红外吸收光谱法的应用

红外吸收光谱法的

应用

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。

1.2、红外吸收的本质

红外吸收光谱又称分子振动-转动光谱，是利用物质的分子对红外辐射的吸收，并由其振动或转动引起分子偶极矩的变化，产生分子的振动能级和转动能级从基态到激发态的跃迁，所产生的吸收光谱。它分为近红外光，中红外光，远红外光。其中，中红外光是应用最为广泛的红外光谱区。

物质处于不停的运动状态之中，分子经光照射后，就吸收了光能，运动状态从基态

跃迁到高能态的激发态。分子的运动能量是量子化的，它不能占有任意的能量，被分子吸收的光子，其能量等于分子动能的两种能量级之差，否则不能被吸收。

分子所吸收的能量可由下式表示：

E＝hυ＝hc/λ

式中，E为光子的能量，h为普朗克常数，υ为光子的频率，c为光速，λ为波长。由此可见，光子的能量与频率成正比，与波长成反比。

分子吸收光子以后，依光子能量的大小，可以引起转动、振动和电子能阶的跃迁，红外光谱就是由于分子的振动和转动引起的，又称振－转光谱。

图1红外光谱图

特征吸收频率可应用于鉴定官能团；特征峰的强度可应用于定量分析。

1.3、红外光的区划

红外线：波长在0.76~500 μm (1000μm) 范围内的电磁波

近红外区（NIR）:0.76~2.5 μm（760~ 2500 nm）-OH和-NH倍频吸收区

中红外区（MIR）:2.5~25 μm （4000~ 400 cm-1）振动、伴随转动光谱

远红外区（FIR）:25~500 μm 纯转动光谱

紫外-可见（UV-VIS）:190 ~900 nm 电子光谱

1.4、红外光谱的作用

绝大多数有机化合物的基频吸收带出现在MIR光区。基频振动是红外光谱中吸收最强的振动，最适于进行红外光谱的定性和定量分析。中红外光谱仪最为成熟、简单，因此它是应用极为广泛的光谱区。通常中红外光谱法又简称为红外光谱法。红外光谱是鉴别物质和分析物质化学结构的有效手段，已被广泛应用于物质的定性鉴别、物相分析

和定量测定，并用于研究分子间和分子内部的相互作用

1.5、红外光谱分析技术

红外光谱（IR）分析技术是近年来分析化学领域迅猛发展的高新分析技术，越来越引起国内外分析专家的注目，在分析化学领域被誉为分析“巨人”，它的出现可以说带来了又一次分析技术的革命。

红外光谱分析是将光谱测量技术、计算机技术、化学计量学技术与基础测试技术的有机结合。是将红外光谱所反映的样品基团、组成或物态信息与用标准或认可的参比方法测得的组成或性质数据采用化学计量学技术建立校正模型，然后通过对未知样品光谱的测定和建立的校正模型来快速预测其组成或性质的一种分析方法。

与传统分析技术相比，红外光谱分析技术具有诸多优点，它能在几分钟内，仅通过对被测样品完成一次红外光谱的采集测量，即可完成其多项性能指标的测定（最多可达十余项指标）。光谱测量时不需要对分析样品进行前处理；分析过程中不消耗其它材料或破坏样品；分析重现性好、成本低。对于经常的质量监控是十分经济且快速的，但对于偶然做一两次的分析或分散性样品的分析则不太适用。因为建立红外光谱方法之前必须投入一定的人力、物力和财力才能得到一个准确的校正模型。

红外光谱主要是反映C-H、O-H、N-H、S-H等化学键的信息，因此分析范围几乎可覆盖所有的有机化合物和混合物。加之其独有的诸多优点，决定了它应用领域的广阔，使其在国民经济发展的许多行业中都能发挥积极作用，并逐渐扮演着不可或缺的角色。

二、傅里叶变换红外吸收光谱仪

傅里叶变换红外吸收光谱仪是一种新型红外光谱仪，它有测定速度快，灵敏度和信噪比高、分辨率高、测定的光谱范围宽等优点。在红外研究领域，FTIR方法几乎完全取代了光栅分光法。目前的研究中大量运用了傅里叶变换红外吸收光谱仪，并且还会继续发展。

