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红外光谱定量上的实际应用


红外光谱在实际中的应用

红外光谱在实际中的应用 红外光谱在实际中的应用
毛志强 化学与生命科学学院 化学 0802 班 学号:200823140211

摘要: 摘要:本文介绍了红外光谱的最新发展,阐述中红外光谱法(MIR),近红外分析 法(NIR)的基本原理,比较了二者红外光谱定性,定量分析的基本原理和方法,对新 近发展的近红外光谱分析法中漫反射光谱法和透射光谱法做出了简介,列举其在 日常生活和工业生产上的应用,对红外光谱分析法的发展前景做出展望。 关键词: 关键词:中红外光谱法(MIR);近红外分析法(NIR);漫反射光谱法;透射光谱法;红 外光谱定性;定量分析

前言
红外光谱是是由于分子在振动能级(包括转动能级)间跃迁产生的吸收光谱。红 外光介于微波区和和可见光区之间,根据波长不同,分为三个区段:近红外区 ,中红外区(4000cm-1 —400cm-1 ),远红外区(400cm-1 (13000 cm-1—4000cm-1 ) —10cm-1) 。其中,中红外区是绝大多数有机化合物或药物的基频吸收区,是红外 光谱研究的主要区段。近红外区是 OH,NH 和 CH 的倍频或组频吸收区,近年来其 应用和发展异常迅猛,越来越受人们重视,有人认为这一发展“是一场分析技术 的革命[1]” 。

在过去近半个世纪里,因为该区域吸收信号弱,谱峰重叠,解析困难,几乎没 有对该区域进行应用开发的研究。仪器的数字化和化学计量学的发展解决了光谱 信息的提取和背景干扰,并且取得了巨大的成就。由于该区域的官能团 OH,NH 和 CH 几乎覆盖绝多数部分的化工产品,农牧业产品,所以红外分析技术可应用于石 油化工,基本有机工业,精细有机化工,制药,生物体液分析,食品,饮料,烟 草,纺织,造纸和化妆等行业。同时它也是政府质量监督部门,环境保护部门常 规监控分析的有力手段。 本文着重对应用比较广泛的傅里叶中红外光谱法 (MIR) , 近红外光谱法(NIR)原理和应用及其优点和缺陷进行了介绍[2]。

正文

1

红外光谱在实际中的应用

1 红外光谱法
1.1 基本原理 红外光谱法和紫外可见分光光度光谱法定量分析基础都是基
于朗伯-比尔定律 A=εbc

其中 A 表示吸光度,ε表示消光系数,b 表示光程,c 表示浓度。A 具有加和 性,对于多组分体系 A=A1+A2

1.2 定量分析方法
1. 峰高法是通过直接测量吸收峰的峰高即吸光度, 根据朗伯一比耳定律求出 其浓度。 2.因子分析法,即利用多元统计学方法找出因子(组分)数目和组分浓度 的分析方法,主要包括因子分析法(PFA)或主组分分析法(PCA)。 3. 漫反射光谱定量分析法。漫反射傅立叶变换红外光谱法是新近发展起来 的一种红外光谱技术,可用于许多微量物质的分析和检测,具有相当高的灵敏度。 一般漫反射的谱峰的相对强度与样品浓度不成比例,不能使用朗伯-比尔定律定 量。为了进行定量测试,可通过Kubelka-Munk函数转换,公式如下: f(R∞)=(1- R∞)/ f(R∞)Kubelka-Munk函数 Z R∞=2.303εc/S R∞ 样品反射率与Ku反射率之比, ε样品克分

子消光系数, c 样品浓度, S 散射系数。
n

4.导数光谱法。根据朗伯一比耳定律:A=εbc将A对λ求导有:D =d ε/d λnbc=Kbc式中:D为组分在波长入处的响应值,即吸光度,K为导数的吸光系数,c 为组分的浓度,b为比色皿厚度[3]。

