tia 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
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
2
Phổ Hồng Ngoại và Ứng Dụng Trong Thực Phẩm
Lớp Học Phần: 210502002
Thành phố Hồ Chí Minh, tháng 7 năm 2011.

3
Phổ Hồng Ngoại và Ứng Dụng Trong Thực Phẩm
Nhận xét của giáo viên hướng dẫn

4
Phổ Hồng Ngoại và Ứng Dụng Trong Thực Phẩm
MỤC LỤC

A. Lời mở đầu 7
B. NỘI DUNG 8
a. NGUỒN GỐC CỦA BỨC XẠ HỒNG NGOẠI: 8
b. ĐẠI CƯƠNG VỀ PHỔ HỒNG NGOẠI: 8
2.1 Điều kiện hấp thụ bức xạ hồng ngoại: 9
2.2 Sự quay của phân tử và phổ quay: 10
2.3 Phổ dao động quay của phân tử hai nguyên tử: 12
2.4 Phổ dao động quay của phân tử nhiều nguyên tử: 16
2.5 Các yếu tố ảnh hưởng đến tần số đặc trưng nhóm: 20
2.5.1 Ảnh hưởng do cấu trúc của phân tử : 20
2.5.2 Ảnh hưởng do tương tác giữa các phân tử: 22
2.6 Cường độ và hình dạng của vân phổ hồng ngoại: 23
2.7 Các vân phổ hồng ngoại không cơ bản: 23
c. HẤP THU HỒNG NGOẠI CỦA MỘT SỐ HỢP CHẤT HỮU CƠ VÀ VÔ CƠ 24
3.1 Tần số hấp thu của hydrocarbon: 25
3.2 Tần số hấp thu của Alcohol và phenol: 29
3.3 Tần số hấp thu của ether, epoxide và peroxide: 31
3.4 Tần số hấp thu của hợp chất carbonyl: 32
3.5 Tần số hấp thu của hợp chất Nitrogen: 37
3.6 Tần số hấp thu của hợp chất chứa phosphor: 39
3.7 Tần số hấp thu của hợp chất chứa lưu huỳnh: 39
3.8 Tần số hấp thu của hợp chất chứa nối đôi liền nhau: 40
3.9 Tần số hấp thu của hợp chất chứa halogenur: 40
d. KỸ THUẬT THỰC NGHIỆM VÀ ỨNG DỤNG PHƯƠNG PHÁP QUANG PHỔ HỒNG NGOẠI: 41
4.1 Máy quang phổ IR: 41
4.2 Cách chuẩn bị mẫu: 43
4.3 Ứng dụng: 44
4.3.1 Đồng nhất các chất: 44
5
Phổ Hồng Ngoại và Ứng Dụng Trong Thực Phẩm

4.3.2 Xác định cấu trúc phân tử: 45
4.3.3 Nghiên cứu động học phản ứng: 45
4.3.4 Nhận biết các chất: 45
4.3.5 Xác định độ tinh khiết: 45
4.3.6 Suy đoán về tính đối xứng của phân tử: 46
4.3.7 Phân tích định lượng: 46
e. ỨNG DỤNG PHỔ HỒNG NGOẠI TRONG THỰC PHẨM: 47
PHÂN TÍCH THÀNH PHẦN CHÍNH 48
5.1 Nước: 48

5.2 Protein : 48
5.3 Lipid: 49
5.4 Glucid: 49
5.5 Chất xơ : 50
5.6 một số ứng dụng khác: 50
f. NHỮNG LOẠI MÁY QUANG PHỔ TRÊN THỊ TRƯỜNG HIỆN NAY: 51
6.1 Máy quang phổ hồng ngoại biến đổi Fourier: 51
6.2 Máy quang phổ hồng ngoại gần (FT-NIR): 52
C. KẾT LUẬN 53
D. TÀI LIỆU THAM KHẢO 54
6
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!
7
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.
8
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
9
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)
10
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
11
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
12
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.
13
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
=⇒
14
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.
15
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).
16
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
17
Phổ Hồng Ngoại và Ứng Dụng Trong Thực Phẩm
là 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):
18
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.
19
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

20
Phổ Hồng Ngoại và Ứng Dụng Trong Thực Phẩm
nhau rất 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
.
21
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.
22
Phổ Hồng Ngoại và Ứng Dụng Trong Thực Phẩm
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.
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
23
Phổ Hồng Ngoại và Ứng Dụng Trong Thực Phẩm
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.
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.
24
Phổ Hồng Ngoại và Ứng Dụng Trong Thực Phẩm
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).
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)
25