第2章红外光谱g.ppt

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1、第二章 红外光谱,本章主要内容,1. 红外光谱基本原理 2. 影响红外吸收频率的因素 3. 红外光谱的分区 4.各类化合物的红外特征光谱 5. 红外光谱仪 6. 红外的应用,2.1 红外光谱基本原理,红外吸收：一定波长的红外光照射被研究物质的分子， 若辐射能等于振动基态的能级与振动激发态的能级 之间的能量差时， 分子可吸收红外光能量，由基态向激 发态跃迁。 红外的吸收也遵守Lamber-Beer定律。,近红外区：12820 5000 cm-1 远红外区:40033cm-1 中红外区：5000 400cm-1,2.1.1 红外光谱的产生,一个分子的总能量包括核能（En）、分子的平动能（Et）、电

2、子能（Ee）、振动能（Ev）、和转动能（Er） E En+ Et + Ee + Ev + Er 分子在辐射作用下能量的变化E为 E= Ee +E v+ Er,分子的总能量,1,2,3,1,2,3,振动能级,转动能级,振动、转动跃迁示意图,电子能级,v,j,振动光谱选律的几点说明,1. 简谐振动光谱选律为V=1的跃迁发生地几率最大,吸 收强度也最强,为本征跃迁,本征跃迁产生的吸收带为基频 峰。 2. V=2或3跃迁所产生的吸收带为倍频峰，出现在强基频带频率的大约两倍处，为弱吸收。 3. 合频带：基频峰之间相互作用，形成频率等于两个基频之 和或之差的峰。 合频带和倍频峰统称泛频峰,4. 费米共振：

3、基频和它自己或与之相连的另一化学键的某种振动的倍频或合频的偶合。 5. 振动偶合：当分子中两个或两个以上相同的基团与同一原子连接时，其振动发生分裂，形成双峰，有伸缩振动偶合，弯曲振动偶合，伸缩与弯曲振动偶合。,红外图谱,2.1.2 分子振动模型,A：双原子分子：伸缩振动,K：化学键的力常数；v：伸缩振动的频率,结论: (1)因K叁键K双键K单键，因此红外振动频率: 叁键 双键 单键 (2) 通常情况下,折合质量越大,红外波数越小. (3) 弯曲振动比伸缩振动容易,K值要小,因此弯曲振动吸收在低波数区,伸缩振动位于高波数区. （4）与氢原子相连的化学键的折合质量都小，红外吸收在高频区。 如;VC

4、-H:3000cm-1; VO-H:30003600cm-1;VN-H:3300cm-1,B：多原子分子振动模型,多原子分子的振动要比双原子复杂，有3n-6（非线性分 子）或3n-5个振动（线性分子）自由度，对应于3n-6或 3n-5个振动，并不是每个振动都会产生红外吸收，只有偶极距 发生变化的振动才会产生红外吸收，这样的振动为红外活性振 动，振动过程中偶极距变化越大，吸收向高频移动，并且强度 增加。偶极距不发生改变的振动为红外非活性振动，不产生红 外吸收。 非极性的同核双原子分子如：O2，N2等无红外吸收,偶极距,在任何一个分子中都可以找到一个正电荷重心和一个负 电荷重心，正电荷重心和负电荷

5、重心的距离称为偶极 长，偶极距为分子的偶极长和偶极上一端电荷的乘积。,HCl,-C=O,H-O-,多原子分子的振动分为伸缩振动和弯曲振动两类,A伸 缩 振 动,B 弯曲振动,面内弯曲振动的频率面外弯曲振动的频率,CS2的基本振动方式,甲基的振动形式,伸缩振动 甲基：,变形振动 甲基,对称s(CH3)1380-1 不对称as(CH3)1460-1,对称 不对称 s(CH3) as(CH3) 2870 -1 2960-1,小结,红外振动分为伸缩振动和弯曲振动，伸缩振动频率高于 弯曲振动，对称振动频率低于不对称振动频率，只有偶 极距变化的振动才有红外吸收，反之则无。键的振动频 率与键常数、折合质量有

