論文----紅外光譜在生活中的應(yīng)用及發(fā)展

1、 紅外光譜在生活中的應(yīng)用及發(fā)展摘要: 紅外光譜具有高度的特征性，不但可以用來研究分子的結(jié)構(gòu)和化學(xué)鍵，而且廣泛地用于表征和鑒別各種化學(xué)物種。紅外光譜圖譜分析作為一門先進(jìn)的技術(shù)，已經(jīng)在各個(gè)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，本文主要論述了紅外光譜分析的原理、特點(diǎn)、應(yīng)用及發(fā)展前景。關(guān)鍵詞: 紅外光譜原理特點(diǎn) 定量定性分析 質(zhì)量檢驗(yàn) 一、紅外光譜原理：電磁光譜的紅外部分根據(jù)其同可見光譜的關(guān)系，可分為近紅外光、中紅外光和遠(yuǎn)紅外光。 遠(yuǎn)紅外光（大約400-10 cm-1）同微波毗鄰，能量低，可以用于旋轉(zhuǎn)光譜學(xué)。中紅外光（大約4000-400 cm-1）可以用來研究基礎(chǔ)振動(dòng)和相關(guān)的旋轉(zhuǎn)-振動(dòng)結(jié)構(gòu)。更高

2、能量的近紅外光（14000-4000 cm-1）可以激發(fā)泛音和諧波振動(dòng)。紅外光譜法的工作原理是由于振動(dòng)能級(jí)不同，化學(xué)鍵具有不同的頻率。共振頻率或者振動(dòng)頻率取決于分子等勢(shì)面的形狀、原子質(zhì)量、和最終的相關(guān)振動(dòng)耦合。為使分子的振動(dòng)模式在紅外活躍，必須存在永久性雙極子的改變。具體的，在波恩-奧本海默和諧振子近似中，例如，當(dāng)對(duì)應(yīng)于電子基態(tài)的分子哈密頓量能被分子幾何結(jié)構(gòu)的平衡態(tài)附近的諧振子近似時(shí)，分子電子能量基態(tài)的勢(shì)面決定的固有振蕩模，決定了共振頻率。然而，共振頻率經(jīng)過一次近似后同鍵的強(qiáng)度和鍵兩頭的原子質(zhì)量聯(lián)系起來。這樣，振動(dòng)頻率可以和特定的鍵型聯(lián)系起來。測(cè)量樣品時(shí)，一束紅外光穿過樣品，個(gè)個(gè)波長(zhǎng)

3、上的能量吸收被記錄下來。這可以由連續(xù)改變使用的單色波長(zhǎng)來實(shí)現(xiàn)，也可以用傅立葉變換來一次測(cè)量所有的波長(zhǎng)。這樣的話，透射光譜或吸收光譜或被記錄下來，顯示出被樣品紅外吸收的波長(zhǎng)，從而可以分析出樣品中包含的化學(xué)鍵。2、 紅外光譜的特點(diǎn)紅外光譜儀之所以成為一種快速、高效、適合過程在線分析的有利工具，是由其技術(shù)特點(diǎn)決定的。 紅外光譜分析的主要技術(shù)特點(diǎn)如下：（1）分析速度快，測(cè)量過程大多可在1min內(nèi)完成。（2）分析效率高，通過一次光譜測(cè)量和已建立的相應(yīng)校正模型，可同時(shí)對(duì)樣品的多個(gè)組分或性質(zhì)進(jìn)行測(cè)定提供定性、定量結(jié)果。（3）適用的樣品范圍廣，通過相應(yīng)的測(cè)樣器中可以直接測(cè)量液體、固體、半固體和膠狀體等不同物態(tài)

4、的樣品光譜測(cè)量方便。（4）樣品一般不需要預(yù)處理，不需要使用化學(xué)試劑或高溫、高壓、大電流等測(cè)試條件，分析后不會(huì)產(chǎn)生化學(xué)、生物或電磁污染。（5）分析成本較低（無需繁雜預(yù)處理，可多組分同時(shí)檢測(cè)）。（6）測(cè)試重現(xiàn)性好。（7）對(duì)樣品無損傷，可以在活體分析和醫(yī)藥臨床領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。（8）近紅外光在普通光纖中具有良好的傳輸特性，便于實(shí)現(xiàn)在線分析。（9）對(duì)操作人員的要求不苛刻，經(jīng)過簡(jiǎn)單的培訓(xùn)就可勝任工作。近紅外光譜技術(shù)存在的問題是：（1） 測(cè)試靈敏度相對(duì)較低，被測(cè)組分含量一般應(yīng)大于0.1%。（2）需要用標(biāo)樣進(jìn)行校正對(duì)比，很多情況下僅是一種間接分析技術(shù)。3、 紅外光譜在生產(chǎn)生活中的研究及應(yīng)用3.1紅外光譜的定量分

