中红外光纤光谱法在化学反应过程中的应用
红外吸收光谱法的应用
红外吸收光谱法的应用学生姓名：***班级：09040341学号：**********指导老师：马文斌老师红外吸收光谱法的应用摘要：简要介绍了红外吸收光谱的情况，并介绍了傅里叶变换红外吸收光谱仪。
近十多年来，随着红外仪器的改良，新的光谱理论和光度分析方法的建立，特别是计算机技术和化学计量学的广泛应用和迅速发展，使红外光谱技术成为目前发展最快、最引人注目的分析技术，并以其简单快速、实时在线、无损伤无污染分析等特点，在复杂物质的分析上得到广泛应用。
在包括制糖和制药的许多与化学分析和品质管理有关的行业中的应用前景极其广阔。
本文重点分别从定性、定量、未知物结构测定等方面分别介绍了红外吸收光谱法的应用，并举出在医学、化学等等方面的最新应用实例。
一、红外吸收光谱1.1红外吸收光谱的历史太阳光透过三棱镜时，能够分解成红、橙、黄、绿、蓝、紫的光谱带；1800年，发现在红光的外面，温度会升高。
这样就发现了具有热效应的红外线。
红外线和可见光一样，具有反射、色散、衍射、干涉、偏振等性质；它的传播速度和可见光一样，只是波长不同，是电磁波总谱中的一部分。
（图一）、波长范围在0.7微米到大约1000微米左右。
红外区又可以进一步划分为近红外区＜0.7到2微米，基频红外区（也称指纹区，2至25微米）和远红外区（25微米至1000微米）三个部分。
1881年以后，人们发现了物质对不同波长的红外线具有不同程度的吸收，二十世纪初，测量了各种无机物和有机物对红外辐射的吸收情况，并提出了物质吸收的辐射波长与化学结构的关系，逐渐积累了大量的资料；与此同时，分子的振动――转动光谱的研究逐步深入，确立了物质分子对红外光吸收的基本理论，为红外光谱学奠定了基础。
1940年以后，红外光谱成为化学和物理研究的重要工具。
今年来，干涉仪、计算机和激光光源和红外光谱相结合，诞生了计算机－红外分光光度计、傅立叶红外光谱仪和激光红外光谱仪，开创了崭新的红外光谱领域，促进了红外理论的发展和红外光谱的应用。
红外反射光谱原理实验技术及应用
红外反射光谱原理实验技术及应用(总9页)-CAL-FENGHAI.-(YICAI)-Company One1-CAL-本页仅作为文档封面，使用请直接删除高级物理化学实验讲义实验项目名称：红外反射光谱原理、实验技术及应用 编写人：苏文悦 编写日期：2011-7-7一、实验目的（宋体四号字）1、了解并掌握FTIR-ATR 、FTIR-DRS 和FTIR-RAS 等红外光谱表面分析技术的原理、实验技术及应用2、比较分析FTIR-ATR 、FTIR-DRS 和FTIR-RAS 等红外光谱技术各自适用的样品、同一样品不同红外光谱的谱带位置及形状。
二、实验原理衰减全反射（ATR ）、漫反射（DRS ）和反射吸收（RAS ）都是傅里叶变换红外反射光谱，是FTIR 常用的表面分析技术。
1全反射光谱原理、实验技术及应用全反射：光由光密（即光在此介质中的折射率大的）媒质射到光疏（即光在此介质中折射率小的）媒质的界面时，全部被反射回原媒质内的现象。
很多材料如交联聚合物、纤维、纺织品和涂层等，用一般透射法测量其红外光谱往往很困难，但使用FTIR 及ATR 技术却可以很方便地测绘其红外光谱。
（1）入射角与临界角在通常情况下，光透射样品时是从光疏介质的空气射向光密介质样品的，当垂直入射（入射角θ为0°）时，则全部透过界面；当θ≠0°时，如果两者的折射率相差不大，则光是以原方向透射的，但如折射率差别较大，则会产生折射现象。
当n 2与n 1有足够的差值以上)，且入射光从光密介质(n 1)射向光疏介质(n 2 )，入射角θ 大于一定数值时，光线会产生全反射现象。
这个“一定数值”的角度称为临界角图1 入射角（θ）及折射率（n 1,n 2）对光在界面上行为的影响θc 为临界角，sin θc=n 2/n 1，也即当折射角φ 等于90°时的入射角θ称为临界角θc ，如图1，其中临界角θc 和折射率n 1和n 2有如下关系： sin θ=n 2/n 1显然，临界角的数值取决于样品折射率与全反射晶体的折射率之比，对同一种全反射晶体，不同材质的样品会有不同的临界角值，表1所列数值可看出这在ATR 和MIR 方法中必须选用远大于临界角的入射角，即sin θ>n 2/n 1,以确保全反射的产生和所获光谱的质量，本实验运用单次衰减全反射ATR 附件，反射晶体是锗，入射角固定为45°，远大于临界角。
药物分析中红外光谱法与紫外可见光谱法的比较研究
药物分析中红外光谱法与紫外可见光谱法的比较研究在药物分析领域，准确而快速地鉴定和定量分析药物成分是非常关键的。
红外光谱法和紫外可见光谱法是常用的两种分析方法。
本文将对这两种方法进行比较研究，探讨其优缺点以及适用范围。
1. 红外光谱法红外光谱法是一种基于化学物质吸收红外辐射的分析技术。
它可以用于鉴定和定量分析药物中的有机物质。
红外光谱法的优点在于：首先，红外光谱法具有高度的特异性。
不同的有机物质具有不同的红外光吸收特征，因此可以通过观察红外光谱图来准确地确定物质的组分。
其次，红外光谱法具有快速和非破坏性的特点。
只需将样品置于红外光谱仪中进行扫描，即可快速获取样品的红外光谱图，而不需要进行复杂的前处理步骤。
此外，样品在检测过程中不会受到破坏，可以保持其原有的物化性质。
然而，红外光谱法也存在一些限制。