6、关。,2.2 红外光谱的吸收强度及其影响因素,强度与偶极距变化有关，偶极距变化越大，吸收强度越大。一般来说，基团极性越大，在振动过程中偶极距变化幅度越大，吸收强度越大。 诱导效应会影响基团极性，因此影响吸收。诱导效应使基团极性增强 ，吸收增强，反之则降低。 氢键影响基团的极化程度，因此吸收峰变宽增强。 振动偶合、费米共振,影响红外吸收强度的因素,2.3. 红外光谱的吸收频率及其影响因素,化学键的振动频率不仅与其性质有关如成键原子的杂化方式，质量效应等，还受很多外部因素的影响。相同基团的特征吸收并不总在一个固定频率上。影响因素有关： 1. 质量效应 2.电子效应 内在因素 3.空间效应 4.氢键

7、 5.振动的偶合 外在因素,（1）质量效应,分子中键的振动频率与化学键力常数成正比，与折合 质量成反比。 同一周期，从左到右X基的电负性增大，X-H键力常数 增大，振动波数增高。 同一主族，至上而下，X-H键力常数依次下降，折合 质量增加明显，振动波数减小。,HF，HCl，HBr，HI,H-O，H-F，H-N，H-C,表 某些键的伸缩力常数（毫达因/埃）,键类型 CC C =C C C 力常数 15 17 9.5 9.9 4.5 5.6 峰位 4.5m 6.0 m 7.0 m 化学键键强越强（即键的力常数K越大）原子折合质量越小，化学键的振动频率越大，吸收峰将出现在高波数区。,X-H键伸缩振动

8、频率,化学键的伸缩振动频率范围,（2）电子效应,a诱导效应：吸电子基团使吸收峰向高频方向移动，供电子 基使吸收峰低频移动。,R-COR C=0 1715cm-1 ; R-COH C=0 1730cm -1 ； R-COCl C=0 1800cm-1 ; R-COF C=0 1850cm-1 ; F-COF C=0 1928cm-1 ; R-CONH2 C=0 1680cm-1 ;,供电子基：含N，S原子的官能团，烷基等 吸电子基：卤素原子、含氧原子官能团,b 共轭效应,共轭效应: 共轭引起C=O双键极性增强，双键性降低， 吸收频率降低，强度提高，共轭体系中的苯环或双键的 吸收频率也向低波数移动

9、。,（3）空间效应,a . 空间障碍: 大基团或很多基团产生的位阻作用，迫使邻 近基团间的键角变小或共轭体系之间单键键角偏转，使 基团振动频率和峰形发生变化。,1663 cm-1 1686 cm-1 1693 cm-1,b. 环张力: 环的减小导致张力变大，环内键变弱，频率降低，环外的振动频率升高,（4）氢键效应,(分子内氢键；分子间氢键)：对峰位，峰强产生极明显影响，使伸缩振动频率向低波数方向移动，峰型变宽。,（5）振动的偶合,分子内两基团位置很近并且振动频率相同或相近时, 它们 之间发生强相互作用, 结果产生两个吸收峰, 一个向高频移 动, 一个向低频移动。,外在因素,样品的制备方法，溶剂

10、的性质，样品的物 态，结晶条件均会影响红外吸收。,小结,影响红外吸收的因素很多，电子效应，空间效 应，氢键主要通过影响键的键力常数，从而影响 吸收频率。,2.4. 红外光谱的分区,2.4.1. 第一峰区（40002500cm-1）,XH 伸缩振动吸收范围。X代表O、N、C、S，对应醇、酚、羧酸、胺、亚胺、炔烃、烯烃、芳烃 及饱和烃类的 OH、NH、CH 伸缩振动。,(2) . NH 胺类： 游离：35003300cm-1, 缔合吸收位置降低约100cm-1 伯胺： 3500，3400cm-1，（吸收强度比羟基弱） 仲胺： 3400cm-1（吸收峰比羟基要尖锐） 叔胺：无吸收 酰胺： 伯酰胺：3

11、350，3150cm-1 附近出现双峰 仲酰胺：3200cm-1 附近出现一条谱带 叔酰胺：无吸收,中等强度吸收,中等强度吸收,铵盐:铵盐中N-H伸缩振动向低波数移动，位于更低波数 32002200cm-1，出现强、宽散吸收带。 伯铵盐：32002250cm-1宽带 26002500cm-1一个或几个中等强度吸收，泛频带 22002100cm-1弱谱带，或不出现 仲铵盐：30002200cm-1强吸收，宽谱带 26002500cm-1有明显多重吸收带 叔铵盐：27002200cm-1宽谱带,(3). CH 烃类：33002700cm-1范围，3000cm-1是分界线。不饱和碳（三键、双键及苯环

