PHƯƠNG PHÁP PHỔ HỒNG NGOẠI VÀ ỨNG DỤNG TRONG THỤC PHẨM

BỘ CÔNG THƯƠNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP TP. HỒ CHÍ MINH
----------
VIỆN CÔNG NGHỆ SINH HỌC THỰC PHẨM
MÔN: PHÂN TÍCH THỰC PHẨM
Đề Tài: PHƯƠNG PHÁP PHỔ HỒNG NGOẠI VÀ ỨNG DỤNG
TRONG THỤC PHẨM
GVHD : Nguyễn Khắc Kiệm
Lớp Học Phần: 210502002
Thành phố Hồ Chí Minh, tháng 7 năm 2011.
Phổ Hồng Ngoại và Ứng Dụng Trong Thực Phẩm
BỘ CÔNG THƯƠNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP TP. HỒ CHÍ MINH
----------
VIỆN CÔNG NGHỆ SINH HỌC THỰC PHẨM
MÔN: PHÂN TÍCH THỰC PHẨM
Đề Tài: PHƯƠNG PHÁP PHỔ HỒNG NGOẠI VÀ ỨNG DỤNG
TRONG THỤC PHẨM
SVTH:
1. Trần Anh Duy 09094891
2. Tống Quốc Huy 09069521
3. Từ Tôn Quý 09081961
4. Tôn Thất Thắng 09076751
5. Lê Thị Tiễn 09081621
6. Trần Minh Hoàng Vũ 09082321
7. Tô Thị Xuân 09074941
GVHD : Nguyễn Khắc Kiệm
Lớp Học Phần: 210502002
Thành phố Hồ Chí Minh, tháng 7 năm 2011.
2
Phổ Hồng Ngoại và Ứng Dụng Trong Thực Phẩm

Nhận xét của giáo viên hướng dẫn
..........................................................................................................................................................................................................
..........................................................................................................................................................................................................
..........................................................................................................................................................................................................
..........................................................................................................................................................................................................
..........................................................................................................................................................................................................
..........................................................................................................................................................................................................
..........................................................................................................................................................................................................
..........................................................................................................................................................................................................
..........................................................................................................................................................................................................
..........................................................................................................................................................................................................
..........................................................................................................................................................................................................
..........................................................................................................................................................................................................
..........................................................................................................................................................................................................
..........................................................................................................................................................................................................
..........................................................................................................................................................................................................
..........................................................................................................................................................................................................
..........................................................................................................................................................................................................
..........................................................................................................................................................................................................
..........................................................................................................................................................................................................
..........................................................................................................................................................................................................
..........................................................................................................................................................................................................
..........................................................................................................................................................................................................
..........................................................................................................................................................................................................
..........................................................................................................................................................................................................
..........................................................................................................................................................................................................
..........................................................................................................................................................................................................
..........................................................................................................................................................................................................
..........................................................................................................................................................................................................
..........................................................................................................................................................................................................

..........................................................................................................................................................................................................
..........................................................................................................................................................................................................
..........................................................................................................................................................................................................
..........................................................................................................................................................................................................
..........................................................................................................................................................................................................
..........................................................................................................................................................................................................
..........................................................................................................................................................................................................
..........................................................................................................................................................................................................
..........................................................................................................................................................................................................
..........................................................................................................................................................................................................
..........................................................................................................................................................................................................
..........................................................................................................................................................................................................
..........................................................................................................................................................................................................
..........................................................................................................................................................................................................
..........................................................................................................................................................................................................
..........................................................................................................................................................................................................
..........................................................................................................................................................................................................
..........................................................................................................................................................................................................
..........................................................................................................................................................................................................
..........................................................................................................................................................................................................
..........................................................................................................................................................................................................
..........................................................................................................................................................................................................
..........................................................................................................................................................................................................
..........................................................................................................................................................................................................
..........................................................................................................................................................................................................
3
Phổ Hồng Ngoại và Ứng Dụng Trong Thực Phẩm
MỤC LỤC
A. Lời mở đầu..................................................................................................................................6
B. NỘI DUNG.................................................................................................................................7

a. NGUỒN GỐC CỦA BỨC XẠ HỒNG NGOẠI:..........................................................................................7
b. ĐẠI CƯƠNG VỀ PHỔ HỒNG NGOẠI:...................................................................................................7
2.1 Điều kiện hấp thụ bức xạ hồng ngoại:..........................................................................................8
2.2 Sự quay của phân tử và phổ quay:..............................................................................................9
2.3 Phổ dao động quay của phân tử hai nguyên tử:.......................................................................11
2.4 Phổ dao động quay của phân tử nhiều nguyên tử:...................................................................15
2.5 Các yếu tố ảnh hưởng đến tần số đặc trưng nhóm:..................................................................19
2.5.1 Ảnh hưởng do cấu trúc của phân tử :......................................................................................19
2.5.2 Ảnh hưởng do tương tác giữa các phân tử:.............................................................................21
2.6 Cường độ và hình dạng của vân phổ hồng ngoại:.....................................................................22
2.7 Các vân phổ hồng ngoại không cơ bản:.......................................................................................22
c. HẤP THU HỒNG NGOẠI CỦA MỘT SỐ HỢP CHẤT HỮU CƠ VÀ VÔ CƠ............................................23
3.1 Tần số hấp thu của hydrocarbon:...............................................................................................24
3.2 Tần số hấp thu của Alcohol và phenol:.......................................................................................28
3.3 Tần số hấp thu của ether, epoxide và peroxide:........................................................................30
3.4 Tần số hấp thu của hợp chất carbonyl:.....................................................................................31
3.5 Tần số hấp thu của hợp chất Nitrogen:.....................................................................................36
3.6 Tần số hấp thu của hợp chất chứa phosphor:...........................................................................37
3.7 Tần số hấp thu của hợp chất chứa lưu huỳnh:..........................................................................38
3.8 Tần số hấp thu của hợp chất chứa nối đôi liền nhau:...............................................................38
3.9 Tần số hấp thu của hợp chất chứa halogenur:..........................................................................39
d. KỸ THUẬT THỰC NGHIỆM VÀ ỨNG DỤNG PHƯƠNG PHÁP QUANG PHỔ HỒNG NGOẠI:...............40
4.1 Máy quang phổ IR: ....................................................................................................................40
4.2 Cách chuẩn bị mẫu:....................................................................................................................42
4.3 Ứng dụng:..................................................................................................................................43
4.3.1 Đồng nhất các chất:..................................................................................................................43
4
Phổ Hồng Ngoại và Ứng Dụng Trong Thực Phẩm
4.3.2 Xác định cấu trúc phân tử:.......................................................................................................43
4.3.3 Nghiên cứu động học phản ứng:..............................................................................................43

4.3.4 Nhận biết các chất:...................................................................................................................44
4.3.5 Xác định độ tinh khiết:..............................................................................................................44
4.3.6 Suy đoán về tính đối xứng của phân tử:..................................................................................44
4.3.7 Phân tích định lượng:...............................................................................................................44
e. ỨNG DỤNG PHỔ HỒNG NGOẠI TRONG THỰC PHẨM:.....................................................................46
PHÂN TÍCH THÀNH PHẦN CHÍNH......................................................................................................46
5.1 Nước: .........................................................................................................................................46

5.2 Protein :.......................................................................................................................................47
5.3 Lipid: ............................................................................................................................................48
5.4 Glucid:..........................................................................................................................................48
5.5 Chất xơ :.......................................................................................................................................48
5.6 một số ứng dụng khác:................................................................................................................48
f. NHỮNG LOẠI MÁY QUANG PHỔ TRÊN THỊ TRƯỜNG HIỆN NAY:......................................................50
6.1 Máy quang phổ hồng ngoại biến đổi Fourier:...........................................................................50
6.2 Máy quang phổ hồng ngoại gần (FT-NIR):.................................................................................51
C. KẾT LUẬN...............................................................................................................................52
D. TÀI LIỆU THAM KHẢO........................................................................................................52
5
Phổ Hồng Ngoại và Ứng Dụng Trong Thực Phẩm
A. Lời mở đầu
Hóa học phân tích là một phần của khoa học hóa học, phân tích thực phẩm là một
bộ môn thuộc phân tích các mẫu, đặc biệt là các mẫu thực phẩm cho phép ta xác định
nhanh chóng các mẫu phân tích chứa hàm lượng rất nhỏ với độ chính xác cao. Để phân
tích thực phẩm như ngày nay người ta sử dụng rất nhiều phương pháp như: phân tích
sắc ký, phương pháp điện thế, phương pháp quang…Trong đó phương pháp quang là
phương pháp được sử dụng phổ biến bởi kỹ thuật này được coi là sạch và tốt vì không
sử dụng hoá chất, không ảnh hưởng sức khoẻ và an toàn cho người phân tích. Một trong
những phương pháp quang được sử dụng thì phổ hồng ngoại là một trong những
phương pháp quang phổ hấp thu phân tử.