首先，它只能用于有机物质的分析，对于无机物质以及特定的功能性基团分析并不适用。
其次，高水分样品的红外光谱可能受到水的吸收带来的干扰，需要采取适当的预处理方法。
2. 紫外可见光谱法紫外可见光谱法是一种基于物质对紫外或可见光吸收的分析方法。
它可以用于药物成分的定量分析和鉴别。
紫外可见光谱法的优点如下：首先，紫外可见光谱法具有广泛的适用范围。
它不仅适用于有机物质的分析，还适用于某些无机物质的检测。
由于许多药物成分在紫外区域具有明显的吸收峰，因此紫外可见光谱法可以用于药物成分的定量分析。
其次，紫外可见光谱法具有高灵敏度和选择性。
可以利用药物成分在紫外或可见光区域的特定波长进行定量分析，并且还可以通过建立标准曲线来确定物质的浓度。
然而，紫外可见光谱法也存在一些不足。
首先，它对样品的透明性要求较高，不能用于不透明样品的分析。
其次，在复杂的样品基质中，可能会出现干扰峰，影响分析结果的准确性。
3. 比较研究与应用红外光谱法和紫外可见光谱法在药物分析中各有优劣。
根据需要选择适合的方法进行分析可以得到更准确的结果。
红外光谱法适用于有机物质的分析，对于药物的成分鉴定非常有效。
原位电化学红外光谱
原位电化学红外光谱原位电化学红外光谱（in-situ electrochemical infrared spectroscopy，IR）是一种将红外光谱技术与电化学方法相结合的表征技术，能够对电化学过程中的化学物种的结构和反应过程进行实时监测和分析。
该技术的应用领域广泛，包括催化剂的研究、电池电极材料的表征、电化学表面反应的机理研究等。
原位电化学红外光谱通过将红外光谱技术与电化学实验技术相结合，可以在动态条件下进行观测和研究。
通常在实验中，电化学细胞中的电极是通过电解质溶液与外部光谱仪相连，通过光纤将红外光传输到电极表面或近电极区域。
当外界施加电势时，电化学反应发生，并伴随着化学物种的生成和消耗。
这些化学物种会产生特定的红外光谱响应，可以通过光谱仪将其实时监测和分析。
原位电化学红外光谱技术主要通过记录电极表面或近电极区域的红外光谱来研究电化学反应的机理和动力学性质。
不同的红外光谱信号可以与化学物种的结构特征以及原子振动模式相对应。
通过监测不同时间点的红外光谱，可以实时观察化学物种的生成和消耗，以及它们与电极表面之间的相互作用。
通过对光谱数据进行定量分析，可以得到物种的浓度变化、反应速率等重要信息。
原位电化学红外光谱技术的应用领域之一是催化剂的研究。
催化剂在电催化反应中起到了至关重要的作用，其表面结构和化学状态对反应活性和选择性具有重要影响。
通过原位电化学红外光谱技术，可以实时监测催化剂表面反应中的中间体和过渡态物种的生成和消耗，揭示催化剂表面的反应机理和催化活性中心的结构特征。
另一个重要的应用领域是电池电极材料的表征。
电池的电化学反应过程中涉及到电极材料的电荷转移、离子扩散等关键步骤，这些步骤与电极材料的结构和表面化学特性密切相关。
通过原位电化学红外光谱技术，可以实时追踪电化学反应中电极材料表面的化学物种变化，研究电极材料与电解质之间的相互作用，为电池性能的改进提供指导。
此外，原位电化学红外光谱技术还可用于研究电极表面的电化学修饰和电化学催化反应的机理研究等。
光谱学技术在化学分析中的应用
光谱学技术在化学分析中的应用光谱学是一种通过光的物理特性研究物质的科学。
随着现代光学技术的发展，光谱学已成为化学领域中不可或缺的重要工具之一。
它广泛应用于分析化学、生化学、天文学、地球化学和材料科学等领域中，能够快速、准确地检测出测试样品中的信息，从而为科学研究和工程应用提供帮助。
一、红外光谱法红外光谱学是将测试物质置于红外光源下，利用物质对红外光吸收的原理分析物质分子结构、化学键和官能团的存在状态以及其化学反应等信息的一种方法。
红外光谱法不需要专业的准备过程，而且可以测试微小、无毒的样品。
该法广泛应用于制药工业、化妆品、食品添加剂等各个领域中。
二、紫外—可见光谱法紫外—可见光谱法是将测试物置于可见光源下，通过测试物质对可见光和紫外光吸收的强度及其在各个波长下的变化，分析出材料中不同物质的化学性质、分子结构和波长等信息。
该方法广泛用于制药业、化妆品业和生物科学等领域。
三、拉曼光谱法拉曼光谱法是一种分析物质内部结构和碳基化合物的技术，它利用拉曼散射光的原理。
这种光在样品内传递时，认为光在不同的波长下通过样品后会散射成不同的光。
通过这种方法，我们可以获得测试中的其它杂质或成分等信息。
四、原子发射光谱法原子发射光谱法是一种专门用于分析元素成分的技术，在化学工业、环境科学和地质学等领域得到广泛应用。
通过原子发射光谱法，我们可以对样品中的元素进行定性、定量和分析、化学碳定性等处理。
在工业和生态方面，它能够快速、准确地检测有害物质的成分。
五、荧光光谱法荧光光谱法是一种通过激发样品产生荧光，并在荧光发射能量波长区间内进行测试的方法。
该技术广泛应用于生物化学、环境分析、光学物理学和工业材料中。
荧光光谱法的优点在于可以对样品进行定量检测，且对大量样品进行了处理和分析后，得到的数据相对比较易于分析和理解。
总体而言，光谱学技术在化学分析中被广泛地应用是因为它可以快速、准确和“无损”地分析出测试材料的性质和内部成分。
当然，各种光谱学方法各有所长，科学家和工程师们需要根据实际需求掌握不同的技术和知识，以便更好地应用到实践中去。