三、应用

红外光谱法是根据样品的红外吸收光谱进行定性、定量分析及测定物质分子结构的方法。红外光谱仪价格较为低廉,测试成本较低，广泛用于各种定性定量分析以及未知物结构的确定。该法具有用量少，分析速度快，不破坏样品的特点。目前，主要的应用领域包括：石油及石油化工、基本有机化工、精细化工、冶金、生命科学、制药、医学临床、农业、食品、饮料、烟草、纺织、造纸、化妆品、质量监督、环境保护、高校及科研院所等。在石化领域可测定油品的辛烷值、族组成、十六烷值、闪点、冰点、凝固点、馏程、MTBE

含量等；在农业领域可以测定谷物的蛋白质、糖、脂肪、纤维、水分含量等；在医药领域可以测定药品中有效成分，组成和含量；亦可进行样品的种类鉴别，如酒类和香水的真假辨别，环保废弃物的分检等，尤其在中药材的快速鉴别、中成药的定性定量分析方面。

一、化合物的鉴定

用红外光谱鉴定化合物，其优点是简便、迅速和可靠；同时样品用量少、可回收；对样品也无特殊要求，无论气体、固体和液体均可以进行检测。有关化合物的鉴定包括下列几种：

1.1、鉴别化合物的异同

某个化合物的红外光谱图同熔点、沸点、折射率和比旋度等物理常数一样是该化合物的一种特征。尤其是有机化合物的红外光谱吸收峰多达20个以上，如同人的指纹一样彼此各不相同，因此用它鉴别化合物的异同，可靠性比其它物理手段强。如果二个样品在相同的条件下测得的光谱完全一致，就可以确认它们是同一化合物，例外较少。但当二个图有差别时，情况较复杂，须考虑下列因素，方能作出正确的结论：A．同质异晶体

此为化学结构完全相同而晶形不同的化合物。由于分子在不同晶体的晶格中排列方式不一样，因此对光的散射和折射不相同，致使同质异晶体的固相红外光谱有差异，而在溶液中测的液相光谱应是相同的。

B、同系物

同系物仅是构成链的单元数不同，因此它们的分子无序排列的液相光谱往往相同，固相光谱则因晶体内晶胞不同而有微小的差别。所以在鉴定大分子的聚合物、多糖和长脂肪链的同系物时，最好同时对比固相和液相光谱的异同，方能作出正确的判断。将二种同系物配成相同浓度的溶液，测量某些基团的吸收峰强度，如正脂肪酸同系物，可以根据亚甲基(2930)和甲基(2960)二个蜂的强度比进行识别。

C、来源和精制方法：应注意到有些结构相同的化合物会因来源和精制方法的不同而使固相光谱有差异。

D、溶剂和浓度

液相光谱鉴别化合物的异同须采用同一种溶剂和相同的浓度，因为溶剂本身有一些

吸收峰能把试样的弱吸收掩盖；另外氢键等溶剂效应在不同浓度下作用强弱不等，也能够引起光谱的变化。

E、吸收峰的相对强度

对比光谱的异同不仅要注意每个吸收峰的位置是否一致，而且要注意各个蜂彼此之间的相对强度是否符合，否则就可能是结构上的微小差别引起的。

1.2鉴别光学异构体

旋光性化合物的左、右对映体的固相红外光谱是相同的。对映体和外消旋体由于晶格中分子的排列不同，使它们的固体光谱彼此不同，而溶液或熔融的光谱就完全相同。非对映异构体因为是二种不同的化合物，所以无论是固相，还是液相光谱均不相同，尤其在指纹区有各自的特征峰。但是大分子的差向异构体如高三尖杉酯碱与表高三尖衫酯碱，由于彼此晶格不同，固相光谱的差别较大，而液相光谱差别很小，这是应该注意的问题。

1.3区分几何(顺、反)异构体

对称反式异构体中的双键处于分子对称中心，在分子振动中链的偶极矩变化极小，因此在光谱中不出现双键吸收峰。顺式异构体无对称中心，偶极矩有改变，故有明显的双键特征峰，以此可区分顺、反异构体。