Phổ hồng ngoại được sử dụng rộng rãi trong những kỹ thuật phân tích rất hiệu quả
và đã trải qua ba thập kỷ qua. Một trong những ưu điểm quan trọng nhất của phương
pháp phổ hồng ngoại vượt hơn những phương pháp phân tích cấu trúc khác (nhiễu xạ tia
X, cộng hưởng từ điện tử, phương pháp quang vv…) là phương pháp này cung cấp
thông tin về cấu trúc phân tử nhanh, không đòi hỏi các phương pháp tính toán phức tạp.
Kỹ thuật này dựa trên hiệu ứng đơn giản là: các hợp chấp hoá học có khả năng hấp thụ
chọn lọc bức xạ hồng ngoại. Sau khi hấp thụ các bức xạ hồng ngoại, các phân tử của các
hơp chất hoá học dao động với nhều vận tốc dao động và xuất hiện dải phổ hấp thụ gọi
là phổ hấp thụ bức xạ hồng ngoại.
Được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực nghiên cứu khác nhau như trong Y học, Hóa
Học, Thực phẩm,…nghiên cứu cấu trúc các hợp chất vô cơ, hữu cơ, phức chất và trong
thực tế sản xuất. Đặc biệt trong lĩnh vực thực phẩm phổ biến người ta sử dụng phổ hồng
ngoại để phân tích dư lượng axit amin trong protein, đánh giá chất lượng của chất béo,
protein thành phần của các sản phẩm sữa và hạt. Phân biệt giữa bột cá, bột thịt, bột đậu
nành có trong mẫu. Phân tích thành phần hóa học các sản phẩm thực phẩm như phomat,
ngũ cốc, bánh kẹo, thịt bò…
Nhằm có cái nhìn tổng quát về các phương pháp phân tích cũng như cung cấp cho
chúng ta một công cụ hữu hiệu trong học tập và nghiên cứu về môn phân tích thực phẩm
nên nhóm đã chọn đề tài: “Phương pháp phổ hồng ngoại và ứng dụng trong thực
phẩm” để tìm hiểu về nguyên tắc phân tích nhờ phổ hồng ngoại và những ứng dụng của
nó trong kỹ thuật phân tích hàm lượng các chất.
Để có thể hoàn thành tốt bài tiểu luận này, nhóm em chân thành cảm ơn nhà trường
đã tạo điều kiện cơ sở vật chất cho nhóm làm việc, thầy Nguyễn Khắc Kiệm đã chỉ dẫn
và cung cấp tài liệu cũng như phương pháp làm bài cho nhóm.
Tuy đã cố gắng nhưng không thể tránh khỏi những sai sót về nội dung cũng như
hình thức. Rất mong nhận được ý kiến đóng góp chân thành từ cô và các bạn!
6
Phổ Hồng Ngoại và Ứng Dụng Trong Thực Phẩm
B. NỘI DUNG
a. NGUỒN GỐC CỦA BỨC XẠ HỒNG NGOẠI:

Năm 1800, William Hershel đã phát hiện ra sự tồn tại của bức xạ nhiệt ở ngoài
vùng phổ của ánh sáng nhìn thấy và ông đặt tên cho nó là bức xạ hồng ngoại (Infrared -
IR). Đây là dải bức xạ không nhìn thấy được có bước sóng từ 0,75 đến 1000 nm và ông
cũng đã chứng minh được rằng bức xạ này tuân theo những qui luật của ánh sáng nhìn
thấy. Kể từ mốc lịch sử đó đến nay, trong lĩnh vực này nhân loại đã đạt được những
bước phát triển đáng kể.
Về nguồn phát xạ: Vào nửa đầu thế kỷ 19 đã tìm ra những định luật đầu tiên về
bức xạ nhiệt, đầu thế kỷ 20 đã hoàn thành các qui luật của bức xạ không kết hợp. Trong
những năm 1920-1930 đã tạo ra các nguồn IR nhân tạo, phát hiện ra hiệu ứng điện phát
quang làm cơ sở để tạo ra các nguồn phát xạ IR (các diodes phát quang).
Về detectors (dùng để phát hiện IR): Năm 1830 các detectors đầu tiên theo nguyên
lý cặp nhiệt điện (thermopile) ra đời. Năm 1880 ra đời quang trở cho phép tăng đáng kể
độ nhạy phát hiện IR. Từ năm 1870 đến 1920, các detectors lượng tử đầu tiên theo
nguyên lý tương tác bức xạ với vật liệu ra đời (với các detectors này bức xạ được
chuyển đổi trực tiếp sang tín hiệu điện chứ không phải thông qua hiệu ứng nhiệt do bức
xạ sinh ra). Từ năm 1930-1944 phát triển các detectors sulfure chì (PbS) phục vụ chủ
yếu cho các nhu cầu quân sự. Từ năm 1930-1950 khai thác vùng IR từ 3 đến 5 mm bằng
các detectors Antimonium dIndium (InSb) và từ 1960 bắt đầu khai thác vùng IR từ 8
đến 14 mm bằng các detectors Tellure de Cadmium Mercure (HgTeCd).
Trên thế giới IR đã được áp dụng trong nhiều lĩnh vực: Như ứng dụng trong chế
tạo các thiết bị quang điện tử trong đo lường - kiểm tra trong lĩnh vực thực phẩm, các
thiết bị chẩn đoán và điều trị trong y tế, trong các hệ thống truyền thông, các hệ chỉ thị
mục tiêu trong thiên văn, trong điều khiển các thiết bị vũ trụ và trong những năm gần
đây, chúng còn được sử dụng để thăm dò tài nguyên thiên nhiên của trái đất và các hành
tinh khác, để bảo vệ môi trường. Đặc biệt, nó có những ứng dụng rất quan trọng trong
lĩnh vực quân sự. Các ứng dụng quân sự của IR đòi hỏi các detectors phải có độ nhậy
cao, đáp ứng nhanh, phải mở rộng dải phổ làm việc của detectors và dải truyền qua của
vật liệu quang học. Cuối chiến tranh thế giới lần thứ hai nhờ ứng dụng IR người ta đã
chế tạo được bom quang - điện tự điều khiển, các hệ thống điều khiển hỏa lực trên cơ sở
biến đổi quang - điện, các thiết bị nhìn đêm cho vũ khí bộ binh, các bộ điện đàm IR và

sau thế chiến lần thứ hai đã tạo ra nhiều hệ thống điều khiển tên lửa không đối không,
không đối đất, đất đối không...
Ở nước ta hiện nay, lĩnh vực này đã được một số cơ quan khoa học trong đó có
Viện nghiên cứu ứng dụng công nghệ, tiếp cận, nghiên cứu từ cuối những năm 60 của
thế kỷ 20. Và đặc biệt, hiện nay phổ hồng ngoại đang được ứng dụng rất rộng rãi trong
lĩnh vực thực phẩm…
b. ĐẠI CƯƠNG VỀ PHỔ HỒNG NGOẠI:
Phương pháp phân tích theo phổ hồng ngoại là một trong những kỹ thuật phân tích
rất hiệu quả. Một trong những ưu điểm quan trọng nhất của phương pháp phổ hồng
ngoại vượt hơn những phương pháp phân tích cấu trúc khác (nhiễu xạ tia X, cộng hưởng
từ điện tử vv…) là phương pháp này cung cấp thông tin về cấu trúc phân tử nhanh,
không đòi hỏi các phương pháp tính toán phức tạp.
7
Phổ Hồng Ngoại và Ứng Dụng Trong Thực Phẩm
Kỹ thuật này dựa trên hiệu ứng đơn giản là: các hợp chất hoá học có khả năng hấp
thụ chọn lọc bức xạ hồng ngoại. Sau khi hấp thụ các bức xạ hồng ngoại, các phân tử của
các hợp chất hoá học dao động với nhiều vận tốc dao động và xuất hiện dải phổ hấp thụ
gọi là phổ hấp thụ bức xạ hồng ngoại.
Các đám phổ khác nhau có mặt trong phổ hồng ngoại tương ứng với các nhóm
chức đặc trưng và các liên kết có trong phân tử hợp chất hoá học. Bởi vậy phổ hồng
ngoại của một hợp chất hoá học coi như "dấu vân tay", có thể căn cứ vào đó để nhận
dạng chúng.
Phổ hấp thu hồng ngoại là phổ dao động quay vì khi hấp thu bức xạ hồng ngoại thì
cả chuyển động dao động và chuyển động quay đều bị kích thích. Bức xạ hồng ngoại có
độ dài sóng từ 0,8 đến 1000µm và chia thành ba vùng:
1- Cận hồng ngoại ( near infrared) λ = 0,8 – 2,5µm
2- Trung hồng ngoại ( medium infrared) λ = 2,5 – 50µm
3- Viễn hồng ngoại ( far infrared) λ = 50 - 100µm
Trong thực tế, phổ hồng ngoại thường được ghi với trục tung biểu diễn T%, trục
hoành biểu diễn số sóng với trị số giảm dần ( 4000 – 400 cm

