红外光谱技术及其应用进展

红外光谱技术及其应用进展

苏雄200910835319

集宁师范学院化学系09级化学3班内蒙古乌兰察布市 012000

摘要

波数13000~10cm-1或波长0.75~1000μm之间称为红外区，在此范围内的物质吸收红外辐射后，因分子振动、转动、或晶格等运动产生偶极矩变化，形成可观测的红外光谱。红外光谱技术的发展进程和红外光谱技术分析速度快，分析效率高，分析成本低，测试重现性好等特点。红外光谱技术在制浆造纸工业中木素的定性和结构分析、木素的定量分析、研究纤维素的结晶结构、测定纸浆Kappa 值等，以及在临床医学和药学方面，农业方面，以及食品方面在食品中农药残留检测、环境科学中水环境监测、固体环境监测、气体环境监测，石油工业中对于油品成分，含量等方面的分析有广泛应用。

关键词

红外光谱；特点；应用

引言

分子振动、转动、或晶格等运动产生偶极矩变化，形成可观测的红外光谱。红外光谱广泛应用于分子结构的基础研究和化学组成的分析领域, 对有机化合

物的定性分析具有鲜明的特征性。因此，红外光谱有化合物“指纹”之称，是鉴定有机化合物和结构分析的重要工具。由于其专属性强各种基因吸收带信息多，固可用于固体、液体和气体定性和定量分析[1]。由于用红外光谱作样品分析时基本不需要处理，且不破坏和消耗样品，自身又无环境污染，因而被广泛运用，目前红外光谱广泛已应用于制浆造纸工业、临床医学和药学方面、农业方面、食品方面、环境科学、石油工业等学科领域，并随着技术和研究的深入越来越受到重视。

1、红外光谱法的基本原理

红外吸收光谱是由分子振动能级的跃迁同时伴随转动能级跃迁而产生的，因此，红外光谱的吸收峰是有一定宽度的吸收带。物质吸收红外光应满足两个条件，即辐射应具有刚好能满足物质振动能级跃迁时所需的能量；辐射与物质之间有偶合作用。因此当一定频率的红外光照射分子时如果分子中某个基团的振动频率与其一致，同时分子在振动中伴随有偶极矩变化，这时物质的分子就产生红外吸收。

分子内的原子在其平衡位置上处于不断振动的状态，对于非极性完全对称的双原子分子，分子振动并不引起偶极矩的改变，因此它与红外光不发生偶合，所以不产生红外吸收；当分子是一个偶极分子，由于分子中的振动使得正负电荷中心距离的瞬间值不断改变，因而分子的偶极矩也不断改变，分子的振动频率与分子的偶极矩的变化频率相匹配时，分子的振动才能与红外光发生偶合而增大其振动能，使得振幅加大，即分子由原来的振动基态跃迁到激发态。可见并非所有的振动都会产生红外吸收。凡能产生红外吸收的振动，称为红外活性振动，否则就是红外非活性振动。

除了对称分子外，几乎所有具有不同结构的化合物都有不同的红外光谱。谱图中的吸收峰与分子中各基团的振动特性相对应，所以红外吸收光谱是确定化学基团、鉴定未知物结构的重要工具之一。

2、红外光谱仪的发展进程[2]

红外光谱仪的发展共经历了三代。第一代是基于棱镜对红外辐射的色散而实现分光的, 属棱镜式红外分光光度计。其缺点是光学材料制造费事, 分辨本领较低, 而且仪器要求严格(恒温恒湿) 。第二代是基于光栅的衍射而实现分光的, 属光栅式红外分光光度计, 与第一代相比, 分辨能力有很大提高, 且能量较高, 价格便宜, 对恒温、恒湿要求不高, 是红外分光光度计发展的方向。随着电子技术的发展, 出现了第三代红外光谱仪, 这就是基于干涉调频分光的傅里叶变换红外光谱仪, 它的出现为红外光谱的应用开辟了许多新的应用领域。目前, 傅里叶红外光谱分析是近代环境科学分析技术中的一个重要手段, 主要用于环境污染监测、突发性污染控制和污染物质分析。根据波数范围可分为近红外( 13 000~ 4000 cm-1)、中红外(4000~ 400cm-1) 和远红外(400~ 100cm-1)区域。

3、红外光谱技术的特点

红外光谱技术之所以能成为现代结构化学、分析化学最常用和不可缺少的工具，以及近年来发展最快的谱学方法之一，是由其技术特点所决定的，红外光谱分析的主要技术特点如下：

（1）分析速度快，由于光谱的测量过程一般可在1min内完成（多通道仪器可在1sec之内完成），可迅速测定出样品的组成或性质。

（2）分析效率高。通过一次光谱的测量和已建立的相应的校正模型，可同时对样品的多个组成或性质进行测定。在工业分析中，可实现由单项目操作向车间化多指标同时分析的飞跃，这一点对多指标监控的生产过程分析非常重要，在不增加分析人员的情况下可以保证分析频次和分析质量从而保证生产装置的平稳运行。

（3）分析成本低。红外光谱在分析过程中不需要消耗样品，自身出消耗一点电外几乎无其他消耗，与常用的标准或参考方法相比，测试费用可大幅度降低（4）测试重现性好。由于光谱测量的稳定性，测试结果很少受人为因素的影响，与标准或参考方法相比，红外光谱一般显出更好的重现性。

(5)现代红外光谱分析也有其固定的特点，一是测试灵敏度相对较低，这主要是因为红外光谱作为分子振动的非谐振吸收跃迁几率较低。二是一种间接分析技术方法所依赖的模型必须事先用标准方法或参考方法对一定范围内的样品测定出组成或性质数据。因此模型的建立需要一定的化学计量学知识、费用和时间，另外分析结果的准确性与模型建立的质量和模型的合理使用有很大的关系。

4、红外光谱技术的应用

4.1、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700 ~1900cm-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[4],均取得较好的结果。

4.2、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[3], 烟草、咖啡的分类[14]、农产品产地来源鉴别[5]，还用于检测可耕土壤的物理和化学

变化[6]，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[7]。

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[7]。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[8] ; 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[9]。

5、展望

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。

参考文献：

[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].黑龙纸,2003(2):6~8.

[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.

[5] 刘士亮. 中浓打浆对废纸浆的优化处理. 中华纸业, 2002(10) : 38~39.

[6] 阎东波. 纸页匀度的一种表征方法. 中国造纸, 1997(6) : 6~ 10.

[7] 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)

[8] Kiiskinen H.T. , Kukkonen H. K. , Pakarinen P. I. et al . Infrared

themographyexamination of paper structure. Tappi J. , 1997, 80(4) : 159 ~162.

[9] D Gyula, J Janos and V N Ist van. Near Infrared Spectroscopy, Th e

Future Waves, 7th Proc. Int .Conf . Near Inf rared S pect

roscopy,Davies A M Cand William s Phil, 1996: 353~ 356.