不对称的分子，由于反式异构体的对称性比顺式异构体高，因此双键的特征峰前者弱，后者强。

1.4区分构象异构体

同一种化学键在不同的构象异构体中的振动频率是不一样的。以构象固定的六元环上的C—Y键为例，平展的C—Y键伸缩振动频率高于直立键，原因在于直立的C—Y键垂直于环的平面，其伸缩振动作用于碳上的复位力小；Y若在平展键，C—Y的伸缩振动使环扩张，复位力大，所以振动频率高。研究构象异构体要注意相的问题。固态结晶物质通常只有单一的构象，而液态样品大多是多种构象异构体的混合物，因此二种相的光谱不尽相同。如果固相和液相光谱相同，则表明该化合物只有一种构象．环状邻位双羟基化合物可以利用羟基之间的氢键推定构相。有分子内氢键的羟基特征峰波数低于游离羟基的波数。氢键越强，二者波数差越大。

1.5区分互变异构体

有机化学中经常碰到互变异构现象，如β－双酮有酮式和烯醇式二种，红外光谱极容易区分它们。在四氯化碳溶液中酮式在～1730 cm－1有二个峰，烯醇式只有一个氢键鳌合的羰基，动频率降至1650 cm－1，比酮式低80～100 cm－1。同时在1640～1600 cm－1区有共轭双键特征峰，强度与羰基近似。

1.6、有机化合物的定性鉴定和鉴别

样品的红外光谱图比对纯物质的红外光谱图各吸收峰的位置与形状完全相同，峰的相对强度也相同，可认为样品就是该种物质。红外吸收光谱是鉴定有机化合物最成熟的方法,它具有鲜明的特征性,因每一种官能团和化合物都具有特异的吸收光谱,其特征吸收谱带的数目、频率、谱带形状和强度都随化合物及其聚集状态的不同而异。因此根据化合物的吸收光谱找出该化合物,就像辨认人的指纹一样。同时,该方法还具有分析时间短、操作简便、不破坏试样等优点。

利用傅里叶红外变换光谱中的衰减全反射技术可以无损测定喷墨打印文件常用的惠普、佳能、爱普生三大品牌特定油墨及其相应替代油墨. 如不同品牌油墨的识别：从图2能够看出,不同品牌的油墨特征吸收峰各不相同,1号和2号样品,即惠普品牌的油墨在1800—1500 cm-1有明显的吸收峰,说明油墨中含有羰基峰,而3、4、5、6号油墨在1200—900 cm-1有较强烈的吸收,其中3号和4号样品,即佳能Canon品牌油墨在1174 cm-1有吸收峰,5号和6号样品,即爱普生品牌油墨在1130 cm-1附近有明显吸收峰,因此从红外谱图中可以看出,3种不同品牌的油墨特征吸收峰不同,能够进行种类识别。

图23种不同品牌油墨的红外光谱图

结果表明它克服了对油墨检验的有损检验、操作繁琐等缺陷,可以作为对伪造的各种喷墨打印文件进行检验鉴定的一种行之有效的检验手段。他还可以分析不同种类聚酰胺红外吸收光谱的区别,包括尼龙6和尼龙66,尼龙11和尼龙12,尼龙610等等红外光谱图特征区别峰。除了一般红外分析的优点外，分析聚酰胺红外吸收光谱过程中不使用强酸、强碱等腐朽性试剂,有利于检验人员身体健康和保护环境,值得参考应用。

傅里叶红外吸收光谱还能够反映出不同油脂的分子结构信息,可从本质上对油脂进行表述。红外光谱结合光谱数据处理,可以显示出3种不同油脂结构微小的差异,如脂肪酸分子中CH3、CH2、CC、CO基团的振动吸收的强度,反映了这些基团数目的不同,这也正是不同油脂之间的差异。借助这种手段,在实际工作中可以识别不同的油脂,也为建立调和油识别方法提供技术支持。因此,研究采用傅里叶变换红外光谱来对品种各异的花生油、大豆油以及棕榈油进行判别分析具有重要意义。