-1
).
2.1 Điều kiện hấp thụ bức xạ hồng ngoại:
Không phải bất kỳ phần tử nào cũng có khả năng hấp thụ bức xạ hồng ngoại.
Mặt khác bản thân sự hấp thụ đó cũng có tính chất chọn lọc. Để một phần tử có thể hấp
thụ bức xạ hồng ngoại, phân tử đó phải đáp ứng các yêu cầu sau:
* Độ dài sóng chính xác của bức xạ:
Một phân tử hấp thụ bức xạ hồng ngoại chỉ khi nào tần số dao động tự nhiên của
một phần phân tử (tức là các nguyên tử hay các nhóm nguyên tử tạo thành phân tử đó)
dao động cùng tần số của bức xạ tới.
Ví dụ: Tần số dao động tự nhiên của phân tử HCl là 8,7.10
13
s
-1
Ứng với:
1
10
13
2890
10.3
107,8
−
==
cm
x
ν
Thực nghiệm cho thấy rằng khi cho các bức xạ hồng ngoại chiếu qua mẫu HCl và
phân tích bức xạ truyền qua bằng một quang phổ kế hồng ngoại, người ta nhận thấy
rằng phần bức xạ có tần số 8,7.10
13

s
-1
đã bị hấp thụ, trong khi các tần số khác được
truyền qua. Vậy tần số 8,7.10
13
s
-1
là tần số đặc trưng cho phân tử HCl. Sau khi hấp thụ
bước sóng chính xác của bức xạ hồng ngoại (năng lượng bức xạ hồng ngoại đã bị tiêu
tốn) phân tử dao động có biên độ tăng lên. Điều kiện này chỉ áp dụng chặt chẽ cho phân
tử thực hiện chuyển động dao động điều hoà.
* Lưỡng cực điện:
Một phân tử chỉ hấp thụ bức xạ hồng ngoại khi nào sự hấp thụ đó gây nên sự biến
8
Phổ Hồng Ngoại và Ứng Dụng Trong Thực Phẩm
thiên momen lưỡng cực của chúng. Một phân tử được gọi là có lưỡng cực điện khi ở các
nguyên tử thành phần của nó có điện tích (+) và điện tích (-) rõ rệt.
Khi phân tử lưỡng cực được giữ trong một điện trường (như khi phân tử được giữ
trong một dòng IR), điện trường đó sẽ tác dụng các lực lên các điện tích trong phân tử.
Các điện tích ngược nhau sẽ chịu các lực theo chiều ngược nhau, điều đó dẫn đến sự
tách biệt hai cực tăng hoặc giảm.Vì điện trường của bức xạ hồng ngoại làm thay đổi độ
phân cực của chúng một cách tuần hoàn, khoảng cách giữa các nguyên tử tích điện của
phân tử cũng thay đổi một cách tuần hoàn.
Khi các nguyên tử tích điện này dao động, chúng hấp thụ bức xạ hồng ngoại.
Nếu vận tốc dao động của các nguyên tử tích điện trong phân tử lớn, sự hấp thụ bức xạ
mạnh và sẽ có đám phổ hấp thụ mạnh, ngược lại nếu vận tốc dao động của các nguyên
tử tích điện trong phân tử nhỏ, đám phổ hấp thụ hồng ngoại yếu.Theo điều kiện này thì
các phần tử có 2 nguyên tử giống nhau sẽ không xuất hiện phổ dao động. Ví dụ O
2
, N

2
v.v… không xuất hiện phổ hấp thụ hồng ngoại. Đó cũng là một điều may mắn, nếu
không người ta phải đuổi hết không khí ra khỏi máy quang phổ kế hồng ngoại. Tuy
nhiên trong không khí có CO
2
và hơi nước (H
2
O) có khả năng hấp thụ tia hồng ngoại
nhưng điều này có thể bù trừ được bằng thiết bị thích hợp.
2.2 Sự quay của phân tử và phổ quay:
Xét phân tử AB được tạo thành từ hai nguyên tử A và B có khối lượng m
1
và m
2
,
xem khối lượng m
1
và m
2
đặt tại tâm của hai hạt nhân với khoảng cách của hai nhân là
r
0
. Hai nguyên tử được xem là nối cứng vào nhau và được gọi là một “ quay tử cứng”.
Dưới dạng quay tử cứng, phân tử có khả năng quay xung quang những trục đi qua trọng
tâm của hệ, cách các tâm hạt nhân các khoảng r
1
và r
2
.
Hình 1: Mô hình quay tử cứng phân tử hai nguyên tử

Momen quán tính I của quay tử được xác định:
22
21
21
2
22
2
11 oo
rr
mm
mm
rmrmI
µ
=
+
=+=
(1)
µ được gọi là khối lượng rút gọn của phân tử:
21
21
mm
mm
+
=
µ
hoặc
21
111
mm
+=

µ
(2)
9
Phổ Hồng Ngoại và Ứng Dụng Trong Thực Phẩm
Sự quay của quay tử cứng được xem tương đương với sự quay của khối lượng rút
gọn µ đặt cách trục quay một khoảng r
0
. Theo cơ học lượng tử, năng lượng chuyển động
quay của phân tử hai nguyên tử được xác định bằng biểu thức:
)1(
8
2
2
+=
JJ
I
h
E
q
π
(3)
J là số lượng tử quay, có giá trị bằng không hoặc nguyên dương ( J= 0,1,2,3…).
Đại lượng (h/8π
2
I) được gọi là hằng số quay và được kí hiệu là B. Biểu thức (3) trở
thành:
)1(
+=
JhBJE
q

(4)

Hệ thức (4) cho thấy năng lượng quay tỉ lệ nghịch với momen quán tính I và các
mức năng lượng quay ứng với J càng lớn thì càng cách xa nhau:
J 0 1 2 3 4 5
J(J+1) 1 2 6 12 20 30
)1(
+=
JhBJE
q
0 2hB 6hB 12hB 20hB 30hB
Một số mức năng lượng quay thấp của phân tử hai nguyên tử và các chuyển dịch
cho phép đựơc trình bày trong hình 2a sau:
Hình 2: a. Một số mức quay thấp của phân tử hai nguyên tử và các chuyển dịch được
phép giữa chúng
b. Sơ đồ phổ quay với chuyển mức 0

1
Phổ quay của phân tử được phát sinh do sự chuyển dịch giữa các mức năng lượng
quay. Đối với quang phổ quay thuần tuý của phân tử hai nguyên tử, sự chuyển dịch tuân
theo qui tắc chọn lọc:
1
±=∆
J
(+1: hấp thu, -1: phát xạ)
Theo mô hình cứng, phổ quay của phân tử hai nguyên tử là một dãy vạch đều nhau
với tần số:
2B (01); 4B( 12) ; 6B( 23)…
Người ta thu được phổ quay của phân tử khi dùng bức xạ hồng ngoại xa hoặc vi
sóng tác động lên mẫu khảo sát. Các phổ quay có thể giúp nhận dạng các chất và cho

10
Phổ Hồng Ngoại và Ứng Dụng Trong Thực Phẩm
phép xác định khoảng cách giữa các hạt nhân nguyên tử và góc giữa các liên kết đối với
các phân tử đơn giản, momen lưỡng cực điện của nhiều phân tử…
Phổ vi sóng cho độ chính xác cao hơn nhiều so với phổ hồng ngoại xa, nhưng việc
nghiên cứu trong vùng phổ vi sóng gặp phải hai hạn chế:
Thứ nhất, mẫu phải được chuyển thành trạng thái khí với áp suất không dưới
10
-3
mmHg
Thứ hai, để hấp thu bức xạ vi sóng, phân tử phải có momen lưỡng cực ở trạng thái
cơ bản, bởi vì sự quay tự nó không tạo ra được momen lưỡng cực. Để nghiên cứu những
phân tử không có momen lưỡng cực như O
2
, N
2
… người ta dùng phổ quay khuyếch tán
tổ hợp.
Các phổ quay thực nghiệm cho thấy các khoảng cách (2B, 4B…) giữa các vạch
không hoàn toàn bằng nhau, do phân tử khi quay thì khoảng cách giữa hai nguyên tử
cũng dao động cách xa nhau chứ không cố định như giả thiết tính toán.
2.3 Phổ dao động quay của phân tử hai nguyên tử:
Sự xuất hiện của quang phổ dao động:
Dao động của phân tử gồm hai nguyên tử là dao động giãn và nén dọc theo trục
liên kết của hai nguyên tử, được gọi là dao động giãn (stretching) hay dao động hoá trị.
Kết quả của dao động này là làm thay đổi độ dài liên kết của các nguyên tử trong phân
tử.
Trước hết chúng ta cũng xét trường hợp phân tử AB được tạo thành từ hai nguyên
tử A và B. A và B được xem như hai quả cầu khối lượng m
A