12、）3000cm-1, 饱和碳（除三元环）3000 炔烃：3300 cm-1，峰很尖锐,烯烃、芳烃：31003000 cm-1 饱和烃基：30002700 cm-1，四个峰 CH3：2960（s）、2870 cm-1（m） CH2：2925（s）、2850 cm-1（s） CH：2890 cm-1,醛基：28502720 cm-1，两个吸收峰 巯基：26002500 cm-1，谱带尖锐，容易识别,2.4.2.第二峰区（25002000 cm-1）,2.4.3.第三峰区（20001500cm-1）,双键的伸缩振动区,包括CO、CC、CN、NO，NH 。,1) CO伸缩振动 19001650cm-1

13、，峰尖锐或稍宽，其强度都较大。 羰基的吸收一般为最强峰或次强峰。,变化规律：,酰卤：吸收位于最高波数端，特征，无干扰。 酸酐：两个羰基振动偶合产生双峰，波长位移6080 cm-1。 酯：脂肪酯1735 cm-1，不饱和酸酯或苯甲酸酯低波 数位移约20 cm-1 羧酸：1720 cm-1，若在第一区约 3000 cm-1出现强、宽吸收。,醛：在28502720 cm-1 范围有 m 或 w 吸收，出现12条谱带，结合此峰， 可判断醛基存在。 酮：唯一的特征吸收带 酰胺：16901630 cm-1 ，缔合态约 1650 cm-1 伯酰胺：1690 cm-1（） ,1640 cm-1（） 仲酰胺：1

14、680 cm-1（），1530 cm-1（）， 1260 cm-1 （） 叔酰胺：1650 cm-1,2). CC伸缩振动 16701600 cm-1 ，强度中等或较低。,烯烃： 16801600 cm-1 芳环骨架振动：苯环、吡啶环及其它芳环 16501450 cm-1 范围 苯： 1600，1580，1500，1450 cm-1 吡啶：1600，1570，1500，1435 cm-1 呋喃：1600，1500，1400 cm-1 喹啉：1620，1596，1571，1470 cm-1,硝基、亚硝基化合物：强吸收 脂肪族：15801540 cm-1，13801340 cm-1 芳香族：155

15、01500 cm-1，13601290 cm-1 亚硝基： 16001500 cm-1,3）N=O伸缩振动,4）C-N伸缩振动：位于16801640 cm-1,5）胺类化合物弯曲振动也出现在此区域： NH2 位于16401560 cm-1，为 s 或 m 吸收带。,2.4.4. 第四峰区（1500600 cm-1）,指纹区 XC（XH）键的伸缩振动及各类弯曲振动,1）. CH 弯曲振动 烷烃： CH3 约1450 cm-1、1380 cm-1 CH(CH3)2 1380 cm-1、1370 cm-1 C(CH3)3 1390 cm-1、1370cm-1 CH 1340 cm-1 （不特征）,烯

16、烃： 面内：14201300 cm-1，不特征 面外：1000670 cm-1，容易识别，可用于判断取代情况。 芳环： 面内：1250950 cm-1范围，应用价值小 面外：910650 cm-1，可判断取代基的相对位置,一取代770730 cm-1，710690 cm-1 二取代 邻：770735 cm-1 对：860800 cm-1 间：900800 cm-1，810750 cm-1， 725680 cm-1,2）. CO 伸缩振动： 13001000 cm-1,3). 其它键的振动 C-C：伸缩振动一般很弱，无鉴定价值 C-X：伸缩振动 F：14001000 cm-1 (ms) Cl:

17、800600 cm-1 (s) Br: 600500 cm-1 (s) I: 500 cm-1 (s) O-H：弯曲振动：面内（1500-1300）面外（650cm-1） B-O：伸缩振动 1500-1300 cm-1 （ms）B-C：1435 cm-1 Si-O-Si：11001000cm-1,基团吸收带数据,常见基团的红外吸收带,特征区,指纹区,3.3.1 红外光谱的八个峰区,2.5 红外光谱仪类型与结构 types and structure of instruments,两种类型：色散型 干涉型（傅立叶变换红外光谱仪）,1. 内部结构,Nicolet公司的AVATAR 360 FT-I