红外光谱技术在物质表征中的应用
红外光谱技术在物质表征中的应用红外光谱技术是一种非常常用的分析技术，它可以用来研究物质的化学成分和结构，同时还可以测定物质的物理性质等。
红外光谱技术在物质表征中的应用非常广泛，特别是在化学、生物、材料科学等领域，其应用效果非常显著。
一、红外光谱技术的原理红外光谱技术是一种利用物质对不同波长的红外辐射吸收的技术。
在这个过程中，红外光谱检测仪会向样品发射一束红外辐射，样品会吸收部分红外辐射，然后仪器会测量吸收的红外辐射强度。
根据吸收谱图的曲线，可以确定样品的化学成分和分子结构，从而得出有关样品的详细信息。
二、红外光谱技术在化学研究中的应用红外光谱技术在化学研究中的应用非常广泛，可以用来确定分子的基团、化学键类型和位置等。
例如，它可以分析有机分子的含氧、含氮、含硫基团等，同时还可以确定分子中的双键、三键和芳香环。
此外，它还可以应用于生物大分子的测定，例如蛋白质和核酸分子的红外光谱研究，以及药物分析中的应用等。
三、红外光谱技术在材料科学中的应用材料科学是另一个广泛应用红外光谱技术的领域。
它可以用来分析样品的物理性质，例如热膨胀、晶体结构和热输运等。
例如，在分析材料的生长过程中，红外光谱不仅可以确定不同阶段的成分，还能揭示生长过程中的变化和过程动力学等问题。
此外，它还可以用于制备材料和质量控制过程中的表征和检测。
四、红外光谱技术的未来红外光谱技术在物质表征中的应用已经非常广泛，但是仍有许多潜在的应用场景有待开发。
例如，在环境污染分析方面，红外光谱可以快速检测空气污染物、水污染物和土壤含量等信息。
此外，红外光谱还可以在食品质量检测和过程控制中有广泛的应用场景。
总之，红外光谱技术已经在化学、生物和材料科学等领域有着广泛的应用，同时还有着许多值得探索和拓展的应用场景。
随着技术的不断进步，红外光谱技术在物质表征领域中的重要性和应用价值也将不断提高。
红外光谱技术在化学分析中的应用
红外光谱技术在化学分析中的应用红外光谱技术是一种非常重要的化学分析技术，广泛应用于物质的结构鉴定、化学成分分析、质量控制等领域。
本文将介绍红外光谱技术在化学分析中的应用，并分别从物质的结构鉴定、化学成分分析和质量控制方面进行阐述。
首先，红外光谱技术在物质的结构鉴定中发挥着重要作用。
物质的结构信息可以通过红外光谱中的吸收峰位置和峰形进行分析和判断。
每种化合物都有独特的红外光谱，因此可以根据样品的红外光谱与已知谱图进行对比，鉴定出物质的结构。
例如，对于有机化合物，红外光谱可以提供官能团的信息，如羟基、胺基、酮基等。
通过对红外光谱中峰位和峰形的分析，可以推测出化合物的官能团组成，并进一步确定其结构。
其次，红外光谱技术在化学成分分析中也有广泛应用。
化学成分分析主要是通过红外光谱中的吸收峰强度来定量分析样品中的化学成分。
对于复杂样品，可以利用红外光谱中吸收峰的强度与目标成分之间的关系建立定量分析方法。
例如，对于药物中的活性成分含量的分析，可以通过测定红外光谱中特定峰的强度来进行定量。
此外，红外光谱还可以用于鉴别样品中的杂质。
杂质的存在会导致红外光谱中特定峰的强度发生变化，根据峰的强度变化可以判断样品中是否存在杂质。
最后，红外光谱技术在质量控制中也有重要应用。
由于红外光谱技术具有非侵入性、快速、无需样品准备等优点，因此可以在生产线上进行实时监测，确保产品质量的稳定和一致性。
例如，红外光谱可以用于药品中有害物质的检测，如重金属离子、杂质等。
通过对比样品的红外光谱与已知标准的光谱进行比对，可以及时发现问题样品，并采取相应的措施进行处理。
此外，红外光谱还可以用于液体和气体的质量控制。
例如，对于工业生产中的溶剂，可以通过红外光谱检测其纯度和组成，确保溶剂的质量符合要求。
总之，红外光谱技术在化学分析中具有广泛的应用。
通过对红外光谱的分析，可以鉴定物质的结构、分析化学成分以及进行质量控制。
作为一种非常重要的分析工具，红外光谱技术在化学领域中发挥着重要作用，为科学研究和工业生产提供了强有力的支持。
红外光谱技术在表面化学及材料科学中的应用研究
红外光谱技术在表面化学及材料科学中的应用研究红外光谱技术是一项重要的非破坏性分析技术，被广泛应用于化学和材料科学领域。
它可以用于分析各种不同类型的样品，包括化合物、聚合物、液体、固体和气体。
这种技术的基本原理是通过测量材料吸收红外辐射的频率和强度，来确定样品中的化学组成和分子结构。
在表面化学及材料科学的应用研究中，红外光谱技术是一种非常有用的工具。
本文将介绍红外光谱技术在表面化学及材料科学中的应用研究。
1. 表面化学表面化学是研究材料表面特性及其与周围环境的相互作用的领域。
红外光谱技术可以用于表征表面吸附剂、氧化物、膜和细胞等体系的相互作用。
下面介绍一些具体应用。
1.1 表面吸附剂的检测很多表面现象如吸附、润湿和粘附等都可以控制材料在某些应用中的特殊性能。
表面吸附剂是影响材料表面特性的一种重要因素。
红外光谱技术可以用于表征表面吸附剂的类型和行为，包括其在表面结构的定量测量。
例如，对于研究纳米颗粒表面吸附层结构的应用研究中，可以通过表面等离子共振光谱和红外光谱技术进行表面形貌和吸附层结构的分析和表征。
1.2 表面氧化物的检测表面氧化物在不同材料中有着不同的形成机制以及对材料性能的重要影响。
红外光谱技术可以使用ATR全反射技术来表征氧化物和其他表面杂质的存在和结构。