, m
B
nối với nhau bởi một
lò xo. Khoảng cách giữa tâm A và tâm B ở vị trí cân bằng là r
0
. Nếu giữ chặt một quả
cầu còn quả kia ép lại rồi bỏ tay ra thì quả cầu thứ hai sẽ dao động quanh vị trí cân bằng
ban đầu với một độ lệch ∆r. Trong hệ sẽ xuất hiện một lực luôn luôn có khuynh hướng
kéo chúng về vị trí cân bằng gọi là lực hồi phục, kí hiệu là F.
Bài toán dao động như trên có thể đưa về trường hợp bài toán tính dao động của
một điểm động và một điểm tĩnh (được gọi là một hệ dao động tử) và có thể xảy ra với
11
Phổ Hồng Ngoại và Ứng Dụng Trong Thực Phẩm
biên độ dao động không đổi (dao động điều hoà) hoặc biên độ dao động thay đổi (dao
động không điều hoà)
Dao động điều hoà:
Trong trường hợp này, lực hồi phục F tỉ lệ với biên độ ∆r:
F = - k∆r (5)
k - hệ số tỉ lệ, được gọi là hằng số lực hay hằng số lực hoá trị ; dấu trừ cho biết lực
F hưóng ngược với chiều chuyển động.
Thực hiện quá trình tính toán theo cơ học, người ta chứng minh được rằng dao
động điều hoà trên có tần số dao động v
dđ
được xác định như sau:
µπ
k
v
dđ
2
1

=
(6)
Với µ là khối lượng thu gọn của hai quả cầu nối trên
Biểu thức trên cho thấy dao động sẽ có tần số càng cao nếu hằng số lực liên kết k
càng lớn và khới lượng thu gọn µ càng nhỏ. Khi đồng nhất dao động tự nhiên của phân
tủ gồm hai nguyên tử theo mô hình hai quả cầu nói trên, biểu thức (6) trở thành:
µπ
k
v
m
2
1
=
Trong đó:
v
m
- tần số do dao động tự nhiên của phân tử.
k - lực liên kết giữa hai nguyên tử.
µ - khối lượng thu gọn của phân tử.
Mặt khác khi các dao động tử thực hiện dao động, dưới tác dụng của lực hồi phục
F thì nó sẽ có thế năng E
r
:
)(
o
r
rrkrk
dr
E
F

−−=∆−=
∂
−=
(7)
suy ra:

OoR
ErrkE
+−=
2
)(
2
1
(8)
Với:
E
r
- thế năng của hệ ứng với một sự chuyển dịch nào đó khỏi vị trí cân bằng.
E
0
- thế năng của hệ ứng với vị trí cân bằng ( tức r = r
0
), cũng là thế năng cực
tiểu của hệ.
12
Phổ Hồng Ngoại và Ứng Dụng Trong Thực Phẩm
Biểu thức (8) còn giúp ta hình dung đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc thế năng của
phân tử hai nguyên tử trong dao động điều hoà vào khoảng cách r giữa hai nguyên tử.
Đó là một parabol có trục đối xứng là đường thẳng đứng đi qua điểm cực tiểu của thế
năng. Ở mỗi trạng thái dao động, khoảng cách r giữa hai nguyên tử thay đổi xung quanh

giá trị r
o
từ một giá trị cực đại r
max
đến một giá trị cực tiểu r
min
. Ở hai giá trị giới hạn đó
thế năng E
r
của hệ bằng năng lượng toàn phần do dao động E
dđ
. Theo cơ học lượng tử,
năng lượng toàn phần E
dđ
chỉ có thể nhận một dãy các giá trị gián đoạn:
Hình3: a) Đường cong thế năng và các mức năng lượng dao động của phân tử hai
nguyên tử dao động điều hoà
b) Phổ dao động trong trường hợp dao động điều hoà
mrdđ
hvnEE )
2
1
(
+==
(9)
n: số lượng tử dao động ( n = 0,1,2,3…)
Ở trạng thái dao động thấp nhất ( n = 0), dao động của phân tử vẫn có năng lượng:
E
0
= E

r0
= 1/2h v
m
( năng lượng mức không)
Biểu thức (9) còn cho thấy hiệu giữa hai mức năng lượng kế nhau luôn luôn bằng
hv
m
, nghĩa là những mức năng lượng dao động được biểu diễn bởi những đường thẳng
nằm ngang cách đều nhau.
Khi dao động là dao động điều hoà, sự chuyển mức năng lượng sẽ tuân theo qui
tắc chọn lọc với ∆n = ±1:
mndđndđIRIR
hvEEhvE
=−==
−
)1()(
mIR
vv
=⇒
13
Phổ Hồng Ngoại và Ứng Dụng Trong Thực Phẩm
Như vậy trong trường hợp lý tưởng, phân tử có dao động điều hoà và không kể đến
chuyển động quay thì phổ hấp thu hồng ngoại chỉ gồm một vạch duy nhất (Hình 3b) ứng
với biến thiên năng lượng bằng hiệu năng lượng giữa hai mức cạnh nhau và có tần số
bằng tần số dao động riêng của phân tử.
Dao động không điều hoà:
Trong thực tế, dao động của phân tử không phải là dao động điều hoà vì khi hai hạt
nhân tiến lại gần nhau thì lực tương tác giữa chúng lớn hơn khi chúng ở cách xa nhau.
Do đó đường biểu diễn thế năng theo khoảng cách r không phải là một hình parabol mà
là một đường cong không đối xứng với khoảng cách các mức năng lưọng dao động

không đều hoà ( khi số lượng tử n càng tăng, các mức năng lượng càng sít gần vào nhau.
Dao động không điều hoà cũng không tuân theo qui tắc chọn lọc ∆n = ± 1 mà mọi sự
chuyển mức năng lượng khác nhau ( ± 2, ±3…) đều có thể xảy ra. Tuy nhiên, khi n
càng tăng thì xác suất chuyển sẽ càng giảm tức cường độ vân hấp thu tương ứng sẽ
càng yếu. Phổ dao động của phân tử hai nguyên tử không phải chỉ gồm một vạch duy
nhất mà là một tập hợp nhiều dãy vạch, mỗi dãy vạch ứng với sự chuyển dịch của phân
tử từ một mức dao động xác định đến những mức khác. Vạch hấp thu:
- Tương ứng với sự chuyển mức ( 01) gọi là vạch cơ bản.
- Tương ứng với sự chuyển mức ( 02) là vạch hoạ tần thứ nhất ( có số sóng ≈ 2
số sóng vạch cơ bản).
- Tương ứng với sự chuyển mức (0 3) là vạch tần thứ hai ( có số sóng ≈ 3 số
sóng vạch cơ bản).
Hình 4: đường cong thế năng và các mức năng lượng dao động của phân tử hai nguyên
tử dao động không điều hoà.
14
Phổ Hồng Ngoại và Ứng Dụng Trong Thực Phẩm
Quang phổ dao động quay ( phổ hồng ngoại):
Khi phân tử hấp thu bức xạ hồng ngoại thì phổ thu được không chỉ là phổ dao
động không điều hoà mà còn là phổ dao động quay, do khi năng lượng của bức xạ đủ
lớn để kích thích các trạng thái dao động thì nó cũng làm thay đổi cả trạng thái quay.
Kết quả là “ vạch” hấp thu phổ ứng với quá trình dao động không phải là một vạch duy
nhất mà bao gồm nhiều tập hợp vạch nhỏ là đám vạch có tần số V = V
dd
+ V
q
còn chính
vạch có tần số V
dd
thì lại không xuất hiện.
Các máy quang phổ có độ phân giải kém không cho thấy các vạch riêng lẻ của đám