18、R,2. 傅里叶变换红外光谱仪结构框图,干涉仪,光源,样品室,检测器,显示器,绘图仪,计算机,干涉图,光谱图,FTS,3. 傅立叶变换红外光谱仪的原理与特点,光源发出的辐射经干涉仪转变为干涉光，通过试样后，包含的光信息需要经过数学上的傅立叶变换解析成普通的谱图。 特点：(1) 扫描速度极快(1s)；适合仪器联用； (2)不需要分光，信号强，灵敏度很高； (3)仪器小巧。,傅里叶变换红外光谱仪工作原理图,迈克尔干涉仪工作原理图,4. 色散型红外光谱仪主要部件,(1) 光源 (P 43) 能斯特灯：氧化锆、氧化钇和氧化钍烧结制成的中空或实心圆棒，直径1-3 mm，长20-50mm； 室温下，非导体

19、，使用前预热到800 C； 特点：发光强度大；寿命0.5-1年； 硅碳棒：两端粗，中间细；直径5 mm，长20-50mm；不需预热；两端需用水冷却； (2) 单色器 光栅；傅立叶变换红外光谱仪不需要分光；,(3) 检测器 真空热电偶；不同导体构成回路时的温差电现象 涂黑金箔接受红外辐射； 傅立叶变换红外光谱仪采用热释电(TGS)和碲镉汞(MCT)检测器； TGS：硫酸三苷肽单晶为热检测元件；极化效应与温度有关，温度高表面电荷减少(热释电)； 响应速度快；高速扫描；,二、制样方法 sampling methods,1）气体气体池,2）液体：,液膜法难挥发液体（BP80C） 溶液法液体池,溶剂：

20、CCl4 ，CS2常用。,3) 固体:,研糊法（液体石腊法） KBR压片法 薄膜法,三、联用技术 hyphenated technology,GC/FTIR（气相色谱红外光谱联用）,LC/FTIR（液相色谱红外光谱联用）,PAS/FTIR（光声红外光谱）,MIC/FTIR（显微红外光谱）微量及微区分析,2.5 各类化合物的红外特征吸收,饱和烃 不饱和烃 醇酚醚 含羰基化合物 含氮化合物 其他含杂原子有机化合物 金属有机化合物 高分子化合物无机化合物,2.5.1.饱和烃,振动类型：（CH3，CH2，CH）(CC,CH )，C-H伸缩、弯曲振动，C-C伸缩振动 C-H伸缩振动：30002800，反

21、对称频率大于对称。 C-H弯曲振动：1475700，1375，1450两峰可作为CH3存在的依据， CH2的剪式振动峰为1450，CH2的面外振动吸收出现在780-720，当4个以上的亚甲基直线相连时，吸收在722，随着数目的增多向高频移动,可通过此峰判断亚甲基的数量， 环烷烃变形振动：1020960之间，亚甲基的伸缩振动频率大于直链烷烃，并裂分为两个峰。14501440。 见P48表2-4,a)由于支链的引入，使CH3的对称变形振动发生变化。 b)CC骨架振动明显,c) CH2面外变形振动(CH2)n，证明长碳链的存在。,n=1 770785 cm-1 （中 ） n=2 740 750 cm

22、-1 （中 ） n=3 730 740 cm-1 （中 ） n 722 cm-1 （中强 ）,d) CH2和CH3的相对含量也可以由1460 cm-1和1380 cm-1的峰 强度估算强度,A.正辛烷,B、2-甲基庚烷,2,2-二甲基己烷,变形振动,a) C-H 伸缩振动( 3000 cm-1),2.5.2. 不饱和烃：烯烃、炔烃,b) C=C 伸缩振动(1680-1630 cm-1 ),1660cm-1,（C=C）, 分界线1660cm-1 顺强，反弱 四取代（不与O，N等相连）无（C=C）峰 端烯的强度强，双键越向中心移动吸收强度越低，完全对 称的反式化合物无双键的伸缩振动吸收 共轭使（C