例如，在催化剂研究领域中，红外光谱技术可以用来研究催化剂表面化学和氧化性质，以及化学反应机理的分析。
2. 材料科学材料科学是一门交叉学科，涉及各种材料的设计、制备、表征和应用。
在材料科学领域，红外光谱技术广泛应用于聚合物、水凝胶、液晶材料等复杂材料的表征和分析。
下面介绍一些具体应用。
2.1 聚合物表面性质的研究聚合物是一种常见的材料类型。
它们用于制备各种复杂的材料，如纤维、塑料、胶粘剂等。
红外光谱技术可以用于表征聚合物表面性质的变化，包括表面化学反应和结构变化。
例如，在研究常用掺沙聚合物阳离子改性剂的过程中，可以通过红外光谱技术来确定聚合物溶液的聚合度和改性剂的结构。
红外光谱分析在化学中的应用
红外光谱分析在化学中的应用红外光谱分析是一种常用的化学分析技术，通过测量物质在红外光波段的吸收情况，可以得到物质的结构信息和成分组成。
红外光谱分析在化学领域有着广泛的应用，可以用于物质的鉴定、结构表征、质量控制等方面。
本文将介绍红外光谱分析在化学中的应用，并探讨其在不同领域的具体应用案例。
一、物质鉴定红外光谱分析在物质鉴定方面具有独特的优势，可以通过物质在红外光谱上的吸收峰来确定其分子结构和功能团。
例如，有机化合物的红外光谱中的C-H、O-H、C=O等吸收峰可以帮助确定化合物的结构类型和功能团。
通过与数据库比对或标准品对照，可以准确地鉴定未知物质的成分和性质。
这在药品、食品、化妆品等行业的质量控制和产品鉴定中有着重要的应用。
二、结构表征红外光谱分析可以用于有机化合物、高分子材料、金属配合物等物质的结构表征。
通过观察红外光谱中的特征峰和吸收带，可以推断物质的分子结构、键合方式和构象信息。
例如，聚合物的红外光谱可以反映其分子链的取向、键合类型和杂质情况，有助于研究材料的性能和应用。
红外光谱还可以用于研究催化剂的表面结构和反应机理，为催化剂设计和优化提供重要参考。
三、质量控制红外光谱分析在化学工业中广泛应用于质量控制和过程监测。
通过建立标准曲线或定量分析方法，可以利用红外光谱对原料、中间体和成品进行快速准确的定量分析。
例如，红外光谱可以用于检测食品中的添加剂、药品中的杂质、化工产品中的反应产物等。
在环境监测和生物医药领域，红外光谱也被广泛应用于水质分析、土壤检测、生物标本鉴定等方面。
四、应用案例1. 药品质量控制：利用红外光谱对药品中的活性成分进行定量分析，确保药品的质量和安全性。
2. 食品安全检测：通过红外光谱对食品中的添加剂、农药残留等进行快速检测，保障食品安全。
3. 环境监测：利用红外光谱对大气、水体、土壤中的污染物进行监测，评估环境质量和生态风险。
4. 新材料研发：通过红外光谱对材料的结构和性能进行表征，指导新材料的设计和合成。
仪器分析红外光谱法
仪器分析红外光谱法红外光谱法是一种常用的仪器分析方法，可以用于分析物质的组成和结构。
本文将详细介绍红外光谱法的原理、仪器设备和应用领域，并对其中的一些关键技术进行探讨。
红外光谱法是一种基于化学键振动的分析技术。
通过测量样品在红外辐射下的吸收光谱，可以获得有关样品分子的信息。
红外辐射的波长范围为0.78-1000微米，对应的频率范围为12.82-3000THz。
在这个频率范围内，物质的分子会吸收特定波长的辐射能量，这些吸收峰对应着不同的化学键振动。
通过比较样品的吸收光谱和标准库中的光谱，可以确定样品的组分或结构。
红外光谱仪是进行红外光谱分析的关键设备。
它主要由光源、样品室、光谱分束系统和探测器组成。
常见的光源有红外灯、光纤波导和测量系统本体产生的光源，它们的特点是辐射能量可见、红外或拉曼光谱区域。
光谱分束系统可以将样品吸收的红外光谱分解为连续光的波长与光强分布的结果，常用的分束器有棱镜和光栅两种。
光谱分束系统将被分解的光聚集到一个探测器上进行测量，常见的探测器有热电偶、焦平面阵列、差分红外探测器等。
根据实际需要，还可以配备测光计、计算机等辅助设备，以提高测量的准确性和效率。
红外光谱法在实际应用中有广泛的用途。
它可以用于各种领域的研究和分析，如化学、材料科学、制药、食品科学等。
红外光谱法可以用于分析有机化合物、无机物质、生物大分子等类型的样品。
在有机化合物分析中，红外光谱法可以确定化学键的类型、鉴别不同的功能基团、判断化学结构等。
在材料科学中，红外光谱法可以用于表面分析、结构表征、聚合物反应动力学等研究。
在制药和食品科学中，红外光谱法可以用于药物质量控制、药物配方优化、食品成分分析等。
为了提高红外光谱法的测量精度和灵敏度，一些关键技术被引入到了仪器分析中。
其中，ATR技术（全反射红外光谱技术）是一种常用的技术。
它通过将样品直接置于晶体表面进行测量，避免了传统方法中液体制备和气体膜片制备的麻烦。
此外，荧光红外光谱技术也是一项重要的技术。