mà chỉ cho thấy một đường cong viễn quanh các vạch đó.
2.4 Phổ dao động quay của phân tử nhiều nguyên tử:
Chuyển động dao động của phân tử nhiều nguyên tử là rất phức tạp. Để đơn giản,
người ta thường phân một chuyển động phức tạp thành một số hữu hạn các dao động
đơn giản hơn gọi là dao động cơ bản hay dao động chuẩn hay dao động riêng. Các dao
động riêng của phân tử có thể được kích thích bởi các bức xạ điện từ một cách chọn lọc,
đối với các phân tử có momen lưỡng cực µ thì chỉ những dao động nào làm thay đổi
momem lưỡng cực này mới bị kích thích bức xạ hồng ngoại ( những dao động không
làm thay đổi momen lưỡng cực sẽ bị kích thích bởi tia Raman). Các dao động riêng nào
có mức năng lượng gọi là dao động suy biến. Một cách tổng quát, số dao động cơ bản
trong phân tử gồm N nguyên tử trong trường hợp chung là 3N-6, trong trường hợp phân
tử thẳng hàng là 3N-5. Trong trường hợp phân tử đối xứng như CO
2
, CH
4,
CCl
4
… do
một số dao động suy biến có tần số như nhau nên tổng số các dao động riêng thực tế sẽ
nhỏ hơn tổng số các dao động cơ bản tính theo công thức lý thuyết.
Dao động cơ bản:
Ở phân tử có từ ba nguyên tử trở lên, ngoài dao động hoá trị là loại dao động làm
thay đội độ dài liên kết của các nguyên tử trong phân tử như ở phân tử hai nguyên tử,
còn có loại dao động có thể làm thay đổi góc giữa các liên kết được gọi là dao động biến
dạng ( deformation). Thay đổi góc liên kết dễ hơn thay đổi độ dài liên kết là vì thế năng
của dao động biến dạng thưòng nhỏ hơn so với dao động hoá trị. Người ta còn phân biệt
dao động hoá trị đối xứng V
đx
( khi hai liên kết cùng dài ra hoặc cùng ngắn lại) với dao
động hoá trị bất đối xứng V

bđx
( khi một liên kết dài ra trong khi liên kết kia ngắn lại).
Với dao động biến dạng, người ta còn phân biệt biến dạng trong mặt phẳng δ
tmp
( sự thay
đổi góc liên kết xảy ra trong cùng mặt phẳng) với biến dạng ngoài mặt phẳng δ
nmp
( sự
thay đổi góc liên kết xảy ra không cùng mặt phẳng).
15
Phổ Hồng Ngoại và Ứng Dụng Trong Thực Phẩm
Hình 5: Các kiểu dao động trong phân tử nước
a) dao động hoá trị đối xứng
b) dao động hoá trị bất đối xứng
c) dao động trong mặt phẳng
Để minh hoạ, ta xét phân tử gồm ba nguyên tử không thẳng hàng, ví dụ H
2
O số dao
động cơ bản trong phân tử H
2
Olà 3 x 3 - 6 = 3 bao gồm dao động hoá trị đối xứng V
OH
(đx)
dao động hoá trị bất đối xứng V
OH(bđx)
, biến dạng trong mặt phẳng δ
OH(tmp)
(Hình 1).
Phổ hồng ngoại của hơi nước có hai vân gần nhau (3756 và 3652 cm
-1

) ứng với dao
động hóa trị bất đối xứng của hai nhóm OH ; một vân hấp thu ở 1596 cm
-1
ứng với dao
động biến dạng của góc HOH.
Trường hợp phân tử gồm ba nguyên tử thẳng hàng điển hình là CO
2.
.

Số dao động
cơ bản là 3 x 3 – 5 =4, về mặt lý thuyết gồm dao động hóa trị đối xứng , bất đối xứng
của liên kết C – O , dao động biến dạng trong và ngoài mặt phẳng của góc O – C – O .
Trong thực tế, phổ hồng ngoại chỉ có hai vân hấp thu , một ở 2349 cm
-1
do dao động
hóa trị bất đối xứng và một vân ở 667 cm
-1
ứng với dao động biến dạng COC. Điều này
được giải thích là do CO
2
thẳng hàng nên dao động hóa trị đối xứng không làm thay đổi
mômen lưỡng cực của phân tử nên không thể hiện trên phổ hồng ngoại, còn hai dao
động biến dạng trong và ngoài mặt phẳng của góc C – O – C là hai dao động suy biến
nên chúng chỉ thể hiện ở cùng một tần số, tức chỉ ứng với một vân hấp thu.
Dao động nhóm – tần số đặc trưng nhóm:
Việc giải thích nguồn gốc của các vân hấp thu trên phổ hồng ngoại của các phân tử
nhiều nguyên tử không đơn giản như các ví dụ minh họa ở trên vì trong các phân tử
phức tạp, số kiểu dao động tăng lên rất nhiều. Các dao động trong phân tử còn có khả
năng tương tác với nhau làm biến đổi lẫn nhau nên tần số không còn tương ứng với
những tần số cơ bản nữa. Nhiều dao động gần giống nhau có thể cùng thể hiện ở một

vùng tần số hẹp dưới dạng một vân phổ chung . Để bớt phức tạp người ta sử dụng khái
niệm “dao động nhóm” bằng cách xem một vài dao động của các liên kết riêng rẽ hoặc
các nhóm chức là độc lập đối với các dao động khác trong toàn phân tử và gọi là dao
động định vị. Ví dụ như nhóm metylen > CH
2
gồm các kiểu dao động đối xứng V
CH(đx),
dao động bất đối xứng V
CH(bđx)
, dao động kéo, dao động xuắn , dao động quạt … Các
nhóm NH
2 ,
CCl
2
… cũng có các kiểu dao động tương tự. Theo quan niệm dao động
nhóm, những nhóm nguyên tử dao động giống nhau trong các phân tử có cấu tạo khác
nhau sẽ có dao động thể hiện định vị thể hiện ở những tần số hay sóng giống nhau goi là
16
Phổ Hồng Ngoại và Ứng Dụng Trong Thực Phẩm
tần số đặc trưng nhóm hay số sóng đặc trưng nhóm, có sóng dao động hóa trị lý thuyết
được xác định từ hệ thức sau đây:
u
k
c
V
π
2
1
=
(10)

c – vận tốc của bức xạ chân không.
Biểu thức (10) cho thấy khi khối lượng thu gọn khác nhau không nhiều, số sóng
hóa trị tăng theo hằng số lực hóa trị :
;ccVccVccV
−>=>≡

...ccVocV
=>=
Ngược lại, khi hằng số lực hóa trị khác nhau không nhiều thì phân tử có khối
lượng thu gọn nhỏ sẽ hấp thu ở số sóng cao hơn phân tử có khối lượng thu gọn lớn. Đây
chính là nguyên nhân làm cho các vân hấp thu do dao động hóa trị của O-H, N-H, C-
H… xuất hiện ở khoảng số sóng rất cao trên phổ hồng ngoại.
Các vùng phổ hồng ngoại:
Như đã nói ở trên, phổ hồng ngoại thường được ghi với trục tung biểu diễn T%,
trục hoành biểu diễn số sóng với trị số giảm dần (4000 – 400 cm
-1
) . Theo thói quen,
nhiều người vẫn gọi số sóng là tần số và thường kí hiệu V, đơn vị cm
-1
để biểu diễn
chúng.
Hầu hết các nhóm nguyên tử trong hợp chất hữu cơ hấp thu ở vùng 4000-650 cm
-1
.
Vùng phổ từ 4000-1500 cm
-1
được gọi là vùng nhóm chức vì chứa hầu hết các vân hấp
thu của các nhóm chức như OH, NH, C=O, C=N, C=C…Vùng phổ nhóm chức tập trung
làm bốn vùng mà mỗi vùng, tần số đặc trưng nhóm có giá trị thay đổi phụ thuộc vào cấu
tạo của phân tử: Vùng 3650-2400 cm

-1
chứa các vân dao động hóa trị của X-H (X:O, N,
C, S, P…); vùng từ 2400-1900 cm
-1
gồm các vân do dao động hóa trị của các nhóm
mang liên kết ba hoặc hai liên kết đôi kề nhau: vùng 1900-1500cm
-1
chứa các vân dao
động hóa trị của các nhóm mang liên kết đôi và do dao động biến dạng của nhóm –
NH
2
.
Vùng phổ từ 1500-700 cm
-1
, mặc dù có chứa các vân hấp thu đặc trưng cho dao
động hóa trị của các liên kết đơn như C-C, C-N, C-O…và các vân do dao động biến
dạng của các liên kết C-H, C-C…nhưng thường được dùng để nhận dạng toàn phân tử
hơn là để xác định các nhóm chức, vì ngoài các vân hấp thu trên còn có nhiều vân hấp
thu xuất hiện do tương tác mạnh giữa các dao động. Các vân hấp thu này đặc trưng cho
chuyển động của các đoạn phân tử chứ không thuộc riêng nhóm nguyên tử nào, và vì
vậy, vùng phổ này thường được gọi là vùng chỉ vân tay. Vùng phổ từ 650-250cm
-1
cung
cấp các thông tin có giá trị đối với hợp chất vô cơ và phức chất, vì chứa các vân phổ liên
quan đến dao động hóa trị của C-Br, C-I và M-X (M- kim loại; X: O, N, S, C…), nhưng
không phải máy hồng ngoại nào cũng đo được ở vùng này.
Các nhóm chức, nhóm nguyên tử và liên kết trong phân tử có các đám phổ hấp thụ
hồng ngoại đặc trưng khác nhau:
* Trong vùng hồng ngoại gần (NIR):
17

Phổ Hồng Ngoại và Ứng Dụng Trong Thực Phẩm
Từ 12500 cm
-1
trải dài đến khoảng 4000 cm
-1
có rất nhiều đám phổ có liên quan đến
nguyên tử H. Trong số đó, dao động co giãn (bội) của O - H gần 7140 cm
-1
và N-H gần
6667 cm
-1
, đám phổ tổ hợp do các dao động co giãn và dao động biến dạng của C-H của
nhóm ankyl ở 1548 cm
-1
và 3856 cm
-1
.