23、=C）下降20-30 cm-1,c) C-H 变形振动(1000-700 cm-1 ),面内变形（=C-H）1400-1420 cm-1 （弱） 面外变形（=C-H） 1000-700 cm-1 （有价值）见P50表2-6,（=C-H）,970 cm-1（强）,790-840 cm-1 （820 cm-1）,610-700 cm-1（强）,（=C-H）,800-650 cm-1（690 cm-1）,990 cm-1 910 cm-1 （强）,890 cm-1（强）,谱图举例,1-己炔,2-己炔,2.5.3 芳烃,苯环骨架（C=C）振动，C-H伸缩、弯曲振动 C-H伸缩振动：30503010 C

24、=C伸缩振动:16001450 cm-1，于1600，1580，1500， 1450附近出现34条谱带。 C-H面内弯曲:1250-950 cm-1，在此范围干扰大，价值小。 C-H面外弯曲：900-650 cm-1 ，出现1-2条强吸收谱带，泛频出现在20001660。,芳烃上基团的频率随取代基的不同而不同。见P52表2-8 判断苯环的存在首先看31003000及16501450两个区域的吸 收峰是否同时存在，再观察900650区域，以推测取代形式,4. 芳烃,C=C 16501450cm-1 （芳环碳碳骨架伸缩振动） 24个中强峰：1500(强)、1600(中) =CH 31103010c

25、m-1 C-H弯曲振动910650cm-1,2.5.4. 醇（OH）,a) -OH 伸缩振动(强吸收3600 cm-1) b) C-O伸缩振动(最强吸收12001100 cm-1) C）OH弯曲振动（面内：15001250 cm-1 ），650 cm-1 （面外）,OH基特性,双分子缔合（二聚体）3550-3450 cm-1 多分子缔合（多聚体）3400-3200 cm-1,分子内氢键：,分子间氢键：,多元醇（如1，2-二醇 ） 3600-3500 cm-1 螯合键（和C=O，NO2等）3200-3500 cm-1 多分子缔合（多聚体）3400-3200 cm-1,分子间氢键随浓度而变，而分

26、子内氢键随浓度变化小。,水（溶液）3710 cm-1 水（固体）3300cm-1 结晶水 3600-3450 cm-1,3515cm-1,3640cm-1,3350cm-1,乙醇在四氯化碳中不同浓度的IR图,2950cm-1,2895 cm-1,举例,2.5.5. 醚（COC）,as 1275-1010cm-1 （1250cm-1 ）,脂肪族环的C-O-C as 1250-1060cm-1 两条谱带s,芳族和乙烯基的=C-O-C,s 1075-1020cm-1,甲氧基： 脂族 R-OCH3 s (CH3) 2830-2815cm-1 芳族 Ar-OCH3 s (CH3) 2850cm-1,C-

27、O-C伸缩振动：12751060cm-1 ，强峰,丙醚,2-二甲基-2-丙醚,对甲基苯甲醚,2.5.6 酚类化合物的红外光谱,C-O伸缩振动，OH伸缩振动，苯环骨架振动,苯酚,2.5.7. 含羰基化合物,VC=O 1720 cm-1 ，不饱和酮 VC=O 1675cm-1,VC=O 1725cm-1 VC-H 2850-2720cm-1 12条谱带 （鉴别-CHO）,1) 醛,2）酮,C=O伸缩振动吸收出现在：19001600,丁醛,丁酮,VC=O 1740cm-1 VC-O-C 13001150（鉴定酯）,VC=O 17701750cm-1（单体） ， 1710cm-1 （二聚体）,VO-H

28、 30002500 （二聚体）,3）酯,4）羧酸,920附近一宽峰是两分子缔合体O-H非平面摇摆振动吸收 羧酸盐：1400，1610-1500两个峰，对称、不对称峰,5）酸酐,6）酰卤,酸酐和酰氯的红外光谱图,7) 酰胺,N-甲基丙酰胺,乙酰胺,8）胺（铵）类,N-H伸缩、弯曲振动，C-N伸缩振动,氰基化合物的红外光谱图,CN=2275-2220cm-1,硝基化合物的红外 光谱图,AS （N=O）=1565-1545cm-1,S （N=O）=1385-1350cm-1,脂肪族,芳香族,S （N=O）=1365-1290cm-1,AS （N=O）=1550-1500cm-1,其它化合物的红外吸收