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Vol.33高等学校化学学报No.92012年9月 CHEMICAL JOURNAL OF CHINESE UNIVERSITIES 1964~1968中红外光纤光谱法在化学反应过程中的应用潘庆华1,2,徐怡庄1,来国桥2,刘少轩1,陈 静1,杨丽敏1,张元福1,翁诗甫1,吴瑾光1(1.北京大学化学与分子工程学院,北京100871;2.杭州师范大学有机硅化学与材料重点实验室,杭州310012)摘要 将傅里叶变换中红外光纤光谱技术分别用于液相反应体系和固液反应体系的在线监测.在液相反应体系中,监测了环烷酸皂化时形成微乳的过程,初步了解了皂化环烷酸时微乳液的形成机制;在固液反应体系中,监测了邻苯二甲酸与氯化铕的配位反应过程,探索了络合物的生成过程及组分间的相互作用.该技术有望发展成为一种实时监测化学反应过程的新方法.关键词 傅里叶变换中红外光谱;中红外光纤;环烷酸萃取体系;邻苯二甲酸铕中图分类号 O657.33 文献标识码 A DOI :10.3969/j.issn.0251⁃0790.2012.09.015收稿日期:2011⁃08⁃29.基金项目:国家自然科学基金(批准号:30371604,50203001,20171004)资助.联系人简介:俆怡庄,男,博士,副教授,主要从事分子光谱的基础研究及其在材料科学和生命科学中的应用研究.E⁃mail:xyz@ 红外光谱法是检测分子内部结构的有效手段之一,可通过特征吸收谱带的峰形㊁峰位及峰强的变化来鉴定未知物的分子结构组成及确定其化学基团的存在,是理想的定性鉴定方法.此外,红外光谱法具有样品用量少㊁分析速度快㊁不破坏试样㊁灵敏度高及重复性好等特点,已成为现代分析化学领域不可缺少的工具[1,2].但在应用此技术检测样品之前,需要选择适当的制样技术进行样品制备,再通过有关附件在红外光谱仪器上进行测试;而对于需要原位在线检测的样品[3],常规的红外附件则无法实现检测.为解决此问题,我们开发了中红外光纤附件,将其与红外光谱联用发展了新的傅里叶变换中红外光纤光谱技术[4].此技术是将从中红外光谱仪的干涉仪发射出来的红外光通过中红外光纤引入到光纤探头,并使探头与样品充分接触以获取信息,再通过中红外光纤将检测到的红外信息输送回检测器,然后进行数据处理.该技术将为红外光谱技术的应用开辟新领域.由于红外光纤具有无毒㊁不潮解㊁柔软性好㊁弯曲半径小及传输红外光能量高等优点,已被广泛用于红外光谱传输和红外辐射测温等领域以及外科医疗领域[5].中红外光纤可对远离光谱仪的样品进行检测,实现对样品的远程监控.本文将此技术分别应用于液相反应体系和固液反应体系的实时监测.在液相体系中,研究了环烷酸体系用氢氧化铵皂化时形成微乳的过程;在固液反应体系中,研究了邻苯二甲酸与氯化铕在配位反应过程中红外光谱的变化,观察到了一些新的现象,有助于深入了解该配位反应的机理.1 实验部分1.1 试剂与仪器Eu 2O 3(纯度>99.9%);浓氨水(质量分数为30%);邻苯二甲酸㊁氢氧化钠㊁环烷酸㊁正庚烷㊁正辛醇及其它试剂均为分析纯.红外光谱采用北京第二光学仪器厂生产的WQF⁃660型傅里叶变换红外光谱仪并配备自行研制的中红外光纤附件(ZKJ⁃1型)进行测定,采用液氮冷却的汞镉碲(MCT)检测器,扫描范围3600~800cm -1,分辨率8cm -1,扫描64次,每次采样前均扫描空气背景.采用OMNIC⁃5.0软件进行数据处理.中红外光纤附件由光纤耦合器(光纤接口)和光纤采样附件(光纤和光纤探头)组成,它位于红外谱仪的干涉仪与探测器之间,光纤采样附件固定在光纤耦合器上,它们与干涉仪及红外光源构成了完整的光路系统,彼此间要完全匹配.光纤耦合器的作用是将从干涉仪发射出来的平行光汇聚成小于1mm 的光斑,并聚焦到入射光纤端面上,使红外光高效耦合进入采样附件的入射光纤,并将出射光纤输出的光高效耦合进光路系统.使光束沿原光路射向红外检测器.红外光束经入射光纤㊁探头和出射光纤返回到光纤接口.将中红外光纤衰减全反射(ATR)探头放在待测样品上,并与其紧密接触即可采集到待测样品的ATR 红外光谱[6].1.2 实验过程1.2.1 液相反应的监测 将正辛醇和正庚烷依次滴加于环烷酸中,使环烷酸㊁正辛醇和正庚烷的体积比为3∶2∶5,滴加过程中采用电磁搅拌,并分别采集环烷酸及正辛醇和正庚烷加入前后的红外光谱.待上述溶液混合均匀后,逐滴加入浓氨水,每滴加2滴(约0.10mL)采集1次光谱,通过中红外光纤在线实时监测体系红外光谱的变化.1.2.2 固液反应的监测 将一定量的Eu 2O 3溶于微过量的盐酸(用体积比1∶1的水稀释)中,加热,直至Eu 2O 3全部溶解,继续加热除去多余的盐酸,调节pH 值至5~6,直至EuCl 3㊃6H 2O 晶体析出.将EuCl 3㊃6H 2O 和邻苯二甲酸(摩尔比为2∶3)分别溶解于6mL 无水乙醇中,再将与邻苯二甲酸摩尔比为2∶1的氢氧化钠溶解于2mL 去离子水中备用.分别采取下述2种实验步骤:(1)先将EuCl 3㊃6H 2O 的乙醇溶液逐渐滴加于邻苯二甲酸的乙醇溶液中,再将2mL 氢氧化钠水溶液滴加于上述反应溶液中;(2)先将2mL 氢氧化钠的水溶液滴加于邻苯二甲酸的乙醇溶液中,再将EuCl 3㊃6H 2O 的乙醇溶液逐滴加入上述反应溶液中.通过中红外光纤实时监测上述的反应体系红外光谱的变化.2 结果与讨论2.1 傅里叶变换中红外光纤光谱技术在液相反应中的应用在稀土分离工业中,环烷酸是最重要的羧酸萃取剂之一,由于环烷酸具有来源丰富㊁价格低廉㊁萃取平衡酸度低及易反萃等优点,对于其系列萃取剂的研究已有大量报道[7~9].