Độ hấp thụ của đám phổ NIR thấp hơn từ 10 đến 1000 lần so với các đám phổ
vùng hồng ngoại giữa.
Vùng NIR có thể ghi được với hệ quang học thạch anh, kết nối với các detectơ
nhạy với NIR và nguồn bức xạ mạnh hơn.
* Vùng hồng ngoại giữa:
Đã tìm được rất nhiêu tương quan bổ ích trong vùng hồng ngoại giữa.Vùng này
được chia thành miền "tần số nhóm" 4000 – 1300 cm
-1
và vùng"dấu vân tay" 1300 - 650
cm
-1
.

Trong khoảng 4000 – 2500 cm
-1
sự hấp thụ đặc trưng cho dao động co giãn của H với
các nguyên tố khối lượng < 19.
Phần chủ yếu trong phổ giữa 1300 và 650 cm
-1
, là các tần số co giãn của liên kết
đơn và tần số các dao động uốn (các tần số bộ khung) của hệ nhiều nguyên tử. Đó là
vùng "nhận dạng" "(vùng "dấu vân tay"). Vùng phổ này hết sức đa dạng , khó cho việc
nhận biết riêng rẽ các đám phổ một cách chắc chắn, nhưng kết hợp các đám phổ hấp
thụ, giúp cho việc nhận biết các chất.
* Vùng hồng ngoại xa:
Vùng 667 - 10cm-1 bao gồm các dao động biên dạng của C, N, O, F với các
nguyên tử khối lượng > 19 và các dao động biến dạng trong hệ thống mạch vòng hoặc
chưa no. Vùng dao động tần số thấp trong phổ hồng ngoại rất nhạy đối với sự thay đổi
cấu trúc phân tử, bởi vậy đám phổ vùng hồng ngoại xa thường cho phép dự đoán các
dạng đồng phân. Ngoài ra, vùng này đặc biệt tốt cho việc nghiên cứu các cơ kim và các
hợp chất vô cơ có các nguyên tử nặng và liên kết yếu.
Trên đây ta đã thấy có sự liên quan giữa cấu trúc phân tử và sự xuất hiện các đám
phổ dao động (phổ hấp thụ hồng ngoại).
Tần số dao động của nhóm nguyên tử nào đó trong phân tử ít phụ thuộc các phần
còn lại của phân tử được gọi là tần số đặc trưng cho nhóm đó.
Khi nói tần số đặc trưng của nhóm không thay đổi thì không có nghĩa là lamda
max hấp thụ là không đổi mà chỉ có nghĩa là lamda max nằm trong một miền phổ khá
hẹp. Ví dụ liên kết C-H có tần số đặc trưng trong khoảng 2800 – 2900 cm
-1
Ta xét một vài trường hợp đơn giản dưới đây để thấy rõ hơn tần số đặc trưng của
các nhóm nguyên tử.
* Trong các hidrocacbon no, các liên kết C-C và C-H là chủ yếu. Tần số dao động
của mạch C-C rơi vào miền 800 – 1200 cm

-1
. Nếu thay nhóm -CH
3
ở cuối mạch bằng
một nguyên tử khác (hay nhóm nguyên tử khác).
Ví dụ: là X thì liên kết C-X sẽ cho tần số đặc trưng nếu tần số của C-X không rơi
vào miền tần số của C-C.
Ví dụ: là X thì liên kết C-X sẽ cho tần số đặc trưng nếu tần số của C-X không rơi
vào miền tần số của C-C.
18
Phổ Hồng Ngoại và Ứng Dụng Trong Thực Phẩm
Ví dụ: trong CH3-X mà X là Cl, Br, I , SH, H, OH, NH
-2
, F vv.. ta thấy. X Tần số
liên kết (cm-1)
Cl
-
712
Br
-
594
I
-
522
SH
-
704
H
+
2914

OH
-
1032
NH
-2
1037
F
-
1049
Liên kết C với X là Cl, Br, I, SH cho tần số đặc trưng, còn C-O, C - N, C - F
không cho tần số đặc trưng vì rơivào miền tần số C - C.
Cũng như vậy, thực nghiệm cho thấy trong dãy C
n
H
2n+1
X, tần số của liên kết C-X
hầu như không thay đổi khi n>3.
Ví dụ: tần số liên kết C-Cl của một số hợp chất dưới đây:
C
3
H
7
Cl 726 cm
-1
C
4
H
9
Cl 722 cm
-1

C
5
H
11
Cl 722 cm
-1
C
6
H
13
Cl 724 cm
-1
C
7
H
15
Cl 725 cm
-1
Cho nên nếu thấy xuất hiện các tần số tương ứng, ta có thể kết luận một cách
chính xác là trong phân tử có liên kết C-X. Trái lại việc phát hiện các liên kết C-N, C-O,
C-F theo tần số dao động khi có liên kết C-C là không chính xác.
* Khi nghiên cứu liên kết C = O ta cũng thấy là khi không bị ảnh hưởng của các
nhóm kác, liên kết này có tần số khoảng 1710 cm-
1
, ví dụ trong các xeton dưới đây, tần
số nhóm C = 0 chỉ sai khác nhau rất ít.
H
3
C - CO - CH
3

1708 cm
-1
H
3
C - CO - C
2
H
5
1712 cm
-1
H
3
C - CO - C
4
H
9
1709 cm
-1
2.5 Các yếu tố ảnh hưởng đến tần số đặc trưng nhóm:
2.5.1 Ảnh hưởng do cấu trúc của phân tử :
Như đã biết, tần số đặc trưng nhóm phụ thuộc vào sự bền vững của liên kết (thông
qua giá trị của k) và khối lượng của các nguyên tử tham gia liên kết (biểu thức 11.10).
Ngoài ra , nó còn tùy thuộc vào phần còn lại của phân tử thông qua các hiệu ứng
electron, hiệu ứng không gian và liên kết nội phân tử.
Hằng số lực hóa trị: Hằng số lực hóa trị k phụ thuộc vào bản chất mối liên kết hóa
học giữa hai nguyên tử - liên kết càng bền thì hằng số lực hóa trị k sẽ càng lớn. Khi
hằng số lực của hai nhóm khác nhau 25% thì số sóng đặc trưng của chúng khác nhau rất
19
Phổ Hồng Ngoại và Ứng Dụng Trong Thực Phẩm
rõ. Tỉ lệ hằng số lực của C-C : C=C là 1:2:3 nên các vân hấp thu của chúng sẽ có số

sóng đặc trưng khác nhau và khá xa nhau.
Sự thay thế đồng vị : Khi thay một nguyên tử bằng một nguyên tử đồng vị khác,
hằng số lực không thay đổi. Tần số đặc trưng nhóm sẽ thay đổi phụ thuộc vào khối
lượng của đồng vị. Ví dụ khi thay H trong nhóm C-H bằng D thì khối lượng thu gọn của
nhóm sẽ tăng gần hai lần.
Hiệu ứng electron: Ảnh hưởng do hiệu ứng electron trên các hợp chất phải được
xem xét cụ thể đối với từng hợp chất . Thông thường, sự liên hợp làm giảm bậc của liên
kết bội và tăng bậc của liên kết đơn xen giữa các liên kết bội. Do đó, khi các liên kết bội
lên hợp với nhau thì tần số của chúng đều giảm so với khi chúng ở vị trí không liên hợp.
Một số ví dụ minh họa được nêu trong bảng 1.
Bảng 1: Số sóng hấp thu hồng ngoại do dao động hóa trị của một số hợp chất có bậc
liên kết khác nhau
Loại hợp chất Bậc liên kết Số sóng (cm
-1
)
− C ≡ C − 3 2260 – 2150
>C = C < 2 1680 - 1620
>C =C – C = C < 1.9 1650 - 1600
Arene 1.7 1600 - 1500
− C – C − 1 1100 - 700
Đối với nối đôi C=C, những nhóm hút electron làm giảm mật độ electron, do đó
làm yếu liên kết đôi dẫn đến việc làm giảm số sóng hấp thu còn các nhóm đẩy electron
thì ngược lại. Đối với nối đôi C=O thì sự đẩy electron lại làm tăng cường sự phân cực
vốn có dẫn đến sự giảm bậc liên kết và làm giảm số sóng hấp thu.
Yếu tố không gian: Các đồng phân cis - trans có thể được nhận biết nhờ vân hấp
thu do dao động biến dạng ngoài mặt phẳng của các liên kết =CH: đồng phân trans
RCH=CHR có một vân mạch ở 970-960 cm
-1
còn đồng phân cis RCH=CHR có một vân
trung bình ở 730-675 cm

