红外光谱技术及其应用进展

红外光谱技术及其应用进展摘要:对物质自发发射或受激发射的红外射线进行分光，可得到红外发射光谱， 物质的红外发射光谱主要决定于物质的温度和化学组成；对被物质所吸收的红射 线进行分光，可得到红外吸收光谱。红外光谱具有高度的特征性，不但可以用来 研究分子的结构和化学键，而且广泛地用于表征和鉴别各种化学物种。关键词：红外光谱、特点、发展、应用原理、红外光谱仪1. 应用红外光谱简介：红外光谱学是光谱学中研究电磁光谱红外部分的分支。它包括了许多技术， 到目前为止最常用的是吸收光谱学。同所有的分光镜技术一样，它可以被用来鉴 别一种化合物和研究样品的成分。对物质自发发射或受激发射的红外射线进行分 光，可得到红外发射光谱，物质的红外发射光谱主要决定于物质的温度和化学组 成；对被物质所吸收的红外射线进行分光，可得到红外吸收光谱。每种分子都有 由其组成和结构决定的独有的红外吸收光谱，它是一种分子光谱。分子的红外吸 收光谱属于带状光谱。原子也有红外发射和吸收光谱，但都是线状光谱。红外光 谱具有高度的特征性，不但可以用来研究分子的结构和化学键，如力常数的测定 等，而且广泛地用于表征和鉴别各种化学物种。2. 红外光谱发展史：红外辐射是18世纪末，19世纪初才被发现的。1800年英国物理学家赫谢尔 （Herschel）用棱镜使太阳光色散，研究各部分光的热效应，发现在红色光的外 侧具有最大的热效应，说明红色光的外侧还有辐射存在，当时把它称为“红外线” 或“热线”。这是红外光谱的萌芽阶段。由于当时没有精密仪器可以检测，所以 一直没能得到发展。过了近一个世纪，才有了进一步研究并引起注意。1892年朱利叶斯（Julius）用岩盐棱镜及测热辐射计（电阻温度计），测得 了 20几种有机化合物的红外光谱，这是一个具有开拓意义的研究工作，立即引 起了人们的注意。1905年库柏伦茨（Coblentz）测得了 128种有机和无机化合 物的红外光谱，引起了光谱界的极大轰动。这是红外光谱开拓及发展的阶段。到了20世纪30年代，光的二象性、量子力学及科学技术的发展，为红外光 谱的理论及技术的发展提供了重要的基础。不少学者对大多数化合物的红外光谱 进行理论上研究和归纳、总结，用振动理论进行一系列键长、键力、能级的计算， 使红外光谱理论日臻完善和成熟。尽管当时的检测手段还比较简单，仪器仅是单 光束的，手动和非商化的，但红外光谱作为光谱学的一个重要分支已为光谱学家 和物理、化学家所公认。这个阶段是红外光谱理论及实践逐步完善和成熟的阶段。20世纪中期以后，红外光谱在理论上更加完善，而其发展主要表现在仪器 及实验技术上的发展：1947年世界上第一台双光束自动记录红外分光光度计 在美国投入使用。这是第一代红外光谱的商品化仪器；20世纪60年代，采用 光栅作的单色器，比起棱镜单色器有了很大的提高，但它仍是色散型的仪器，分 辨率、灵敏度还不够高，扫描速度慢。这是第二代仪器；20世纪70年代，干 涉型的傅里叶变换红外光谱仪及计算机化色散型的仪器的使用，使仪器性能得到 极大的提高。这是第三代仪器；20世纪70年代后期到80年代，用可调激光 作为红外光源代替单色器，具有更高的分辨本领、更高灵敏度，也扩大应用范围。 这是第四代仪器。现在红外光谱仪还与其它仪器如GC、HPLC联用，更扩大了其使用范围。而 用计算机存贮及检索光谱，使分析更为方便、快捷。3. 