2. 中红外光谱法(MIR) 中红外光谱法( )
中红外光谱法测定波数在4000cm-1—400cm-1 , 有机物官能团基频吸收大多集 中这一区间,因而多用作官能团的鉴别和物质结构的推断。实际生活中在未知物 质的鉴定和已知物质质量检验中得到广泛的应用。 如相关文献报道葡萄酒[4], 白酒 品质的比较[5],也可利用测定C=O,CONH,CN的吸光强度比较奶粉品质的高低[6], 在环境监测上也可方便用于空气中CO,CO2,NO的含量的测定[7],玉器真伪的鉴定 等。由于红外分析具有样品制备简单、分析速度快,实现非破坏性和非污染性的

2

红外光谱在实际中的应用

测定,费用较低,应用范围广。傅里叶变换红外光谱(FTIR)已经广泛应用于医 药[8]、材料、环境、法庭科学、矿物地质、煤炭石油工业[9],以及生产过程及质量 控制等方面,并取得了较大的进展。

近红外光谱分析法(NIR) 3. 近红外光谱分析法(NIR)
近红外光谱分析法的测定波数在13000 cm-1—4000cm-1,这区间主要是OH,NH 和CH组频和倍频吸收峰。NIR的发展经历了三次高潮[10],20实际50 年代,NIR开 始出现,但由于其分析灵敏度低,抗干扰差,一直被人们冷落,直到20世纪90年 代NIR才蓬勃发展起来。 近红外光谱的分析测定技术分为透射光谱法和反射光谱法两大类。透射光谱 法一般用于均匀透明的真溶液或固体样品,分析光在样品中经过的路程一定。若 分析对象样品是乳液体系,样品中的乳液颗粒对光产生散射效应,此时需要采用 反射光谱分析。物体对光的反射分为规则反射光(镜面反射)与漫反射。一般对固 体和半固体采用漫反射的测量方法。当入射光照在物质颗粒的表面,一部分光从 固体表面反射,这种镜面反射不能提供有关样品的信息;而另外一部分光则射入 样品的内部,经过多次反射、折射、衍射、吸收后返回到样品的表面,这种反射 称为漫反射。漫反射是分析与样品内部分子发生作用以后的光,漫反射光携带有 丰富的样品结构信息[11]。

3.1 3.1 定量分析过程
应用近红外光谱技术的关键就是在化学成分和光谱吸收间建立一种定量关系, 依靠这种关系,就能从未知样品的NIR光谱中求出样品的成分和含量,然后应用建 立的数学模型预测其品质。近红外光谱定量分析步骤如下:(1)选取一组具有代表 性的,已知化学测定值的样品作为校准集,测量出其近红外光谱,建立化学测定 值和近红外光谱之间的定量数学模型(校准模型); (2)取另一组已知化学测定值的 样品作为预测值,扫描出其近红外光谱,将光谱值代人校准方程,得到样品的预 测值,用预测值和化学测定值的相关系数和相对标准偏差来衡量所建立的模型的 可靠程度; (3)若所建的校准方程稳定可靠, 即可用此模型来对未知样品进行测定。
[12]

3.2 3.2 优点和不足 优点

3

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1.分析过程简单、快速。 2.操作简单、费用低。 3.测试重现性好,可用于样品的定性、定量分析。 4.便于实现在线分析。由于光纤技术的介入,近红外在线分析和遥测技术 得以发展。该技术在食品加工业、农业、石油化工、制药与临床医学过程控制与 监测方面得以广泛的应用。近红外在线分析技术今后将向专用化、小型化方向逐 步发展。 不足 1.近红外光谱峰出现的频率范围低,吸收峰数目多、重叠严重、谱带复杂; 吸收强度较弱,光谱的信噪比低。 2.近红外光谱容易受到测量条件(如温度、仪器)、样品状态(如溶剂效应)等 外界因素的影响。 3.不适用于痕量分析和分散性样品的分析。

3.4 3.4 应用举例
农药有效成分的测定[13],头孢类药物检测[14],中药麝香的真伪鉴定[15 ,三聚氰
]

胺的检测[16],粮食作物种子活性[17],血液成分分析[18],混合物含量的测定[19]的研 究等。

4 小结
由于红外光谱法具有取样少,速度快,操作简单方便,可对多种组分无损伤[20], 无污染检测,结果精确可靠,使其在食品,医药,产品检测,原料在线分析等的 广泛应用。随着计算机和软件技术的发展,红外光谱分析技术将会有更广泛的应 用,带来巨大的社会和经济效益。

参考文献
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红外光谱在实际中的应用

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