI-TOF原理

⑤ 针对固体样品。 信号分裂发生最多约 1+、2+ 和 3+ 离子

图 6. 解卷积前 IgG 的 MALDI-TOF 质量分析结果

⑸ 类型 2： 电子喷雾电离 (ESI)：John B. Fenn 就此获得了诺贝尔奖。

① 液体样品通过高效液相色谱仪（HPLC）后，雾化在雾化器气体覆盖的高压管中，形成喷雾

② 针对液体样品。 发生显着的信号分裂

图 7. 解卷积前胰蛋白酶原的 ESI 质谱（分子量：23983）

⑹ 应用：质量分析定量（专注于蛋白质分析）

① 背景：质量分析仪本身并不定量，因此开发了各种技术

○ 原因 1. 激光功率会根据测量点的不同而变化

○ 原因2. 不同物质的电离程度不同。

② 类型1：相对定量

○ 1-1. 标签

○ ICAT（同位素编码亲和标签）：化学»» ○ 结构：亲和标签（生物素）+ 连接区（轻链：8 ¹H，重链：8 ²H）+ 半胱氨酸结合基序（碘乙酰胺）

○ 假设：目标蛋白含有Cys

○原理：根据实验条件选择性标记轻连接子，并与不同条件下标记的重连接子进行比较。

○ 第一^第一。将轻 ICAT 标签附加到一个实验组，将重 ICAT 标签附加到另一实验组

○ 第二^第二。合并从每个实验组获得的蛋白质并进行亲和素亲和层析

○ 第三^rd。选择性收集标记的蛋白质：标记仅与含有Cys的蛋白质结合，因此许多其他蛋白质被去除。

○ 第四^th。执行 LC/MS

○ 标记阶段：蛋白质

○ 缺点1. 目标蛋白与链霉亲和素分离困难

○ 缺点2. 由于生物素标签比蛋白质更容易断裂，因此可能会发生生物素造成的信号干扰。

○ SILAC（细胞培养中氨基酸的稳定同位素标记）：代谢

○ 用途：蛋白质表达研究、翻译后修饰的公正分析

○ 第一^第一。为重侧细胞提供 ¹³C、¹⁵N-Arg、¹³C-Lys

○ 第二^第二。为亮侧细胞提供 ¹²C、¹⁴N-Arg、¹²C-Lys

○ 第三^rd。合并每个来源的提取物并执行 LC/MS/MS

○ 第四^th。通过光谱进行识别和相对量化

○ 标记阶段：细胞

○ 优点 1. 可以在数据分析中进行可靠的校正，因为即使是相同的蛋白质也会显示出轻微的信号变化

○ 优点2. 标签自然发生，无需单独的标签反应

○ 优点 3. 可以对细胞本身进行标记，即在全球范围内进行分析。

○ 缺点 1. 复用仅限于 3 个。

○ 缺点2. 如果信号在频谱中重叠，则很难区分重侧和轻侧信号。

○ BEMAD（β-消除，然后迈克尔加成 DTT）：化学

○ DTT 作为还原剂，去除蛋白质内的二硫键（-S-S-）并生成-SH。

○原理：用²H₆-DTT代替DTT，并在谱图中进行相对比较。

○ 标记阶段：蛋白质

○ ¹⁶O / ¹⁸O：酶促

○ 原理：分析水中在胰蛋白酶条件下发生水合时产生的产物

○ 标记阶段：蛋白质

○ ¹⁵N：代谢

○ 标记阶段：蛋白质

○ 1-2. 无标签

○ 峰值强度

○ 光谱计数

○ 光谱 TIC

③ 类型2：绝对定量

○ 2-1. 标签

○ iTRAQ（用于相对和绝对定量的同量异位标签）：化学

○ iTRAQ 试剂：报告基团（阳离子）+ 平衡基团（中性）+ 胺结合基序 (NHS)