环烷酸萃取剂需要在环烷酸萃取体系中加入一定量的浓氨水进行皂化,形成微乳液后才能有效萃取,但是对于环烷酸萃取体系皂化过程的机理及分子结构变化的研究报道并不多.Fig.1 FTIR spectra on the saponification process of naphthenic acid⁃octyl alcohol⁃heptane using am⁃monium hydroxidea .Naphthenic acid;b .adding n ⁃octyl alcohol;c .addingn ⁃neptane;d g .adding aqueous ammonia gradually.本文研究了环烷酸萃取体系用氨水皂化时形成微乳的过程.在此体系中,环烷酸与正辛醇和正庚烷组成油相,其中正辛醇为助萃取剂,正庚烷代替生产中的煤油作为溶剂,这2种溶剂的加入使萃取剂的流动性增强,有利于萃取过程的进行.将氨水加入上述的油相中,使其与环烷酸萃取体系发生作用,形成了油包水外观透明呈一相的微乳液.通过中红外光纤在线监测了微乳液的形成过程,并记录整个过程的系列红外光谱.溶液中红外光谱的变化可以反映体系中组分的结构变化,从而更好地了解该微乳体系的生成过程.图1谱线a 为环烷酸的红外光谱,谱线b 为正辛醇加入环烷酸的红外光谱,谱线c 为油相(环烷酸㊁正辛醇和正庚烷)的红外光谱,谱线d ~g 为氨水滴加入油相后所记录的红外光谱图.由图1谱线a 可见,1703cm -1附近有1个强吸收峰,为环烷酸中羧基( COOH)的伸缩振动峰;942cm -1附近的吸收峰归属为环烷酸的羟基面外弯曲振动,说明体系中环烷酸分子主要以二聚体的形式存在;1414cm -1处的吸收峰是环烷酸羧基的对称伸缩振动峰.观察图1谱线b 和c 发现,1703cm -1处的吸收峰移至1708cm -1处,1414cm -1处的吸收峰强度减弱,低于1377cm -1处的吸收峰,这是由于正辛醇的羟基与环烷酸的羧基之间的氢键作用造成的.氨水加入油相中进行皂化反应的过程则如图1谱线d ~g 所示,可见在此过程中,1708cm -1处的羧基伸缩振动峰逐渐减弱,在图1谱线e 中,5691 No.9 潘庆华等:中红外光纤光谱法在化学反应过程中的应用发生分裂形成1711和1685cm -1的弱吸收峰,说明氨水的加入破坏了环烷酸的二聚结构,同时在1548cm -1处产生1个新的吸收峰,并逐渐增强,为羧酸盐COO -的反对称伸缩振动峰;1414cm -1处的吸收峰向低波数移至1404cm -1处,且其强度逐渐增强,最后明显高于1382cm -1处的吸收峰,1404cm -1处的吸收峰归属为羧酸盐COO -的对称伸缩振动.由此可见,随着氨水的加入,环烷酸的羧基伸缩振动峰逐渐减弱至消失,同时铵离子的皂化使羧基COO -的反对称伸缩振动峰和对称伸缩振动峰分别移至1548和1404cm -1处,并逐渐增强,说明环烷酸与氨水发生作用形成了羧酸盐.此外,随着氨水的加入,产Fig.2 Model of a dispersed aqueous droplet in the microemulsion of the saponified naphthenic acid extractant system生1637cm -1处的吸收峰,归属为水的变角振动,可能是由于水被束缚在微乳的液滴中,其变角振动由游离水的1642cm -1移至1637cm -1处.在氨水加入的过程中,整个体系一直维持透明单相,未分层及析出水相,说明体系形成了微乳,而且光谱中存在明显的发生位移的水特征峰,说明水被包含在微乳体系中(图2).通过上述环烷酸萃取体系皂化反应过程的红外光谱分析,初步了解皂化环烷酸体系时产生反胶团或微乳液的过程,对环烷酸酸盐体系的研究有助于对反胶团和微乳形成的机制及萃取过程的了解.中红外光纤在此过程中的应用说明傅里叶变换中红外光纤光谱法有望发展成为在线实时监测液相体系化学反应过程的一种新方法.2.2 傅里叶变换中红外光纤光谱法在固液平衡体系中的应用自Weissman 等[10]发现用近紫外光可以激发稀土络合物发射强荧光以来,此课题的研究一直极其活跃,研究的重点多集中在发光机理㊁测试条件和方法㊁表面活性剂及不同配体的敏化和猝灭作用方面[11~13],并且相关报道只关注在一定条件下生成络合物的组成和结构[14~16],而对络合物的生成过程及各组分间相互作用的研究甚少.以往的研究[14~16]认为,邻苯二甲酸与氯化铕在中性介质中未发生相互作用,必须与碱性介质反应变成盐,才能发生离子交换形成稀土络合物.我们设计了2条实验途径:(Ⅰ)先将氯化铕加入邻苯二甲酸,再加入氢氧化钠,观察体系的中红外光谱变化(图3);(Ⅱ)按照传统方法,先将氢氧化钠加入邻苯二甲酸,再加入氯化铕,观察体系的中红外光谱变化(图4).Fig.3 FTIR study on the approach Ⅰof adding processof EuCl 3and NaOH into phthalic acida .o ⁃Phthalic acid;b d :by adding EuCl 3gradually;e and f :by adding NaOH gradually.Fig.4 FTIR study on the approach Ⅱof adding process of NaOH and EuCl 3into phthalic acid a .o ⁃Phthalic acid;b d :by adding NaOH gradually;e g :by adding EuCl 3gradually.