红外光谱原理：电磁光谱的红外部分根据其同可见光谱的关系，可分为近红外光、中红外光 和远红外光。远红外光（大约400-10 cm-1）同微波毗邻，能量低，可以用于 旋转光谱学。中红外光（大约4000-400 cm-1）可以用来研究基础振动和相关 的旋转-振动结构。更高能量的近红外光（14000-4000 cm-1）可以激发泛音和 谐波振动。红外光谱法的工作原理是由于振动能级不同，化学键具有不同的频率。共振 频率或者振动频率取决于分子等势面的形状、原子质量、和最终的相关振动耦合。 为使分子的振动模式在红外活跃，必须存在永久双极子的改变。具体的，在波恩 -奥本海默和谐振子近似中，例如，当对应于电子基态的分子哈密顿量能被分子 几何结构的平衡态附近的谐振子近似时，分子电子能量基态的势面决定的固有振 荡模，决定了共振频率。然而，共振频率经过一次近似后同键的强度和键两头的 原子质量联系起来。这样，振动频率可以和特定的键型联系起来。简单的双原子分子只有一种键，那就是伸缩。更复杂的分子可能会有许多键， 并且振动可能会共轭出现，导致某种特征频率的红外吸收可以和化学组联系起 来。常在有机化合物中发现的CH2组，可以以“对称和非对称伸缩”、“剪刀式 摆动”、“左右摇摆”、“上下摇摆”和“扭摆”六种方式振动。测量样品时，一束红外光穿过样品，个个波长上的能量吸收被记录下来。这 可以由连续改变使用的单色波长来实现，也可以用傅立叶变换来一次测量所有的 波长。这样的话，透射光谱或吸收光谱或被记录下来，显示出被样品红外吸收的 波长，从而可以分析出样品中包含的化学键。这种技术专门用在共价键的分析上，而且主要用于有机化学中。如果样品的红外 活跃键少、纯度高，得到的光谱会相当清晰，效果好。更加复杂的分子结构会导 致更多的键吸收，从而得到复杂的光谱。但是，这项技术还是用在了非常复杂的 混合物的定性研究当中。红外光谱原理示意图（1）红外光谱原理示意图（2）4. 红外光谱应用： 红外光谱法的一般特点：特征性强、测定快速、不破坏试样、试样用量少、 作简便、能分析各种状态的试样、分析灵敏度较低、定量分析误差较大 对样品的要求：（1）试样纯度应大于98%，或者符合商业规格，这样才便 于与纯化合物的标准光谱或商业光谱进行对照，多组份试样应预先用分馏、萃取 重结晶或色谱法进行分离提纯，否则各组份光谱互相重叠，难予解析；（2）试 样不应含水（结晶水或游离水），水有红外吸收，与羟基峰干扰，而且会侵蚀吸 收池的盐窗。所用试样应当经过干燥处理；（3）试样浓度和厚度要适当，使最强 吸收透光度在520%之间 定性分析和结构分析：红外光谱具有鲜明的特征性，其谱带的数目、位置、 形状和强度都随化合物不同而各不相同。因此，红外光谱法是定性鉴定和结构分 析的有力工具。 定量分析：红外光谱有许多谱带可供选择，更有利于排除干扰。红外光源发光 能量较低，红外检测器的灵敏度也很低，8V103吸收池厚度小、单色器狭缝宽 度大，测量误差也较大。对于农药组份、土壤表面水份、田间二氧化碳含量的测 定和谷物油料作物及肉类食品中蛋白质、脂肪和水份含量的测定，红外光谱法是 较好的分析方法。举例：有一化合物分子式为C7H6O2，其红外光谱如下图，试推断其结构。由图观察可得出：（1）U=1 + 7 + 0.5X（-6）=5，可能有苯环、双键各一个。（2）1684cm-1强峰是vC=O吸收（对不饱和贡献为1）。（3）在3300 2500cm-1区域有宽而散的vOH吸收峰；935cm-1为羧酸二聚体的yO H吸收；一1400和一1300cm-1为羧酸的vC O和8OH吸收。