2、定量分析

可按照朗伯—比尔定律进行定量分析，有标准曲线法和内标法

式中I。为入射光强度；I为透过光强度；c为溶液浓度，以克／升表示；l是吸收池厚度，以厘米表示；此时k为吸光系数，即单位长度和单位浓度溶液中溶质的吸收度。

如果浓度是以摩尔数／升表示，则k应为s(摩尔吸光系数)。

遵义钛厂海绵钛生产中回收高纯四氯化硅新工艺中有机杂质中，针对光谱图中3700~3500 cm-1之间-OH的吸收带，实现了-OH基团的定量分析。

含氢杂质是高纯四氯化硅分析中所关心的问题。当四氯化硅与空气接触就会与其中的水分反应,其反应方程式如下:SiCl4+H2O=SiOHCl3+HCl反应生成的SiOHCl3中含有-OH,因此在3700~3600 cm-1的红外吸收区域就会有-OH的振动吸收峰。

为了对-OH进行定量分析,选用四氯化硅极性相似的物质CCl4做基体溶剂以及具有对称结的三苯基硅醇作为标准物质,分别配置0.01 mg/mL,0.03 mg/mL,1 mg/mL三苯基硅醇标准系列溶液对-OH进行定量分析。得到如图3所示三苯基硅醇的红外光谱图。

在3700~3500 cm-1之间选择3665 cm-1处的特征吸收峰为羟基定量振动峰。

图3 三苯基硅醇的红外光谱图

表1 –OH的浓度及吸光度

以浓度(mol/L)为横坐标,吸光度A为纵坐标作直线。所得浓度与吸光度值线性关系为Y=539.84X+0.5342,斜率k=539.84,相关系数为0.9963。

根据吸光度与浓度的计算公式:A=εbc, 其中,A为吸光度;ε为吸光系数;b为红外池子的长度,cm; c为样品浓度,mol/L。由于k=εb,本次试验液体池长度b=5 cm,代入求得:ε=108 L·mol-1·cm-1与文献中报道的范围ε=93~160相吻合.

运用该方法,若样品中-OH的吸光度A=1.0,通过计算即可得到样品中羟基的含量,从而实现了羟基的定量分析。

3、医学方面

中药材及其制剂的质量控制是制约中药应用与发展的重要问题,寻求全面且简便快速的质量控制方法是目前颇受关注的研究方向。红外光谱法能够全面地反映药材的整体特征,符合中医注重整体效应的施治理论,且其操作简便易行,仪器通用,易于推广,因而越来越多地应用到中药材及其制剂的质量控制研究中。

3.1双黄连粉针剂的红外光谱

双黄连粉针剂是一种中药注射剂。双黄连粉针剂的红外光谱对其进行指标成分(黄芩苷、绿原酸)分析,可以得到很好的定性与定量结果,为其质量控制提供了一种简便快速有效的方法。

在双黄连粉针剂的红外光谱上可以指认各类成分的吸收谱带,并能够直接看到某些指标成分的特征峰,为定性质量分析提供了依据。建立了基于中红外光谱的黄芩苷与绿原酸含量校正模型。如黄芩苷的黄酮骨架振动以及绿原酸的不饱和羧酸酯的特征峰。通过建立定量校正模型的方法,可以从样品的红外光谱直接得到主要成分的含量,与传统的HPLC方法所得结果十分接近,为其质量控制提供了一种简便快速有效的方法。使用傅里叶变换红外光谱仪结合衰减全反射附件技术对双黄连粉针剂进行测定时,样品无需使用有机溶剂进行分离提取,操作简单,容易掌握,且红外仪器价格相对便宜,利于推广普及。因此,使用红外光谱法对中药材及其制剂进行定性定量分析,继而实现快速在线质量控制,具有很重要的实践意义。

3.2肺癌组织的红外光谱

肺癌的早期诊断有很大的意义。通过对肺部正常和癌变组织的红外光谱研究可以看出,肺部正常组织与癌变组织的谱图表现出很大的差异性,体现了在肺癌组织中细胞形态和组织结构发生的变化, 这些差异反映了在肺癌组织中核酸相对含量的增加;细胞脂质中亚甲基链结构发生改变,脂质中亚甲基链变得更无序;蛋白质分子C-OH键的氢键化程度发生改变;N-H键氢键化的形式和程度不同。傅里叶变换红外光谱法已经应用于对多种肿瘤的研究,但有关肺癌的红外光谱研究尚处于起步阶段。红外光谱技术有望成为快速诊断肺癌一种新方法。