29、,1）含杂原子有机化合物（P69，表2-12） 2）金属有机化合物（P70） 3）高分子化合物（P71） 4）无机化合物（P73）,2.8 红外光谱图解析步骤,确定分子式和计算不饱和度; 解析前应了解尽可能多的信息;红外标准谱图可通过网站查询(P76) 确定所含的化学键或基团 ; 先观察官能团区，找出存在的官能团，再看指纹区。如果是芳香族化合物，应定出苯环取代位置，确定所含的化学键或基团. (4) 根据频率位移值考虑邻接基团及其连接方式 ; 根据官能团及化学合理性，列出几种可能的结构； (5) 与标准谱图对照分析; (6) 配合其它分析方法综合解析 .,不饱和度： 不饱和度是指分子结构中达到饱

30、和所缺一价元素的“对”数。如：乙烯变成饱和烷烃需要两个氢原子，不饱和度为1。 计算： 若分子中仅含一，二，三，四价元素（H，O，N，C），则可按下式进行不饱和度的计算： = （2 + 2n4 + n3 n1 ）/ 2 n4 ， n3 ， n1 分别为分子中四价，三价，一价元素数目。 作用： 由分子的不饱和度可以推断分子中含有双键，三键，环，芳环的数目，验证谱图解析的正确性。 例： C9H8O2 = （2 +29 8 ）/ 2 = 6,1. 某化合物分子式C8H7N，熔点为29；试根据如下红外谱图推测其结构。,1）不饱和度,2）峰归属,U=1-7/2+1/2+8=6,分子式: C8H7N,3）官

31、能团,CH3,CN,苯环,4）确定结构,5）验证结构,不饱和度与计算结果相符；并与标准谱图对照证明结构正确。,2某化合物分子式C4H8O2，试根据如下红外光谱图，推测其结构。,1）不饱和度,2）峰归属,U=1-8/2+4=1,分子式: C4H8O2,1180cm-1,as（C-O-C）,1240cm-1,1160cm-1,3）官能团,CH3,CH2,C=O,C-O,4）可能的结构,5）确定结构,3某化合物分子式C8H8，试根据如下红外光谱图，推测其结构。,1）不饱和度,2）峰归属,U=1-8/2+8=5,分子式: C8H8,3）官能团,-CH=CH2,苯环,4）确定结构,4某液体化合物分子式C

32、8H8O2，试根据其红外光谱图，推测其结构。,解：,5 化合物C4H8O，根据如下IR谱图确定结构，并说明依据。,例5解：,1）不饱和度,2）峰归属,U=1-8/2+4=1,分子式: C4H8O,3）官能团,C=CH2,OH,4）确定结构,CH3,CH2,6 化合物C4H8O，根据如下IR谱图确定结构，并说明依据。,1）不饱和度,2）峰归属,U=1-8/2+4=1,分子式: C4H8O,3）官能团,C=O,4）确定结构,CH3,CH2,7,8.推测C4H8O2的结构,解：1）=1-8/2+4=1 2）峰归属 3）可能的结构,9 . C8H8,解：1） =1-8/2+8=5 2）峰归属 3）可能

33、的结构,10.异构体的鉴别,11. 烯烃顺反异构体：,12 C8H7N，确定结构,解：1） =1-（1-7）/2+8=6 2）峰归属 3）可能的结构,拉曼光谱,定义：当用一定频率的激发光照射分子时，当无碰撞能 量损失时，一部分散射光的频率和入射光的频率相当， 这种散射为瑞利散射；还有一部分散射光的频率和激发 光的频率不等，这种散射成为拉曼散射。拉曼散射的几 率远远高于瑞利散射的几率。 Laman选律：在分子振动过程中，只有分子极化率有变 化的振动才有能量转移，产生拉曼散射，这种振动称拉 曼活性振动，极化率（电子云）无改变的称为拉曼非活 性振动。,红外与拉曼光谱的比较,1.红外：偶极距变化；拉曼：极化率的变化。 2.极性基团可用红外测定，非极性基团的红外吸收弱，可 用拉曼光谱。 3.凡具有对称中心的分子，如果红外是活性的，则拉曼散 射是非活性的，反之，如果红外吸收是非活性的，则拉 曼散射是活性。 4.化合物往往同时具有红外活性和拉曼活性，但强度可能 不同,总结,红外光谱和拉曼光谱是测定物质结构非常有用的手段， 往往结合其它谱对物质进行综合分析。,