（4）1600、1582cm-1是苯环的vC=C特征吸收；3070、3012cm-1是苯环的vC-H特征吸收；715、699cm-1是单取代苯的特征吸收。因此分子中肯定存在苯环结构（对 不饱和贡献为4），并具有羧酸的特征吸收，所以是芳酸。又因vC=O在较低频 率的1684cm-1，这表明：羧基直接与苯环相连。综上所述，该化合物结构为苯 甲酸/COH4.1在制浆造纸工业中的应用34.1.1木素的定性和结构分析将木素试样和漠化钾混合均匀后压片，研制成透明的试片，用红外分光光 度计得到相应红外光谱图，再通过所得试样谱图与前人证实的特征吸收峰的位 置加以对照比较，来确定木素中所含的各种功能基，从而分析木素的结构。 4.1.2木素的定量分析用红外光谱对木素作定量分析时，常以木素的芳环特征吸收峰（即波数为 1500cm-1和1600cm-1处的吸收峰）的强弱为定量的依据。在测之前要先作木素含 量与相对吸光度D的准曲线。然后，取待测纸浆样品l0mg,加入亚铁氤化钾lmg 和KBr（过200目粉）300mg，在玛瑙研体中研磨（约120次）后，将其置于真空干燥 箱中，在真空度约76mm Hg柱，70C下烘干8h以上。经烘干的试样在压片模中用 15t压力下压制成透明薄片，在红外分光光度计上进行扫描，得到红外光谱图。 根据红外光谱图得出相对吸光度D（D1505/D2100），再由该值查标准曲线，求得纸 浆中木素的含量。4.1.3研究纤维素的结晶结构（结晶度）对纤维素大分子的聚集状态（即所谓纤维素的超分子结构）的研究认为，纤 维素是由结晶区和无定形区交错联结而成的。在结晶区内，纤维素链分子的排列 比较整齐，有规则；而在无定形区，纤维素链分子的排列不整齐，规则性较差， 结合较松弛。而且从结晶区到无定形区是逐步过渡的，且无明的界限。纤维素的 结晶是表征纤维素聚集态形成结晶程度的指标，它是指纤维素构成的结晶区占 纤维素整体的百分数。纤维素的结晶度在一定程度上，反映了纤维的物理性质和 化学性质。因此，测定纤维素的结晶度，对于从结构上了解纤维素纤维的性质具 有指导意义。4.1.4测定纸浆Kappa值由于近红外光谱的声噪比甚高，可选用多元统计技术来进行多元回归得出 工作曲线，而使定量测量精度较高。另外，物质在此波段（0.82.5um）的特 征吸收峰的吸收率小，因而在进行测定时，近红外光谱法及其适用于固体、液 体、气体及悬浮液的快速，非破坏性的定量分析。因此可来测定纸浆木素含量, 进而测定纸浆的Kappa值。4.1.5测定细纤维的取向角采用MicORoMan分光仪测定1094cm-1和1121cm-1处峰值强度的比率作为角 度的函数，从而测定漂白浆细纤维取向角。4.1.6测混合纤维的构成利用红外光谱仪的差减光谱软件，对复杂混合纤维光谱成功地进行光谱差 减，从而更准确地推测混合纤维的构成。4.1.7探测热磨机械浆的光返黄O-醍和P-醍模型物及Fremy的热磨机械浆盐类氧化物的光谱研究结果证实， 1675cm-1谱带是由于P-醍官能基的作用，研究发现，甲基氢醍的变色行为与热 磨机械浆的回色非常相似。且发现，P-醍和氢醍模型物对激光诱导荧光的分子 氧敏感性非常接近返黄和未返黄的机械热磨浆的返色行为。