○ 报告基团和平衡基团统称为同量异位标签

○ 相对定量原理：改变报告基团和平衡基团以移动谱图中的峰位置

○ 绝对定量原理：测量每个提取物中报告基团的电荷量

○ 标记阶段：肽

○ 优点：可以进行比较灵活的复用。相对定量和绝对定量均可

○ 缺点：只能与含有胺的物质一起使用。与 SILAC 不同，无法在全球范围内进行比较

○ MRM（多重反应监测）»> ○ TMT（串联质量标签）

○ 2-2. 无标签

○ 顶点

④ 相对定量方法也可以变成绝对定量

○ 方法一： 将已知量的标记物质与待测定量的物质混合，然后进行相对定量。

○ 方法二：绘制校准曲线

⑺ 应用：MS/MS（MS²，串联质谱）

① 定义：两台质谱仪的组合

○ 一般采用三重四极杆结构（线性检测器模式）

○ 组件 1： MS1（四极结构；Q1）：电离给定样品后分离具有特定 m/z 的离子 X

○ 通过 MS1 的离子称为 前体离子

○ 组分 2： 碎裂部分（四极结构；Q2）：将具有特定 m/z 的离子 X 分解成更小的碎片

○ 组件 2 使用 CID（碰撞诱导解离）、离子分子反应、光解离等方法

○ 组分 3： MS2（四极杆结构；Q3）：分离具有特定 m/z 的片段

○ 通过 MS2 的离子称为 产物离子

○ 通过 MS/MS 可以获得的信号类型变得非常多样化。

○ 重新组合每个片段的 m/z 信号可以估计离子 X 的 m/z 值：算法领域

② 类型1：霰弹枪技术

○ 定义：在 MS1 和 MS2 中无需过滤即可检测所有化学物质光谱的技术

○ 用于鸟枪法蛋白质组学等，测定整个蛋白质的相对分布。

○ 缺点：耗时、灵敏度低、由于时间有限无法研究具体的m/z值

○ 1-1: DDA（数据相关采集）方法：从 MS1 中选择单峰并执行 MS2。需要大量时间

○ 1-2: DIA（数据独立采集）方法：从 MS1 中选择峰范围并执行 MS2

图 8. DDA 和 DIA 方法之间的比较

③ 类型2： SRM（选择反应监测）

○ 定义：检测特定 m/z 片段光谱的技术

○ 优点：自动化、无需购买抗体、提高灵敏度（减少背景干扰）、提高选择性、扩大动态范围

○ 缺点：仅限于绝对定量

④ 类型 3： MRM（多反应监测）

○ 定义：从一种或多种母离子检测一种或多种产物离子光谱的技术

○ SRM 和 MRM 有时包含在更广泛的 SRM 含义中

⑻ 应用：麦克拉弗蒂重排

图 9. 麦克拉弗蒂重排

① 特征1：氢自由基的运动

② 特征2： 六元环过渡态

③ 特征3：分解为中性烯烃和自由基阳离子

3.红外光谱（红外光谱）

⑴ 定义

①通过分析红外辐射吸收波长分析化合物官能团的实验方法

② 用于pH传感器等。

③ 利用AI预测红外光谱的模型正在开发中

⑵ 振动：电子的振动，分为伸缩振动和弯曲振动

① 红外吸收波长在中红外范围（2,500-8,000 nm）

② 中红外光吸收率高，信号强度弱，所以一般用近红外光代替。

③ 正在尝试利用中红外线

⑶ 类型 1: 拉伸振动> ①定义：电子从电负性高的原子暂时转移到电负性较低的原子

② 类型：对称拉伸、非对称拉伸

③ 大部分红外光谱与伸缩振动有关

④具有偶极矩的原子吸收红外辐射，减小偶极矩的大小

○ 同样，红外光谱中红外吸收必然存在偶极矩的变化。

⑤ 红外吸收波长被量子化

⑥ 在IR中，红外吸收线以波数（cm^-1）表示，即波长的倒数，以厘米为单位，一般范围为4000-400 cm^-1