由于反应中使用的溶剂乙醇在1120~1000cm -1范围内存在强干扰,故考察的波数范围选择为1800~1200cm -1.图3为反应途径(Ⅰ)的红外光谱图,谱线a 为邻苯二甲酸的乙醇溶液的红外光谱;谱线b ~d 为依次滴加氯化铕后溶液的红外光谱图;谱线e 和f 为依次滴加氢氧化钠后溶液的红外光谱.比较图3谱线a 和b ~d 可见,氯化铕的加入使邻苯二甲酸1703cm -1附近的羧基伸缩振动峰逐渐减弱并分裂成为1703和1720cm -1处的两峰,说明邻苯二甲酸的二聚结构被破坏;同时在1578cm -1附6691高等学校化学学报 Vol.33 近产生1个较弱的吸收峰,而1411cm -1附近羧基的对称伸缩振动峰则有所增强;体系的荧光强度在此过程中也有所增强,说明邻苯二甲酸与氯化铕发生了弱的相互作用.由图3谱线e 和f 可见,氢氧化钠的加入使邻苯二甲酸的羧基峰逐渐减弱至消失;同时1578cm -1处的特征峰移至1550cm -1处,并且增强;1411cm -1处羧基的对称伸缩振动峰向高波数移至1416cm -1处,并明显增强,强度高于1380cm -1附近的吸收峰,说明氢氧化钠的加入使体系发生了配位反应,形成邻苯二甲酸铕的稀土络合物.实验还检测了光纤探头上的稀土络合物沉淀的红外光谱,固体络合物的羧基反对称伸缩振动峰位于1539cm -1处,对称伸缩振动峰位于1414cm -1处,而光谱中1698cm -1处的特征峰说明体系未反应完全.图4为反应途径(Ⅱ)的红外光谱.图4谱线a 为邻苯二甲酸的乙醇溶液的红外光谱,谱线b ~d 为逐滴滴加氢氧化钠后溶液的红外光谱,谱线e ~g 则为逐滴滴加氯化铕后溶液的红外光谱图.由图4谱线a ~d 可见,加入氢氧化钠后,邻苯二甲酸在1703cm -1附近的羧基伸缩振动峰逐渐减弱,而在1566cm -1附近产生COO -的反对称伸缩振动峰,并逐渐增强;1411cm -1附近的羧基对称伸缩振动峰移至1405cm -1附近,且明显增强.这一过程的红外光谱特征表明,邻苯二甲酸与氢氧化钠发生成盐反应,几乎完全转化为邻苯二甲酸钠,羧基形成离子键.在上述体系中加入氯化铕后,1566cm -1附近COO -的反对称伸缩振动峰逐渐减弱,最后移至1541cm -1处;1405cm -1附近羧基的对称伸缩振动峰移至1423cm -1处,这可能是由于随着氯化铕的加入,生成的邻苯二甲酸铕以沉淀的形式从溶液中析出,溶液中羧酸根的浓度减少,导致1566cm -1附近的吸收峰减弱;而后产生的邻苯二甲酸铕少量溶解于溶液中,因此羧基反对称伸缩振动峰移至1541cm -1处并略有增强,说明羧基与稀土铕离子发生配位.用光纤探头检测了稀土荧光络合物沉淀的红外光谱,固体络合物的羧基反对称伸缩振动峰位于1535cm -1处,对称伸缩振动峰位于1418cm -1处.表明溶液中溶解的络合物的结构与所得到的沉淀稀土荧光络合物的结构存在差异,可能是由于溶液中溶剂与络合物之间存在相互作用所致.比较上述2个反应过程可见,邻苯二甲酸与氯化铕在碱性介质中的配位反应非常明显,这是常规制备络合物的方法;而中红外光纤法监测表明邻苯二甲酸与氯化铕在近中性条件下也存在着一定的相互作用,这在以往的研究中未见报道.由表1可见,在反应途径(Ⅰ)的产物中存在1698cm -1处的谱峰,与反应途径(Ⅱ)的结果不同,说明在途径(Ⅰ)的反应过程中,反应物可能未完全反应.Table 1 IR characteristic bands of the reaction system and the final product intwo approaches (1200 1700cm -1)and assignment ~ν/cm -1Phthalic acid Approach(Ⅰ),~ν/cm -1EuCl 3NaOH Product Approach(Ⅱ),~ν/cm -1NaOH EuCl 3Product Assignment17031703,17201698νs (COOH)157815501539156615411535νas (COO -)1411 1411↑ 1416↑1414 1405↑ 1423↑1418νs (COO -) 综上所述,利用中红外光纤法研究了环烷酸皂化形成微乳的反应过程,探索了微乳形成过程中各组分之间的相互作用.此外,还研究了邻苯二甲酸与氯化铕的配位反应过程,发现邻苯二甲酸与氯化铕在近中性条件下存在弱相互作用,这在以往的研究中未见报道.由此可见,傅里叶变换中红外光纤光谱技术有望发展成为一种监测化学反应过程的新方法.参 考 文 献[1] WU Jin⁃Guang(吴瑾光).Modern Fourier Transform Infrared Spectroscopy Technology and Application(近代傅里叶变换红外光谱技术及应用)[M],Beijing:Press of Science and Technology,1994[2] WENG Shi⁃Fu(翁诗甫).Fourier Transform Infrared Spectral Analysis(傅里叶变换红外光谱分析)[M],Beijing:Beijing Chemical In⁃dustry Press,2005[3] WU Gong⁃De(吴功德),WANG Xiao⁃Li(王晓丽),DONG Qing⁃Nian(董庆年),WEI Wei(魏伟),SUN Yu⁃Han(孙予罕),NI Shan(倪珊),ZHOU Xin⁃Xin(周鑫鑫).Chin.J.Anal.Chem.