5、析紅外光譜定量分析是借助于對(duì)比吸收峰強(qiáng)度來進(jìn)行的，只要混合物中的各組分能有一個(gè)特征的、不受其它組分干擾的吸收峰存在即可，其原理基于朗伯一比爾定律。定量方法主要有測(cè)定譜帶強(qiáng)度和測(cè)量譜帶面積兩種，此外也可采用譜帶的一階導(dǎo)數(shù)和二階導(dǎo)數(shù)的計(jì)算方法，這種方法能準(zhǔn)確地測(cè)量重疊的譜帶，甚至包括強(qiáng)峰斜坡上的肩峰。3.2紅外光譜的定性分析若不考慮樣品稱量、溶液配制和槽厚引起的誤差，測(cè)定吸光度所引起誤差的最佳極限值是±I，實(shí)際誤差比±1大，因此紅外光譜用得最多的是定性分析。已知物的鑒定將試樣的譜圖與標(biāo)準(zhǔn)譜圖進(jìn)行對(duì)照，如果兩張譜圖各吸收峰的位置和形狀完全相同，峰的相對(duì)強(qiáng)度一樣，就可以認(rèn)為樣品是該

6、種標(biāo)準(zhǔn)物。如果兩張譜圖不一樣，則說明兩者不為同一化合物，或樣品有雜質(zhì)。如用計(jì)算機(jī)譜圖檢索，則采用相似度來判別。未知物的鑒定 如果不是新化合物，標(biāo)準(zhǔn)光譜己有收載的，有兩種方法來查對(duì)標(biāo)準(zhǔn)光譜：利用標(biāo)準(zhǔn)光譜的譜帶索引，尋找標(biāo)準(zhǔn)光譜中與試樣光譜吸收帶相同的譜圖；進(jìn)行光譜解析，判斷試樣可能的結(jié)構(gòu)，然后由化學(xué)分類索引查找標(biāo)準(zhǔn)光譜對(duì)照核實(shí)。 新化合物的結(jié)構(gòu)分析 紅外光譜主要提供官能團(tuán)的結(jié)構(gòu)信息，對(duì)于復(fù)雜化合物尤其是新化合物，單靠紅外光譜不能解決問題，需要與紫外光譜、質(zhì)譜和核磁共振等分析手段互相配合，進(jìn)行綜合光譜解析，才能確定分子結(jié)構(gòu)。3.3中紅外光譜檢測(cè)蜂蜜摻假蜂蜜中摻入的物質(zhì)多種多樣，為其統(tǒng)一檢測(cè)帶來了一

7、定難度，常用檢測(cè)方法有：薄層層析、高效液相色譜層析(HPLC)、毛細(xì)管氣相色譜層析、離子交換液相色譜層析、核磁共振(13CNMR)等，然而上述方法既費(fèi)時(shí)，有費(fèi)力，且都有一定使用限制，如毛細(xì)管氣相色譜層析通過確定蜂蜜中低聚糖的量。只能檢測(cè)出摻有5轉(zhuǎn)化糖漿的產(chǎn)品；穩(wěn)態(tài)碳同位素分析(SCIRA)雖然在許多國(guó)家應(yīng)用于檢測(cè)蜂蜜中的蔗糖或玉米糖已有十多年時(shí)間，但它不能測(cè)出摻入甜菜轉(zhuǎn)化糖的蜂蜜，而傅立葉轉(zhuǎn)換中紅外光譜(FTIR)能快速、無損獲取樣品的生物化學(xué)指紋，從而方便的用于摻假產(chǎn)品的檢測(cè)SSivakesava等1以05的遞增量至25 ，向桔花蜜、三葉草蜜、蕎麥蜜中分別摻入不同重量甜菜轉(zhuǎn)化糖，各自所得5O

