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)和化學鍵，而且廣泛地用于表征和鑒別各種化學物種。紅外光譜圖譜分析作為一門先進的技術(shù)，已經(jīng)在各個領(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、應(yīng)用及發(fā)展前景。關(guān)鍵詞: 紅外光譜原理特點 定量定性分析 質(zhì)量檢驗 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、中紅外光和遠紅外光。 遠紅外光（大約400-10 cm-1）同微波毗鄰，能量低，可以用于旋轉(zhuǎn)光譜學。中紅外光（大約4000-400 cm-1）可以用來研究基礎(chǔ)振動和相關(guān)的旋轉(zhuǎn)-振動結(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。紅外光譜法的工作原理是由于振動能級不同，化學鍵具有不同的頻率。共振頻率或者振動頻率取決于分子等勢面的形狀、原子質(zhì)量、和最終的相關(guān)振動耦合。為使分子的振動模式在紅外活躍，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，當對應(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，分子電子能量基態(tài)的勢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度和鍵兩頭的原子質(zhì)量聯(lián)系起來。這樣，振動頻率可以和特定的鍵型聯(lián)系起來。測量樣品時，一束紅外光穿過樣品，個個波長

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來實現(xiàn)，也可以用傅立葉變換來一次測量所有的波長。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，從而可以分析出樣品中包含的化學鍵。2、 紅外光譜的特點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)特點決定的。 紅外光譜分析的主要技術(shù)特點如下：（1）分析速度快，測量過程大多可在1min內(nèi)完成。（2）分析效率高，通過一次光譜測量和已建立的相應(yīng)校正模型，可同時對樣品的多個組分或性質(zhì)進行測定提供定性、定量結(jié)果。（3）適用的樣品范圍廣，通過相應(yīng)的測樣器中可以直接測量液體、固體、半固體和膠狀體等不同物態(tài)

4、的樣品光譜測量方便。（4）樣品一般不需要預(yù)處理，不需要使用化學試劑或高溫、高壓、大電流等測試條件，分析后不會產(chǎn)生化學、生物或電磁污染。（5）分析成本較低（無需繁雜預(yù)處理，可多組分同時檢測）。（6）測試重現(xiàn)性好。（7）對樣品無損傷，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，便于實現(xiàn)在線分析。（9）對操作人員的要求不苛刻，經(jīng)過簡單的培訓(xùn)就可勝任工作。近紅外光譜技術(shù)存在的問題是：（1） 測試靈敏度相對較低，被測組分含量一般應(yīng)大于0.1%。（2）需要用標樣進行校正對比，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比吸收峰強度來進行的，只要混合物中的各組分能有一個特征的、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。定量方法主要有測定譜帶強度和測量譜帶面積兩種，此外也可采用譜帶的一階導(dǎo)數(shù)和二階導(dǎo)數(shù)的計算方法，這種方法能準確地測量重疊的譜帶，甚至包括強峰斜坡上的肩峰。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，測定吸光度所引起誤差的最佳極限值是±I，實際誤差比±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準譜圖進行對照，如果兩張譜圖各吸收峰的位置和形狀完全相同，峰的相對強度一樣，就可以認為樣品是該種標準

6、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)。如用計算機譜圖檢索，則采用相似度來判別。未知物的鑒定 如果不是新化合物，標準光譜己有收載的，有兩種方法來查對標準光譜：利用標準光譜的譜帶索引，尋找標準光譜中與試樣光譜吸收帶相同的譜圖；進行光譜解析，判斷試樣可能的結(jié)構(gòu)，然后由化學分類索引查找標準光譜對照核實。 新化合物的結(jié)構(gòu)分析 紅外光譜主要提供官能團的結(jié)構(gòu)信息，對于復(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，進行綜合光譜解析，才能確定分子結(jié)構(gòu)。中紅外光譜檢測蜂蜜摻假蜂蜜中摻入的物質(zhì)多種多樣，為其統(tǒng)一檢測帶來了一定難度，常用

7、檢測方法有：薄層層析、高效液相色譜層析(HPLC)、毛細管氣相色譜層析、離子交換液相色譜層析、核磁共振(13CNMR)等，然而上述方法既費時，有費力，且都有一定使用限制，如毛細管氣相色譜層析通過確定蜂蜜中低聚糖的量。只能檢測出摻有5轉(zhuǎn)化糖漿的產(chǎn)品；穩(wěn)態(tài)碳同位素分析(SCIRA)雖然在許多國家應(yīng)用于檢測蜂蜜中的蔗糖或玉米糖已有十多年時間，但它不能測出摻入甜菜轉(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指紋，從而方便的用于摻假產(chǎn)品的檢測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個樣品中，3

8、4個用于建立校正模型，剩余16個作為驗證集。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，室溫下進行FTIR分析?；旌蠘悠酚肂ioRad-FFS一6OOO衰減全反射傅立葉轉(zhuǎn)換光譜儀進行掃描，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，用此模型對驗證集樣品進行驗證，三種蜜的預(yù)測值和實際值間相關(guān)系數(shù)分別為0946，0964和0956，預(yù)測標準差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)檢測了蜜樣中甜菜轉(zhuǎn)化糖水平，以CVA法所得結(jié)果預(yù)測效果最好，準確率達

9、94，分析時間僅需34min。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氫化合物組成的復(fù)雜混合物，通過近紅外光譜分析技術(shù)對石油及其產(chǎn)品的組成和質(zhì)量指標的測試，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)在汽油分析中運用較多，如近紅外光譜快速測定汽油詳細族組成、測定汽油辛烷值、測定汽油中乙醇、對汽油模糊聚類分析、在汽油調(diào)和中的運用等等。近紅外光譜波長范圍為700 2500 nm。含氫基團如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。由于不同基團產(chǎn)生的光譜在吸收峰位和強度上有所不同，隨著樣品組成的變化其光

10、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，對油品而言，石油產(chǎn)品主要為含有各種不同的CH基團信息的烴類化合物，例如甲基CH(913nm)、烯烴C=H(895nm)、亞甲基CH(934nm)和芳烴CH(875nm)等基團信息2油品中不同結(jié)構(gòu)的烴類化合物含量變化都會導(dǎo)致近紅外光譜的變化，盡管這種變化非常細微，但通過化學計量學方法對光譜數(shù)據(jù)的處理，便能得到樣品組成變化的信息因為樣品的性質(zhì)如濃度以及各種物化性質(zhì)均取決于樣品的組成。當組成發(fā)生變化時，樣品的性質(zhì)如汽油辛烷值發(fā)生相應(yīng)的變化，同時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樣品的性質(zhì)變化和其對應(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者關(guān)注，研究和開發(fā)食品安全檢測關(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)，憑借其檢測快速、無污染等優(yōu)勢，在食品領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。迄今，國內(nèi)外在此方面的研究有了一定進展，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。 1 SSivakesava：J Irudayara