化学结构表征的方法和应用

1.红外光谱

红外光谱（Infrared Spectroscopy，IR）是研究高分子材料结构和组成的重要方法之一。在红外光谱图中，横坐标用波数表示，波数即波长的倒数，红外区的波数为400～4000 cm﹣1。纵坐标一般为透光率，称为透射光谱图；也有采用吸光度为标度的，称为吸收光谱图。两者可互相转换。红外光谱谱带横坐标的位置（即特征频率）是基团和结构分析的定性依据，可为基团的鉴定提供最有效的信息。谱带强度可用于定性和定量计算，谱带形状也能反映分子的结构特性，可帮助辨别各种官能团，如酰胺的CO和烯烃的CC，伸缩振动吸收峰均在1650cm﹣1附近，但前者易形成氢键使峰变宽。高分子中每种基团都有其特征振动光谱（伸缩振动和弯曲振动）与转动光谱，拥有固有特征频率，因此可用红外光谱进行鉴别。红外光谱除了可以对高分子进行定性鉴别外，还可用于表征高分子链的构型、构象和结晶，从而研究高分子间的氢键相互作用、共混高聚物的相容性等。

红外光谱的质量在很大程度上取决于制样的条件。根据高分子的组成和状态，主要有以下几种样品制备方法：

（1）溴化钾压片法。将溴化钾和样品按质量比200∶1混合后研磨，在一定压力下压成透明薄片。溴化钾极易吸水，所以需要在红外灯下充分干燥后再压片，并且制成薄片后要尽快测试。

（2）薄膜法。可以将聚合物溶液直接涂在氯化钠晶片上，待溶剂挥发后形成薄膜。对于热塑性样品则采取热压成膜的方法制成适当厚度的薄膜。

2.核磁共振波谱(www.xing528.com)

核磁共振波谱（Nuclear Magnetic Resonance spectroscopy，NMR spectroscopy）的原理是利用分子中具有磁矩的原子核在外磁场中吸收射频能量，发生原子核能级跃迁，同时产生核磁共振信号，从而得到相应的谱图。

核磁共振氢谱中所提供的最重要的参数是化学位移，化学位移反映了质子所处的化学环境，包括质子附近的电子密度以及邻近核间的相互作用。在高分辨仪器上，还可观察到由于相邻核自旋的相互作用而使化学位移产生峰的劈裂，这种相互作用称为自旋-自旋耦合，所得的耦合常数能反映有关立体化学的信息，例如，1→3键接α和β构型葡聚糖的JC1-C3，分别为1～2ppm和5～7ppm。

根据探测的原子核信号的不同，可以测量1H谱、13C谱、31P谱和15N谱等。在高分子材料中，经常研究的是1H核和13C核的共振吸收，用于判断分子量及组成、构型、键接结构、支化度、共聚物的序列分布等。样品通常是溶液，因为溶液的谱图分辨率较高。此外，随着固体高分辨技术的发展，固体核磁共振波谱也被广泛应用于解析固体高分子的结构和微观特征，适用于分析不溶性高分子的结构，固态下高分子的链构象、结晶和形态以及复合材料的形态和相容性等问题。

3.X射线光电子能谱

X射线光电子能谱（X-ray Photoelectron Spectroscopy，XPS）主要用于材料表面成分的分析和表面元素化学态的分析。它的原理是激发源发出的具有一定能量的X射线（或电子束）作用于样品表面时，可将样品表面原子中不同能级的电子激发出来，产生光电子或俄歇电子等。这些自由电子带有样品表面的信息，并具有特征功能。通过能量分析器收集，并研究能量分布，记录下电子信号强度与电子能量的关系曲线，即得到光电子能谱。