-1
.
Tương tự, khi đo phổ hồng ngoại của các chất đối quang ở trạng thái rắn có giúp
phân biệt được đồng phân quang hoạt với biến thế racemic.
Sức căng của vòng cũng gây ảnh hưởng đến tần số đặc trưng nhóm. Ví dụ, vân hấp
thu do dao động hóa trị (C-H) của các alkane và cycloalkane vòng lớn xuất hiện ở số
sóng 2960-2850cm
-1
trong khi vân hấp thu của cyclopropane lại xuất hiện vào vùng của
dao động hóa trị (=C-H) của alkene, tức khoảng 3050cm
-1
.
20
Phổ Hồng Ngoại và Ứng Dụng Trong Thực Phẩm
Việc thay đổi vị trí tương đối của nhóm nguyên tử trong không gian có thể làm các
nhóm phân cực ở gần nhau hoặc xa nhau dẫn đến sự thay đổi tương tác lưỡng cực –
lưỡng cực cũng có thể được phát hiện bằng hồng ngoại.
Ảnh hưởng của liên kết hydro nội phân tử: Liên kết hydro là liên kết yếu được
hình thành khi nguyên tử hydro đã tham gia liên kết cộng hóa trị với nguyên tử của một
nguyên tố có độ âm điện lớn lại tương tác với một nguyên tử âm điện khác . Liên kết
hydro có thể được xem là liên kết kiểu ba trung tâm trong đó H đóng vai trò của cầu nối,
làm cho hai liên kết hai bên đều bị yếu đi dẫn đến số sóng dao động hóa trị của hai
nhóm tham gia liên kết đều giảm xuống, vân hấp thu của nhóm X-H (X: F, O, N)
thường trải rộng ra so với trường hợp không tạo liên kết hydro. Liên kết hydro gây khó
khăn cho dao động biến dạng nên làm tăng số sóng của dao động biến dạng.
2.5.2 Ảnh hưởng do tương tác giữa các phân tử:
Ở trạng thái khí, các phân tử chuyển động tự do và hầu như không tương tác với
nhau nên phổ hồng ngoại của một chất được đo ở dạng khí phản ánh khá trung thực cấu
trúc của phân tử. Tuy nhiên, việc phân tích phổ hồng ngoại của một chất đo ở trạng thái
khí đôi khi rất phức tạp của phổ quay gây ra. Chính vì vậy mà người ta thường đo mẫu

hồng ngoại ở dạng rắn, dạng lỏng hoặc DD là các dạng thường gặp ở điều kiện thường.
Ở các dạng chất rắn có thể tồn tại dưới các dạng tinh thể khác nhau thì việc đo phổ
hồng ngoại ở thể rắn vừa cung cấp thông tin về cấu trúc phân tử, vừa có thể phản ánh sự
thay đổi tương tác giữa các phân tử do thay đổi mạng tinh thể. Ví dụ khi đo phổ hồng
ngoại của các polymer (có kích thước và khối lượng lớn nên lực tương tác giữa các phân
tử là rất đáng kể) chẳng hạn như polyethylene terephtalate, người ta thấy rằng một số
vân phổ của chất này ở dạng vô định hình có cường độ mạnh hơn rất nhiều so với dạng
tinh thể nên có thể dựa vào đây để đánh giá tỉ lệ giữa pha vô định hình và pha tinh thể.
Các phổ hồng ngoại của poliamid, polipeptid và protid không cho thấy vân phổ ứng với
liên kết N-H tự do mà chỉ có vân hấp thu của nhóm N-H, liên kết hidro6 ở 3300 cm
-1
,
nghĩa là đã có sự tạo thành liên kết hydrogen trên toàn mạch phân tử polime.
Để loại trừ ảnh hưởng tương tác mạnh khi đo các chất ở thể rắn, hoặc thể lỏng tinh
khiết, người ta thường hòa tan trong các dung môi trơ như n-hexan, CCl
4
, CS
4
…Khi
nghiên cứu phổ hồng ngoại của các chất đo ở dạng DD, cần phải lưu ý đến nồng độ của
chất tan vì giá trị này có ảnh hưởng rất lớn đến liên kết hidro giữa các phân tử chất tan.
Pha loãng DD sẽ làm cho cường độ mùi hấp thu X-H, tự do tăng lên và cường độ vân X-
H tham gia liên kết hidro giảm xuống. Cũng cần phải lưu ý tới dung môi được sử dụng
vì dung môi ảnh hưởng không nhiều đến số sóng giao động của nhóm không cực nhưng
lại ảnh hưởng rất đến các nhóm phân cực. Kết quả nghiên cứu cho thấy khi chuyển từ
dung môi này sang dung môi khác, số sóng giao động của liên kết C-H trong alkane,
alkene, arene, C=C, C≡C…thay đổi không nhiều, trong khi số sóng giao động của C-H,
O-alkyl, OH, NH, C=O lại thay đổi rất lớn.
Sự tạo liên kết hidro liên kết liên phân tử không những làm dịch chuyển số sóng
hấp thu mà còn mở rộng các vân hấp thu rất đáng kể.

21
Phổ Hồng Ngoại và Ứng Dụng Trong Thực Phẩm
2.6 Cường độ và hình dạng của vân phổ hồng ngoại:
Khi phân tích phổ hồng ngoại, ngoài vị trí (số sóng) của vân hấp thu còn phải chú ý
đến cường độ và hình dạng của vân phổ. Sự hấp thu của các nhóm nguyên tử được thể
hiện bởi các vân phổ với các đỉnh phổ ở các số sóng thích hợp.
Việc định lượng bằng phương pháp hồng ngoại có độ chính xác không cao, do hệ
số hấp thu mol ít lặp lại ở các lần đo khác nhau. Việc định lượng kém chính xác cũng
còn do rất khó xác định chính xác bề dày khi mẫu ở dạng rắn (được trộn với các muối
vô cơ và ép thành viên có bề dày vài µm). Cường độ vân phổ có thể được đánh giá qua
diện tích vân phổ gọi là cường độ tích phân, nhưng hiện nay phương pháp này cũng rất
ít được sử dụng vì thực hiện khó khăn mà độ chính xác vẫn không cao. Hiện nay người
ta chỉ đánh giá cường độ vân phổ một cách định tính: mạnh, trung bình hoặc yếu.
Như trên đã nói, đối với các phân tử có mômen lưỡng cực µ thì chỉ những dao
động nào làm thay đổi mômen lưỡng cực này mới bị kích thích bởi bức xạ hồng ngoại.
Điều này cũng cần được hiểu là không phải phân tử hay liên kết có mômen lưỡng cực
lớn thì sẽ có cường độ hấp thu hồng ngoại lớn mà chỉ khi các phân tử hoặc liên kết có
biến thiên mômen lưỡng cực lớn. Đối với các phân tử hai nguyên tử hoàn toàn đối xứng
như H
2
, O
2
, N
2
…dao động giữa hai nguyên tử trong phân tử hoàn toàn không gây ra sự
biến đổi mômen lưỡng cực nào nên các phân tử đó không có mũi hấp thu trong vùng
phổ hồng ngoại. Trong các hợp chất hữu cơ, các nhóm thường cho vân hấp thu có cường
độ mạnh là C = O (V
C=O
khoảng 1700 cm

-1
, mạnh hơn nhiều so với V
C=O
, V
C=N
có số
sóng cũng khoảng này), C-X (X – halogen); các nhóm có cường độ luôn luôn yếu là
N=N, C=N và một số nhóm có vân hấp thu có cường độ tùy theo cấu trúc phân tử. Ví dụ
các vân V
OH
, V
C-O
có cường độ từ mạnh đến trung bình, vân C
C=C
của alkene có cường
độ từ trung bình đến yếu. Các alkene hoàn toàn đối xứng như ethylene thì vân V
C=C
không xuất hiện trên phổ hồng ngoại, thậm chí một số alkene hoặc alkyl có tính đối
xứng cao (nối đôi hoặc nối ba nằm ở vị trí gần chính giữa) thì vân hấp thu V
C=C
, V
C≡C
đã
không còn xuất hiện trên phổ hồng ngoại.
Các vân phổ hồng ngoại nói chung thường mảnh và nhọn , nhưng cũng có các vân
phổ trải ra trong một khoảng tần số khá rộng . Ví dụ, vân O-H liên kết hydro thường là
một vân tù kéo dài vài trăm cm
-1
đôi khi có tới vài đỉnh cực đại và không thể chỉ chọn
một cực đại nào đó đặc trưng cho sự hấp thu cuả nhóm OH.