8、個(gè)樣品中，34個(gè)用于建立校正模型，剩余16個(gè)作為驗(yàn)證集。光譜分析前，將蜜樣放于5O恒溫水浴中以便將蔗糖晶體溶化，然后混勻樣品，室溫下進(jìn)行FTIR分析。混合樣品用BioRad-FFS一6OOO衰減全反射傅立葉轉(zhuǎn)換光譜儀進(jìn)行掃描，選取1500950cm-1 處的光譜，用PLS回歸建立校正模型，模型相關(guān)系數(shù)R>09，用此模型對(duì)驗(yàn)證集樣品進(jìn)行驗(yàn)證，三種蜜的預(yù)測(cè)值和實(shí)際值間相關(guān)系數(shù)分別為0946，0964和0956，預(yù)測(cè)標(biāo)準(zhǔn)差SEP在2144之間；此外，SSivakesava等還用主成分法(PCA)、直線判別(LDA)和經(jīng)典方差分析(CVA)檢測(cè)了蜜樣中甜菜轉(zhuǎn)化糖水平，以CVA法所得結(jié)果預(yù)測(cè)效果最

9、好，準(zhǔn)確率達(dá)94，分析時(shí)間僅需34min。3.4近紅外光譜分析技術(shù)在油品分析中的應(yīng)用石油是一種主要由碳?xì)浠衔锝M成的復(fù)雜混合物，通過近紅外光譜分析技術(shù)對(duì)石油及其產(chǎn)品的組成和質(zhì)量指標(biāo)的測(cè)試，有利于有效地利用石油資源、選擇合理加工條件和提高石油產(chǎn)品質(zhì)量。近紅外光譜分析技術(shù)在汽油分析中運(yùn)用較多，如近紅外光譜快速測(cè)定汽油詳細(xì)族組成、測(cè)定汽油辛烷值、測(cè)定汽油中乙醇、對(duì)汽油模糊聚類分析、在汽油調(diào)和中的運(yùn)用等等。近紅外光譜波長(zhǎng)范圍為700 2500 nm。含氫基團(tuán)如C-H，O-H，N-H等在近紅外區(qū)都有吸收。組成不同的油品在光譜圖上有明顯的各自特征吸收。由于不同基團(tuán)產(chǎn)生的光譜在吸收峰位和強(qiáng)度上有所不同，隨著

10、樣品組成的變化其光譜特征也將發(fā)生變化，這就為近紅外光譜的定性和定量分析奠定了理論基礎(chǔ)、另外，對(duì)油品而言，石油產(chǎn)品主要為含有各種不同的CH基團(tuán)信息的烴類化合物，例如甲基CH(913nm)、烯烴C=H(895nm)、亞甲基CH(934nm)和芳烴CH(875nm)等基團(tuán)信息2油品中不同結(jié)構(gòu)的烴類化合物含量變化都會(huì)導(dǎo)致近紅外光譜的變化，盡管這種變化非常細(xì)微，但通過化學(xué)計(jì)量學(xué)方法對(duì)光譜數(shù)據(jù)的處理，便能得到樣品組成變化的信息因?yàn)闃悠返男再|(zhì)如濃度以及各種物化性質(zhì)均取決于樣品的組成。當(dāng)組成發(fā)生變化時(shí)，樣品的性質(zhì)如汽油辛烷值發(fā)生相應(yīng)的變化，同時(shí)樣品的近紅外光譜也發(fā)生相應(yīng)的變化。近紅外光譜分析通過對(duì)樣品的性質(zhì)變化和其對(duì)應(yīng)的近紅外光譜變化直接關(guān)聯(lián)，從而建立兩者之間的定量或定性關(guān)系，結(jié)語與展望食品安全問題日益受到消費(fèi)者關(guān)注，研究和開發(fā)食品安全檢測(cè)關(guān)鍵技術(shù)，意義重大。中紅外光譜技術(shù)作為一種新型的分析技術(shù)，憑借其檢測(cè)快速、無污染等優(yōu)勢(shì)，在食品領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。迄今，國(guó)內(nèi)外在此方面的研究有了一定進(jìn)展，但許多問題還處于探索階段，因此，開展中紅外光譜技術(shù)在食品安全領(lǐng)域的應(yīng)用研究，意義重大且任重道遠(yuǎn)。 1 SSivakesava：J Irudayar