○ 521 cm^-1 指每厘米 521 波

⑦ 因素 1： 更强的键需要更多的能量，导致波数增加

○ E = hν （其中 ν 是波数）密切相关

○ C=C ＞ C=C ＞ C-C

○ 2-戊酮中的C=O键是双键，导致观察到波数1720 cm^-1。

○ 2-环己酮中的C=O键由于共振，其次数低于2，导致观察到波数1680 cm^-1，小于1720 cm^-1。

⑧ 因素 2： 较小的原子具有较少的电子色散，导致波数增加

⑨ 因素 3： 较大的偶极子表明更强的键，导致波数增加

○ O-H ＞ N-H ＞ C-H

○ 这里的偶极子是指单键中的偶极子，而不是整个分子的偶极子（ref）

图 10. C=O 伸缩振动波数的比较示例

○ 正确的结构具有更高的 C=O 伸缩振动波数。

○ 原因1：由于杂化效应，电子从甲基(sp³)移动到酮碳(sp²)→键能增加→波数(ν = E/h)增加。

○ 原因2：当电子被苯环离域时，共振波长增加，波数减少（参见盒中粒子）。

○ 波数和偶极矩之间的关系似乎仅限于单键，因为在左侧结构中，1）偶极中间体稳定，2）偶极子之间的距离较大，导致左侧结构的偶极矩较大。

图11. 左侧结构偶极矩较大的原因

⑩ 因素4： 当存在氢键时，由于分子间键类似于分子内键，并且存在多种氢键形式，因此吸收线变得非常宽。

○ 由于氢键作用，OH 键被观察为广谱

⑪ 主要官能团的拉伸振动吸收波数

表 2. 主要官能团的拉伸振动吸收波数

⑷ 类型2： 弯曲振动（弯曲振动、形变振动）

① 定义：键角暂时变化

② 类型

○ 对称面内弯曲（剪刀）

○ 不对称面内弯曲（岩石）

○ 对称面外弯曲（扭转）

○ 非对称面外弯曲（wag）

③ 主要存在于碳氢键中

④ 弯曲振动比伸缩振动需要更少的能量，导致波数更小

⑤ 主要官能团的弯曲振动吸收波数

表 3. 主要官能团的弯曲振动吸收波数

⑸ 类型3： 旋转能：旋转能进一步细分振动能级

⑹ 示例：示例顺序遵循有机化学索引

① 示例1：酒精

图 12. 酒精的红外光谱

○ 3400：-OH

○ 1060：C-O

② 实施例2： 2-丙炔-1-醇

图 13. 2-丙炔-1-醇的红外光谱

○ 3300：OH基团

○ 2950: sp³ CH

○ 2100: 炔烃

③ 实施例3：乙醚

图 14. 二乙醚的红外光谱

④ 实施例4：酮

图 15. 酮的红外光谱

○ 1720: C=O

○ 手指区域

⑤ 实施例5：醛

图 16. 醛的红外光谱

○ 2700、2800：C-H

○ 1720: C=O

⑥ 实施例6：苯甲醛

图 17. 苯甲醛的红外光谱

○ 3050: sp² CH

○ 2810、2730：独特的醛双峰

○ 1700: 部分单键羰基

○ 1600、1460：苯环

⑦ 实施例7： 羧酸

图 18. 羧酸的红外光谱

○ 3200、2600：-OH

○ 3000：C-H

○ 1700: C=O

○ 1200：C-O

⑧ 实施例8：酯

图 19. 酯的红外光谱

○ 1760: C=O

○ 1100、1200：C-O» ○ 手指区域

⑨ 实施例 9: 酰胺

图 20. 酰胺的红外光谱

○ 1660: C=O

○ 手指区域

⑩ 实施例10： N-甲基乙酰胺

图 21. N-甲基乙酰胺的红外光谱

○ 3300：N-H伸缩振动

○ 2950: sp³ CH

○ 1660: 酰胺羰基

○ 1560：N-H弯曲振动

⑪ 实施例11： 胺