因此，可采用傅立叶 变换拉曼光谱和傅立叶变换红外光谱，在新的谱带1675cm-1处，探测热磨机械浆 的光返黄作用4.1.8测纸张的匀度通过光吸收方法测量纸页局部定量，得到定量在纸页平面的一维分布函数， 通过傅立叶变换得到纸页局部定量变化的几何分布特征和幅度分布特征，并以 此为基础构成表征纸页匀度的特征参数一不均匀指数来测量纸页匀度。4.1.9测量纸页的水份和纸板的重量采用反射模式利用水在1940cm-1处的特征吸收测量纸页中的水份。如2235红外水份传感器利用的就是这个原理。纸板重 量的变化在2100-2500nm的范围内表观明显，在2346mn处进行一元线性回归， 可测纸板的重量4.1.10检查纸张结构利用红外温度记录仪，通过向样品施加机械能和热能，使其温度发生变化，从 而检测纸张结构。这种方法有助于鉴定纸张的结构及功能特性。4.2在临床医学和药学方面的应用鉴于每个化合物都有自己独特的红外光谱，除特殊情况外，目前尚未发现 两种不同的化合物具有相同的红外光谱，所以红外光谱为药品质量的监测提供 了快速准确的方法。如药材天麻、阿胶，西药红霉素、环磷酰胺的监测和抗肝炎 药联笨双酯同质异晶体的研究。红外光谱在临床疾病检测方面也有广泛的应用，如利用红外光谱法对冠心 病、动脉硬化、糖尿病、癌症的检测。红外光谱法测定蛋白质基体中的葡萄糖含 量。以及用FT - Raman光谱在7001900cm-1处的差异，对胃、牙齿、血管、肝 等人体组织的研究可用于体内诊断。近红外光谱还用于血液中血红蛋白、血糖及 其他成分的测定及临床研究mW，均取得较好的结果。田惠军等用FTIR法对天然牛黄中胆红素钙的含量进行了定量测定，宋占军 等采用FTIR法对蜂王浆中的王浆酸进行了定性及定量测定，他们都得到满意的 结果Mo随着漫反射测试技术的出现，无损药物分析在近红外光谱分析中占有非 常重要的位置。现代近红外光谱已广泛用于药物的生产过程控制。4.3在农业方面的应用红外光谱成功的用于农产品的品质分析，进而扩展到污染物的测定13，烟 草、咖啡的分类14、农产品产地来源鉴别15,还用于检测可耕土壤的物理和化学 变化16,光导纤维探头的出现，NIR技术可直接用于粮食或水果传送带上进行产 品分捡17。陈和生等人还通过漫反射方法，将探头直接安装在食物的谷物传送带上，检 验种子或作物的质量，如水分、蛋白含量及小麦硬度的测定。在农产品的良种选 育和品质分析中发挥了重要作用，用NIR技术在肥料生产过程中即时监控氮、 磷、钾组成的变化对蔬菜中微量的农药残留的定性和定量分析进行了较深入的研 究，还建立了蔬菜中稍酸盐的NIR快速测定法18。在农业领域，近红外光谱可通过漫反射方法，将测定探头直接安装在粮食 的谷物传送带上，检验种子或作物的质量，如水分、蛋白含量及小麦硬度的测定 19,20。还用于作物及饲料中的油脂、氨基酸、糖分、灰粉等含量的测定以及谷物 中污染物的测定21;近红外光谱还被用于烟草的分类、棉花纤维、饲料中蛋白 及纤维素的测定，并用于监测可耕土壤中的物理和化学变化22。4.4在食品方面的应用4.4.1食品中农药残留检测食品中农药残留分析离不开农药标准品，而标准品研制中一般须经红外光 谱进行结构表征。周向阳、林纯忠2等人首次采用傅立叶变换近红外光谱 法（FT- NIR）对十字花科、旋药科、菊科、伞形花科、苋科等20余种叶菜类中 有机磷农药残留的鉴别进行了系统研究，以农药甲胺磷为主要研究对象，结合 高、中、低毒3种有机磷类进行分析测试，讨论各种蔬菜样品谱图的差异，利用 含磷基团在倍频区的特征吸收，采用差谱技术等进行指认，取得满意的鉴别效 果，为有机磷农药残留的快速分析提供一种简便、快速、可靠的手段。