4、地质方面

常规的土壤鉴定基于诊断层,需要分析测定较多土壤参数,耗时长且无法用于大量样品或实时分析,红外光谱为土壤鉴定提供了新的方法。红外光谱已较广泛地应用于土壤矿物分析,其中透射光谱制片较麻烦且土壤的吸收系数大,其应用受到限制;红外反射光谱可以用于土壤的定性与定量分析,但光谱受土壤颗粒形态的影响,因而测定误差较大;近年来红外光声光谱被应用于土壤分析,不同的土壤具有明显不同的中红外光声光谱,并且可以用于土壤性质的定量预测。中红外光声光谱的基本原理是基于光声的转换,测定勿需样品前处理,对样品无破坏,样品的颗粒大小及其形态对测定无显著影响,而且测定快速(每样品约1 min)。因此,中红外光声光谱测定方法的特点以及其更为丰富的矿物吸收特征使得中红外光声光谱在土壤鉴定中具有更大的应用潜力。

5、农业方面

包膜肥料是目前肥料研究领域中的热点。可以分别研究聚乳酸(PLA)、聚丁二酸丁二醇酯(PBS)和聚碳酸酯(PC)为主要材料配制的膜材在对尿素包膜前后红外吸收光谱的变化,目的是为利用纯膜材深入研究包膜肥养分控释机理提供理论依据。结果是分别以PLA和PC为主要材料制成的膜材代替包膜尿素的包膜层来深入研究膜材对尿素的控释机理是可行的。但对以PBS为主要材料制作的膜材来说是不可行的,因为其对尿素包膜前后特征基团的红外吸收强度变化较大,反映出膜材对尿素包膜前后的结构变化较大。

采用傅里叶变换红外光谱法还可以对普洱生、熟茶、普洱茶不同发酵程度翻堆样进行了比较分析，可为普洱茶品质鉴定技术研究提供理论依据; 还可以对生物油中具体的化学组分进行分析，可得出木屑生物油是一种复杂的混合物，几乎包括了所有化学类别的有机物，需要进行分级处理后才能进一步利用等等。还可以与其他方法联合使用，进一步解决问题。

四、总结

本文只是简略概述了红外光谱技术的应用。其应用几乎触及应用化学和物质分析的各个领域，其应用范围广且有日益扩展之趋势。除了在制药、制糖、石油、食品、饮料、饲料等传统行业中的广泛应用外，近年来在环境污染评估、生理生化研究、医学检验、法医鉴定等研究领域中越来越受到重视。让更多的工程技术人员了解红外技术的特点和发展，有利于将红外光谱技术应用到自身的行业中，进而提升行业的层次，从而通过科技创新达到提高生产效率和经济效益的目的

随着红外光谱技术的不断提高和发展，红外光谱在各领域应用全面展开，有关红外光

谱的研究及应用迅速增加，成为发展最快、最引人注目的分析技术。它的应用愈加广泛，有着光明的发展前景。作为21世纪的大学生，我们要努力学习科学文化知识，培养自己的自主创新能力，将所学的知识应用到实践中来，做到理论与实践相结合，更多的发现红外光谱的各项应用，造福人类。

参考文献：

[1]方慧群，于俊生，史坚仪器分析科学出版社

[2]张娅玲，吕才有，张超，苏红梅普洱茶的傅里叶变换红外光谱研究食品科学2009,V ol.30,No.17

[3]吴汉靓，刘荣厚，邓春健木屑快速热裂解生物油特性及其红外光谱分析农业工程学报第25卷第6期2009年6月

[4]郭峰,杨鸿波,胡智,谭红,何锦林红外光谱法分析生产中回收高纯SiCl4中有机杂质激光与红外第39卷第12期2009年12月

[5]朱吴兰红外光谱法鉴别不同种类的聚酰胺塑料2009年38期第3期

[6]高伟,田黎,周俊英,史振平,郑立,崔志松,李元广海洋芽孢杆菌(Bacillus marinus)B-9987菌株抑制病原真菌机理微生物学报2009年11月

[7]孙雷明,唐伟跃,郭克民,赵元黎,张小东,葛向红肺癌组织的红外光谱研究激光与红外第35卷第8期2005年8月