图 22. 胺的红外光谱

○ 3400、3300：N-H伸缩振动

○ 1600：N-H弯曲振动

○ 手指区域

⑺ 应用1：振动-旋转谱

① 定义：通过红外或拉曼光谱获得的振动和旋转信息的可视化

② R分支：ΔJ=1，Δv=1

4.紫外-可见光谱（紫外-可见光谱）

⑴ 原理一：吸收波长的测定

① π键可以吸收紫外可见辐射，共轭长度越长，吸收波长就越长

② π键电子吸收紫外-可见辐射后跃迁到π*轨道

⑵ 原理2：比尔-朗伯定律

①证明

○ I: 光强度

○ d: 光穿透路径长度

○ a: 吸收系数取决于介质

○ T：透过率

○ A：吸光度（单位：OD、光密度）

○ c: 摩尔浓度

○ ε: 摩尔吸光率

②结论：吸光度与物质浓度成正比

⑶ 吸收颜色和基于吸收波长的观察颜色

表 4. 吸收颜色和基于吸收波长观察到的颜色

⑷ 吸收波长示例

① 化学物质

○ 甲基乙烯基酮：219 nm

○ 3,5-己二烯-2-酮: 249 nm

○ 苯胺离子：254 nm

○ 苯：255 nm

○ 苯酚：270 nm

○ 苯胺：280 nm

○ 酚盐离子：287 nm

② 生物分子

○ 核酸氮碱基：260 nm

○ Phe、Trp、Tyr 中的苯基：280 nm

○ NADH：340 nm

○ 茚三酮：405 nm。茚三酮与氨基酸反应生成紫色产物，吸收波长为570 nm

○ β-胡萝卜素：455 nm

○ 番茄红素：474 nm

○ 类胡萝卜素：500 nm

○ 血红蛋白：560 nm

○ 叶绿素：680 nm、700 nm

○ 光合细菌（如蓝细菌）的色素分子：840 nm、870 nm

5.核磁共振 (NMR) 波谱

⑴原理

① 具有非零自旋量子数的化学物质，如¹H、¹³C、¹⁵N、¹⁹F、³¹P可以使用NMR进行研究。

② 此类化学物质在受到外部磁场作用时表现出量子化状态。

③ 这些状态之间的能量差对应的电磁波就是射频波。

④ 通过NMR获得的信息：特定化学物种的类型和数量。

⑤ MRI 中的体素尺寸一般为 1 × 1 × 5 mm3，而 MRS 中的体素尺寸较大，为 15 × 15 × 15 mm3。

⑵ ¹H NMR（质子NMR）> ① ¹H相对于磁场B₀具有两种量子态：α自旋态和β自旋态。

图 23. 相对于磁场的两个量子态

② 自旋翻转：当¹H吸收与磁场强度成正比的能量时，从α自旋态跃迁到β自旋态。

③ 原理1. 积分比例

○ NMR信号的积分比代表等效1H核的比例。

○ 原因：信号与等效 1H 原子核的数量成线性比例。其他因素的影响很小。

④ 原理2. 化学位移

○ 楞次定律：当外部磁场发生变化时，电子会感应出相反方向的磁场来抵消它。

○ 化学屏蔽：指磁场的局部变化，与基本磁场B₀成正比。

○ B_i: 局部磁场

○ σ_i: 屏蔽因子，反映对质子 i 的屏蔽效果

○ 屏蔽系数一般较小（10^-4 至 10^-6），因此磁场差异非常小。

○ 用比率代替绝对值来反映磁场差异

○ 指数计算：局部磁场与参考频率之差除以参考频率。通常以 ppm 单位表示。

○ 表示磁场差异的术语称为化学位移。

○ ω_ref 的值是任意的，但通常选择为发射机的 ω_TR。

○ 主要优点：独立于B₀

○ 示例： 在 300 MHz ¹H 核磁共振 (NMR) 谱中，丙酮显示出一条单共振线，相对于四甲基硅烷 (TMS) 的化学位移 δ 为 2.0 ppm。丙酮的共振线距 TMS 多少赫兹？ 600 赫兹