王多加 等人运用傅里叶变换近红外光谱仪，以二阶导数处理光学数据，用偏最小二乘 法进行统计分析生菜中硝酸盐的含量。徐琳26等用FT IR技术对蔬菜表面残留的 氯氤菊酯进行分析，并研究氯氤菊酯在白菜类蔬菜表面的残留情况。结果表明， 该法测定蔬菜表面农药残留的灵敏度高于透射光谱法，而且快速、简便、无需预 处理。4.4.2食品参假鉴定由于食品种类繁多、食品成分十分复杂，而且可能掺杂到食品中的物质也很 多，外观、组成或理化性质又比较接近的缘故，通常很难用一般的化学方法鉴别 真伪。快速鉴别食品的真伪、掺杂是当前我国食品市场监管的重要难题之一。李彦文等利用傅里叶变换近红外光谱仪，分别测定酸枣仁与其伪品滇枣 仁的红外指纹图谱。结果KBr直接压片法测定所得的图谱，在1800960cm-1间， 酸枣仁与其伪品的红外吸收峰的峰数、峰位、峰形和峰强等，存在明显差异，可 作为酸枣仁与滇枣仁的重要区别。因此可为酸枣仁与伪品滇枣仁的真伪鉴别提供 红外光谱的鉴别指标。近红外光谱用于分析肉、鱼、蛋、奶及奶制品等食品中脂肪酸、蛋白、氨基 酸等的含量，以评定其品质如;近红外光谱还用于水果及蔬菜如苹果、梨中糖 的分析30;在啤酒生产中，近红外光谱被用于在线监测发酵过程中的酒精及糖 分含量314.4.3食品内部质量的评定传统的水果和蔬菜的质量都是根据一些外部参数，如颜色、形状、大小、伤 痕来评定的。近年来一些内部参数，如甜度、脆度以及内部有无病虫害等，在质 量评定中变得越来越重要，而通过红外技术可以实现这些参数的准确、快速的测 量。例如水心病是苹果常见的一种生理失调症状，该病大都发生在果核周围，呈 辐射状。2003年，韩东海等选用近红外光进行了检测，得到的连续光谱清晰直观 的反映了苹果的病变程度32。4.5在环境科学方面的应用4.5.1水环境监测在水体污染中，有机污染物是主要物质，化学需氧量（COD）是最常用、最 重要的表征有机污染程度的指标之一。传统的COD测量方法 重铭酸盐法，操 作复杂，测定时间长，产生二次污染，不适合于在线、实时测量。为此，何金成 等开发了运用近红外光谱法测量废水COD的方法。对水样近红外光谱用偏最小二 乘法（PLS）回归建模，分别建立标准水样和废水样的COD预测模型。近10年来，GC-FTIR联用技术在各种复杂混合物的实际分析鉴定中得到广 泛应用。使用GC- FTIR分析化工厂废水中的二氯甲烷提取液，GC分离出对二氯 苯、间氯代硝基苯、对氯代硝基苯、邻氯代硝基苯、3, 4-二氯代-6-硝基苯 胺、三氯代硝基苯、烷基酞酸酯和磷酸三苯酯等，比GC-HPLC的灵敏度高23个 数量级，还可以鉴别溢油污染源。如果扫描波数在200800cm-i之间，还可以测 定艾试剂、高丙体六六六、DDT、P, P - DDT、乙滴涕、狄试剂、七氯和六氯 苯等有机氯农药，Seyama等还测定了水中的正己烷。4.5.2固体环境监测镉是土壤中污染程度最严重的金属之一。利用微生物治理镉污染已成为研究 的热点。刘爱民等采用红外光谱与原子吸收光谱分析菌株对Cd2+的积累，结果表 明，在低浓度Cd2+溶液中菌株细胞对Cd2+的积累主要靠细胞壁上-NH2与Cd2+配 位结合；在高浓度Cd2+溶液中，细胞壁上-NH2，-OH , -COOH, -PO4 , -M-O （O-M-O）基团吸附Cd2+的能力显著。