(分析化学)[J],2010,38(3):405 408[4] ZHANG Yuan⁃Fu(张元福),XU Yi⁃Zhuang(徐怡庄),WENG Shi⁃Fu(翁诗甫),PAN Qing⁃Hua(潘庆华),GAO Xue⁃Jun(高学军),GONG Rong⁃Ye(龚蓉晔),WU Jin⁃Guang(吴瑾光).Modern Instruments(现代仪器)[J],2009,(5):27 29[5] GAO Wen⁃Ji(高文骥),YUAN Hong⁃Fu(袁洪福),QIU Teng(邱藤),LI Xiao⁃Yu(李效玉).Chem.J.Chinese Universities(高等学7691 No.9 潘庆华等:中红外光纤光谱法在化学反应过程中的应用8691高等学校化学学报 Vol.33 校化学学报)[J],2009,30(7):1293 1299[6] ZHANG Xu(张煦),XU 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applied to trans⁃mission of IR light.The coupled technique of FTIR and mid⁃IR fiber optics can simplify the sample prepara⁃tion in traditional IR spectroscopy.Formation of new compound is observed in situ and reaction process can be monitored on line using FTIR fiber optics technique.In this study,mid⁃IR fiber optics technique was applied to liquid phase systems and solid/liquid reaction systems.In the liquid phase system,we investigated the sa⁃ponification reaction of naphthenic acid⁃octal alcohol⁃heptane and the formation mechanism of water in oil(w/o)microemulsion during saponification.The interaction between naphthenic acid and octal alcohol was observed.With adding ammonium hydroxide,the peak around1708cm-1disappeared and the peak at1548 cm-1enhanced and the peak position of water emerged and shifted to1637cm-1from1642cm-1,which is the position of water molecule in IR spectroscopy.It showed that water is constrained in aqueous droplet of naph⁃thenic acid⁃octal alcohol⁃heptane and microemulsion is formed through the saponification.In the solid/liquid reaction system,complexation reaction between o⁃phthalic acid and europium chloride was investigated.The interaction between o⁃phthalic acid and EuCl3in neural medium was ignored in previous study,but this weak interaction was observed using FTIR fiber optics technique in our present investigation.The results showed that the component and structure of the final complex were effect by the difference of adding sequence.Therefore, FTIR fiber optics technique may become a new method of monitoring chemical reaction in real time. Keywords FT⁃mid⁃IR;Mid⁃IR fiber optics;Naphthenic acid⁃octal alcohol⁃heptane;Complex of europium(Ed.:I,K)。