○ 缺电子环境中的质子会受到强大的外部磁场的影响，从而产生更高的共振频率和更大的δ值。

○ 缺电子环境中的质子称为去屏蔽质子或低场质子。

○ 与去屏蔽效果有关

○ 富电子环境中的质子受到的外部磁场较弱，导致共振频率较低，δ值较小。

○ 富电子环境中的质子称为屏蔽质子或高场质子。

○ 与屏蔽效果有关

○ 靠近高电负性原子的质子会经历更多的去屏蔽，从而导致更大的 δ 值。

○ 示例：在 CH₃CH₂CH₂NO₂ 中，H 的 δ 为 1.04 ppm， H 为 2.07 ppm，H 的 δ 为 4.37 ppm。

○ 示例：甲基质子对应于 0.85 ppm，亚甲基质子对应于 1.20 ppm，次甲基质子对应于 1.55 ppm。

⑤ 原理3. 自旋-自旋分裂：也称为耦合、多重性。» ○ 当特定 ¹H 原子周围有 n 个等效 1H 原子时，该 ¹H 原子的 NMR 信号分裂成 n+1 个峰并遵循二项式分布。

○ 背景1. 每个相邻的¹H可以采用两种自旋态之一：α-自旋态或β-自旋态。

○ 背景2. 每个相邻¹H的状态都会影响特定¹H的NMR信号。

○ 就分裂影响而言，正氢>偏氢>对氢：即距离越近，影响程度越大。

图 24. 根据氢取向的自旋-自旋分裂常数

○ 当仅存在_邻_氢时

○ NMR 信号将¹H 分成总共n+1 个信号，第k 个信号的相对大小与二项式系数_nC_k 成正比。

○ 根据分裂数量，信号分为单重态、双重态、三重态、四重态、五重态、六重态、七重态、八重态、九重态等。

⑥ 应用1：多重键和¹H NMR

○ 对于以下化合物，按每种化合物中质子的化学位移 (δ) 值递增的顺序列出：

图 25. 多重键和¹H NMR

○ 右 (6.5-8 ppm) ＞ 中 (5.3 ppm) ＞ 左 (2.4 ppm)