Mn2+可以增加细胞壁上有效官能团活性， 提高Cd2+积累率。但当有Zn2+ , Pb2+ , CU2+重金属共存时，即使有Mn2+存在，菌 体对Cd2+吸附积累能力未见提高。通常使用高效液相色谱法检测农药中有效成分 毗虫啉的含量。马国欣等采用红外光谱法直接测定农药中毗虫啉含量，样品使用 KBr压片法。毗虫啉标准品和商品毗虫啉农药的红外光谱对照实验表明：毗虫啉 在939.12 cm-i处的吸收峰不受农药中其他成分的干扰，可以选择此峰为定量分 析波数。毗虫啉红外光谱在94792 518 cm-i处的峰面积与其净含量满足线性方 程Area=1.3665X 10-1+2.37X 10-2Xc,相关系数时0.99953。结论是利用红外 光谱快速检测农药中有效成分毗虫啉含量的方法是可行的，可以替代常规的理 化分析，能够满足快速分析的需要。4.5.3气体环境监测徐亮等设计了一套用于环境气体分析的长开放光路傅里叶变换红外光谱系 统。该系统具有往返250 m的开放式长距离采样光程，使用一台分辨率为1cm-1 的傅里叶变换红外光谱仪测量采样路径内的大气透过率光谱，然后进行非线性 最小二乘光谱拟合，计算出待测组分浓度。实验部分通过选择特定波段分析了污 染空气中CH4, CO, N2O和CO2的浓度，拟合残差的均方根误差小于1%。结果表 明，该系统的结构简单，光路易于校准，环境适应性良好，测量速度快,采样范 围广，可用于探测大气中一些重要的痕量和微量组分，开展较大区域的环境气 体的监测和研究。4.6石油工业的应用33红外光谱技术在石油化学中的应用是一个十分广泛的领域，如在重油的组 成、性质与加工方面，应用IR表面自硅胶色谱得到的胶质和沥青质。红外光谱法在润滑油及其应用方面的进展体现在：用于鉴别未知油品和标 定润滑油的经典物理性质(如粘度、总酸值、总碱值)；被纳入以设备状态监测为 目的的油液分析计划，用于表征在用油液的降解和污染程度；油润滑表面摩擦 化学过程及产物的原位监测与表征。红外光谱法应用于轻质油品生产控制和性质分析方面的主要进展包括：应 用红外光谱预测汽油的辛烷值，应用IR测定汽油中含氧化合物的含量。此外， 还应用ATR FT - IR GC联用测定汽油中的芳烃的含量。5、结论：红外光谱技术的研究与应用尽管在我国起步较晚，但在农副产品、食品、环 境科学及石油化工领域的研究应用取得很大的进展，随着仪器和光谱处理化学 计量学软件的国产化及各类应用模型的开发，红外光谱作为一种绿色、快速、高 效、适合在线的分析技术将会在更多的领域得到开发和应用。1 .曾泳淮，林树昌.仪器分析M.北京：高等教育出版社，2004.2 .李英华等.红外光谱技术在环境科学中的应用与展望J.光谱学与光谱 分析，2008,28(10):25.3 .徐美娟等.制浆造纸工业中红外光谱技术的应用J.黑龙江造纸,2003(2):68.4 .刘士亮.ZDPM型液压盘磨机中浓打浆生产应用.中国造纸，2000(4):14 18.6 .刘士亮.中浓打浆对废纸浆的优化处理.中华纸业，2002(10) : 3839.7 .阎东波.纸页匀度的一种表征方法.中国造纸，1997(6) : 610.8 .齐伟红，尚少革.2235红外水分传感器的使用及维护.纸和造纸,2000(6)9 .Kiiskinen H.T. , Kukkonen H. 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