Cũng có trường hợp hai vân phổ ở gần nhau nên có sự xen phủ lẫn nhau hoặc vân
mạnh trùm lên vân yếu chỉ để lại một gờ nhỏ gọi là “vai”.
2.7 Các vân phổ hồng ngoại không cơ bản:
Trên phổ hồng ngoại, ngoài các vân hấp thu do dao động hóa trị hoặc dao động
biến dạng gây ra còn xuất hiện các vân hấp thu không liên quan trực tiếp đến một dao
động cơ bản nào cả. Đó là các vân do sự họa tần, do sự kết hợp, do tương tác của các
dao động hoặc do cộng hưởng Fermi, được gọi chung là các vân không cơ bản.
22
Phổ Hồng Ngoại và Ứng Dụng Trong Thực Phẩm
Vân họa tần: thường có cường độ yếu, có số sóng gần bằng bội số của vân cơ bản,
do sự chuyển mức năng lượng ∆n= ±2, ±3… ngoài chuyển mức năng lượng ∆n= ±1.
Trong thực tế thường gặp các vân họa tần tương ứng với chuyển mức ∆n= ±2 nhiều hơn
các trường hợp khác. Ví dụ vân V
C=O
(khoảng 1700 cm
-1
;) có một vân họa tần bậc một
cường độ yếu ở khoảng 3300 cm
-1
; vân V
C-CI
(khoảng 770 cm
-1
) có một vân họa tần bậc
một ở khoảng 1540 cm
-1
.
Vân kết hợp: thường là các vân yếu, có số sóng bằng tổng hoặc hiệu của số sóng
của hai dao động cơ bản, do năng lượng của bức xạ có khả năng kích thích hai dao động
cơ bản.

Vân cộng hưởng Fermi: do sự cộng hưởng giữa một vân cơ bản với một vân họa
tần hoặc một vân kết hợp, khi năng lượng của dao động họa tần tình cờ trùng với năng
lượng của một dao động cơ bản khác. Khi có sự cộng hưởng sẽ có sự san sẻ năng lượng
giữa vân cơ bản và vân họa tần, hiện tượng này làm xuất hiện thêm một vân ở vị trí gần
với vân cơ bản, bề ngoài giống như sự tách đôi vân cơ bản. Hiện tượng này dùng để giải
thích sự tách một vân phổ thành hai khi không có nguyên nhân cấu trúc nào gây ra.
Ngoài các vân không cơ bản nói trên, sự tương tác giữa các dao động trong phân tử
cũng có thể dẫn đến sự thay đổi đáng kể số sóng của các vân phổ cơ bản. Ví dụ đối với
alkene, vân V
C=C
thường xuất hiện ở khoảng 1650 cm
-1
nhưng ở các hợp chất alkene có
ba nguyên tử liên kết nhau bằng hai nối đôi (>C=C=C<) thì vân V
C=C(đx)
xuất hiện ở 1050
cm
-1
còn vân V
C=C(bđx)
xuất hiện ở 1950 cm
-1
do tương tác của hai nối đôi kế bên nhau.
Khi giải phổ hồng ngoại, người ta thường lưu ý đầu tiên các vân phổ cơ bản. Tuy
nhiên, một số vân không cơ bản đôi khi rất có giá trị trong việc phân tích cấu trúc. Ví dụ
như phổ hồng ngoại của các arene, ở vùng từ 2000-1650 cm
-1
có thể xuất hiện từ hai đến
sáu vân yếu là các vân họa tần và kết hợp ứng với các dao động biến dạng δ
C=H

(khoảng
800-900 cm
-1
) của vòng benzene. Số lượng và hình dạng các vân họa tần và kết hợp nói
trên rất có ích trong việc xác định mức độ thế trong vòng benzene (có một, hai hay ba
nhóm thế; các nhóm thế ở vị trí như thế nào…).
c. HẤP THU HỒNG NGOẠI CỦA MỘT SỐ HỢP CHẤT HỮU
CƠ VÀ VÔ CƠ
Xét về mặt lý thuyết, người ta có thể đo phổ hồng ngoại của các hợp chất hữu cơ,
vô cơ và cả phức chất. Tuy nhiên việc đo phổ hồng ngoại của các hợp chất vô cơ và
phức chất khá phức tạp (ví dụ như phải tiến hành đo ở vùng có số sóng khá thấp mà
không phải máy nào cũng đáp ứng được) nên trong thực tế, phương pháp này được sử
dụng để phân tích các hợp chất hữu cơ là phổ biến hơn.
Tần số hấp thu đặc trưng của các nhóm chức được trình bày trong các bảng có đơn
vị là cm
-1
(thật ra là số sóng, nhưng được quen gọi là tần số) với cường độ được viết tắt
là m (mạnh), tb (trung bình), y (yếu) và bđ (biến đổi).
23
Phổ Hồng Ngoại và Ứng Dụng Trong Thực Phẩm
3.1 Tần số hấp thu của hydrocarbon:
Tần số hấp thu hồng ngoại của hydrocarbon no, của alkene, arene một và nhiều
nhân thơm, alkyne được tóm tắt trong các bảng 2, 3, 4 và 5.
Bảng 2: Tần số hấp thu của hydrocarbon no (alkane và cyclane)
Nhóm Dao động Tần số (cm
-1
) Ghi chú
–CH
3
V

C - H(bđx)
V
C - H(đx)
δ
CH3 (tmp)
δ
CH3 (nmp)
2975 – 2950 (m)
2885 – 2870 (m)
1465 – 1440 (tb)
1390 – 1375 (tb)
DĐ hóa trị bất đối xứng
DĐ hóa trị đối xứng
DĐ biến dạng trong mặt phẳng
DĐ biến dạng ngoài mặt phẳng
>(CH
3
)
2
– C(CH
3
)
3
δ
CH3
δ
CH3
≈ 1380 (tb)
1395 – 1385 (tb)
1365 (m)

DĐ biến dạng trong mặt phẳng
DĐ biến dạng trong mặt phẳng
>CH
2
thẳng V
C - H(bđx)
V
C - H(đx)
δ
CH2
δ
CH2
2940 – 2920 (m)
2870 – 2840 (m)
1480 – 1440 (tb)
745 – 720 (y):
745 – 735
735 – 725
725 - 720
DĐ hóa trị bất đối xứng
DĐ hóa trị đối xứng
DĐ biến dạng “lưỡi kéo”
DĐ biến dạng “con lắc” của
mạch carbon – (CH2)n _:
n = 2
n = 3
n > 3
– CH
2
– vòng δ

CH2
1452 cm-1 DĐ biến dạng “lưỡi kéo” của
cyclohexane (có tần số thường bé
hơn alkane thẳng)
– CH vòng (lớn
hơn ba)
V
C - H
2890 – 2880 (y)
CH vòng ba –
CH
2
- halogen
V
C - H
≈ 3050 (y) Trùng với vùng Ch alkene
C – C V
C - C
δ
C - C
1260 – 700 (y)
600 - 500
Rất yếu
24
Phổ Hồng Ngoại và Ứng Dụng Trong Thực Phẩm
– CO – CH
3
– CHO
V
C – H

V
C-H
3100 – 2900 (y)
2900 – 2700 (y)
Thường rất yếu
Thường gồm haivân (một ở ≈
2720cm
-1
)
– O CH
3
– O –
CH
2
– O
VC-H 2850 – 2810 (tb)
2790 – 2770 (tb)
Aryl ether: số sóng cao
Ankyl ether: số song thấp
N – CH
3
VC-H 2820 – 2780 (tb)
– O – CO – CH
3
δ CH
3
1385 – 1365 (m)
1360 – 1355 (m)
Cường độ rất mạnh
Nhóm C – H không tham gia liên kết hydro nên vị trí các vân hấp thu của nó ít chịu

ảnh hưởng của trạng thái mẫu đo và bản chất hoá học của môi trường đo. Nếu không
thấy sự xuất hiện của các vân hấp thu do dao động hoá trị của CH no thì chắc chắn trong
hợp chất nghiên cứu không có các nhóm CH, > CH
2
, – CH
3
.
Liên kết C – C hấp thu ở vùng chỉ vân tay, thường yếu và có số sóng thay đổi do
ảnh hưởng của tương tác dao động nên không có giá trị thực tế.
Bảng 3: Tần số hấp thu của Alkene
Nhóm Dao động Tần số (cm
-1
) Ghi chú
>C=CH
2
– CH=CH
2
>C=CH –
V
=CH2
δ
=CH2
V
=CH2
δ
=CH2
V
=CH
δ
=CH

3095 – 3075 (tb)
895 – 885 (m)
3095 – 3075 (tb)
995 - 980
Và 915 - 905
3040 – 3010 (tb)
850 – 790 (m)
Đôi khi bị che phủ bởi vân
V
C-H
no
RCH= CHR (trans)
– RHC=CHR (cis)
R – CH=CH
2
δ
CH(nmp)
δ
CH
δ
CH
970 – 960 (m)
730 – 675 (tb)
995 – 985 (m)
Và 940 – 900
DĐ biến dạng ngoài mặt
phẳng (ở 990cm
-1
nếu liên
hợp với C=O )

25