○ 苄基质子： 循环电子产生与外部磁场方向相同的磁场 → 更高的共振频率和δ值。

○ 烯烃质子： 电子运动产生与外部磁场方向相同的磁场 → 更高的共振频率和δ值。

○ 炔烃质子： 根据楞次定律，仅感应出与外部磁场相反的磁场 → 较低的共振频率和δ值。

图 26. ¹H-NMR δ 值及其给定化合物的原理

⑦ 实际¹H NMR

○ TMS（四甲基硅烷）：用作参考物质，其信号设置为0 ppm。

○ CDCl₃、丙酮、甲醇、DMSO 和苯也可用作 NMR 溶剂。

○ 其他¹H NMR信号的δ值是相对于TMS表示的。

○ 原因 1. 高频值

○ 原因 2. δ 值与磁场无关（因为频率与磁场成正比）

○ 化学位移示例：苯氢=6.5-8，醛氢=9.0-10

图 27. ¹H NMR 化学位移示例

⑧ ¹H NMR 示例（参考）

⑶¹³13C NMR

① 原理1. 积分比例

② 原理2. 化学位移：220 ppm 后

③ 原理3. 自旋-自旋分裂

④ 实际¹³C NMR

○ TMS（四甲基硅烷）：用作参考物质，其信号设置为0 ppm。

○ CDCl₃、丙酮、甲醇、DMSO 和苯也可用作 NMR 溶剂。

○ 各种物质的¹³C NMR值：R-CH₃ = 0-35，C-O = 50-90，苯= 110-170，C=O = 205-220

图 28. ¹³C NMR 化学位移示例

> ⑤ ¹³13C NMR 示例（ref）

图 29. ¹³13C NMR 示例

答案是①

○ A: 碳位置总共有三种类型：Cl 位置（2 个位置）、Cl 旁边的位置（2 个位置）以及 Cl 旁边的位置旁边的位置（2 个位置）。

○ B: 总共有四个碳位置：Cl 位置（2 个位置）、Cl 右侧位置（1 个位置）、Cl 左侧位置（2 个位置）以及 Cl 旁边位置旁边的位置（1 个位置）。

○ C: 碳位置共有两种：Cl 位置（2 个位置）和 Cl 旁边的位置（4 个位置）。

6.拉曼光谱

⑴ 定义：通过将单色光照射到目标上来观察波长变化。

图 30. FTIR（上图）和拉曼光谱（下图）之间的差异

⑵ 非弹性散射：又称拉曼散射

① 定义：随能量变化的散射。入射和散射波长不同。

② 拉曼位移用于表示波长相对于瑞利散射偏移了多少。

○ 与红外光谱不同，它不直接测量振动能量。

○ 拉曼位移的测量单位为 cm^-1。

③量子力学理解：拉曼散射前后的能量差对应于分子振动能。

○ 当分子获得能量时，称为斯托克斯散射。

○ 当分子失去能量时，称为反斯托克斯散射。

○ 斯托克斯散射通常比反斯托克斯散射更突出，因为基态分子的数量多于振动激发的分子。

⑶ 拉曼光谱指纹区

图 31. 拉曼光谱指纹区域

⑷ 光谱过程

① 第一^第一。单色光照射到样品上。

② 第二^第二。拉曼散射光和瑞利散射光都通过陷波滤波器，其中大部分包含瑞利散射。

③ 第三^第。陷波滤波器选择性地阻挡瑞利散射光。

④ 第 4。通过陷波滤波器的拉曼散射光根据其波长被光栅分离。

⑤ 第 5。特定波长的拉曼散射光由 CCD 读取。

⑸ 使用可见光照射人体皮肤会产生强烈的荧光，导致拉曼散射光谱难以观察。

① 策略1. 使用更长的波长以减少荧光干扰。

○ 示例 1. 使用波长为 1064 nm 的 Nd:YAG 激光的近红外 FT 拉曼光谱。

○ 示例 2. 使用 CCD（电荷耦合器件）检测器的色散拉曼光谱。

② 策略 2. 使用较短的波长将荧光区域与拉曼光谱区域分开。

○ 示例 1. 紫外共振拉曼光谱 (UVRR)

7.其他光谱方法

⑴ 表面等离子体共振光谱

①【表面等离子共振（SPR）原理】(https://jb243.github.io/pages/754)

⑵ 折射率显微镜

8. 光谱仪器的设计⑴ 定义：当光入射到样品上时，用于测量给定样品在不同波长下的反射、透射、吸收、散射和荧光的装置。

⑵ 组件1. 光源

⑶ 组件2. 波长选择器：棱镜、光栅、滤光片等。

⑷ 光栅（衍射光栅）

①定义：在光滑抛光的金属表面上切出锯齿状凹槽而制成。

○ 用于紫外和可见光光谱的反射型衍射光栅每毫米有300至6,000个凹槽。

○ 用于红外光谱的反射型衍射光栅每毫米有 10 至 200 个凹槽。

○ 凹槽必须全部尺寸相同、平行且间距相等。

②阶梯光栅型衍射光栅

○ 当平行光线照射到反射面时，在各面遵循反射定律。

○ 反射光线相互干扰。

○ 当相邻光线的传播路径之差为波长的整数倍时，就会发生强化干涉。

图 32. 阶梯光栅的增强干涉条件

⑸ 滤光片

① 干涉滤光片

○ 由两层部分透明的薄膜组成，并由透明的薄介电层隔开。

○ 布拉格衍射：随着介电层厚度的减小和入射角的增加，辐射的波长增加。

图 33. 布拉格衍射

○ 形成X射线衍射(XRD)原理。

○ 特点：有效波长宽度（FWHM，半幅全宽）窄。

② 吸收过滤器

○ 整体减弱入射光的滤光片。

○ 宽有效波长宽度（FWHM，半幅全宽）。

○ 示例：UV 截止滤光片、NIR 吸收滤光片

⑹ 1 型. 单光束分光光度计

○ 多色光 → 单色仪 → 单色光

○ 测量透射率 P/P₀

○ 交替测量样品和溶剂：由于光源强度和检测器灵敏度的变化而发生错误。

⑺ 2型. 双光束分光光度计

○ 光线交替穿过样品和参比容器。

○ 最大限度地减少由于光源强度和检测器灵敏度随时间变化而产生的误差。

输入： 2019.05.02 09:32

修改： 2020.03.04 15:29