红外光谱

　　红外光谱的技术在各领域中的应用相继经历了很长时期，逐渐完善着自身技术在领域中的应用，且将低成本高性能作为发展与创新的主要方向。伴随技术在科学中的发展，已经研发至基于傅里叶变换法的红外光谱测试仪，为应用的领域开辟了相对广阔的道路。在现今环境科学中的应用，主要是监测环境的污染情况以及对平突发类型的污染进行控制分析等。

　　依照波数的范围，将其分为近、中、远红外3种区域。其中近红外的波数范围约在13000～4000cm^-1间，中红外的波数范围约在4000～400cm^-1间，远红外的波数范围约在400～100cm^-1间。

红外光谱的发展历史

　　在20世纪初，在红光谱技术领域已有100多种有机化合物的红外光谱图，给有机化学家提供了鉴别未知化合物的有力手段。

　　到50年代末，红外光谱数据已经累积得非常丰富了。

　　到了70年代，在电子计算机蓬勃发展的基础上，傅立叶变换红外光谱实验技术进入现代化学家的实验室，成为结构分析的重要工具，它的特点是高灵敏度、高分辨率、快速扫描、联机操作和高度计算机化。

红外光谱的原理

　　红外光谱是一种分子吸收光谱，利用红外光谱法对有机物进行定性和定量的检测，通过红外线光谱仪发出红外线光线，再将光线照射到待检测物体的表面，有机物因其吸收特性会吸收红外光，从而产生红外光谱图。

　　技术人员可根据红外光谱图找到与吸收峰相对应的化学基团数据库，对待测物质的构成和所属状态进行定性分析。此外，红外光谱技术还可用于定量分析，测定物体的主要组成成分的含量。

　　红外光谱含有多种可供选择的特征波长，因此，固态、液态、气态物质均可通过红外光谱技术进行定量分析。例如通过采取傅里叶数字滤波方式可对饮料进行光谱数据的预处理，再根据其他化学、物理和统计方法对饮料中水分、能量、糖类等物质进行定量检测。

红外光谱特点

　　红外光谱是由于分子振动能级的跃迁(同时伴随转动能级的跃迁)而产生的。红外光谱在化学领域中的应用大致可分为两个方面：

　　①分子结构的基础研究，应用红外光谱测定分子的键长、键角来推断、研究分子的基本结构。

　　②化学组成的分析，根据光谱中吸收峰的位置和形状来推断未知分子的结构。用红外光谱作样品分析时基本不需处理，且不破坏和消耗样品，自身又不污染环境。

红外光谱的分类

　　红外光谱可分为近红外光谱技术、远红外光谱技术和傅立叶变换红外光谱技术。

　　近红外光谱技术的分子中存在4种不同形式的能量，分别是平动能，转运能，振动能和电子能。在近红外光谱技术中，近红外区域产生的倍频和合频的吸收往往比中红外弱，背景十分复杂，谱峰重叠的现象十分严重，有时必须借助化学计量方法才能提供有效的信息。

　　远红外光谱技术是利用物体在远红外区的吸收光谱，这个区域的光源能量十分弱小，吸收谱带主要是气体分子中的纯转动跃迁和液体中重原子的伸缩振动，因此一般不在远红外光谱区进行定量分析。

　　傅立叶变换红外光谱技术是一种快速，无损食品分析的检测技术，主要通过与化学计量学的方法相结合，实现定性定量分析。

近红外光谱技术

　　近红外光谱在应用的过程中，主要采用的是一种电磁波的形式，这种电磁波主要处于可见光以及中红外光之间，具有较强的谱图特征，并且可以体现出较多的信息内容，不会受到环境因素的影响。在20世纪60年代提出近红外光谱法以后，这一技术的应用就变得十分广泛。

　　近红外光谱技术是具有显著特点的，首先具有简单的特点：

　　1、不需要进行繁琐的处理就可以实现应用，并且获得理想的化学反应效果;

　　2、是具有快速的特点，这样就能有效的缩短检测时间;

　　3、是更加GX，在整个检测的过程中，可以互相不受影响的完成多个样品的检验工作，将相应的化学指标确定下来;

　　4、是具有环保性的特点，在整个过程中不会受到严重的污染;

　　5、是经济性，可以对检测成本加以有效的控制;

　　6、具有广泛的应用性。

　　在当前的检测过程中可以发现，其检测的领域正在不断扩大，更好的为今后的发展做出积极的贡献。

　　但是这一光谱技术也存在一定的不足之处，主要表现在以下几个方面：

　　1、灵敏度以及吸收方面，具有比较微弱的特点，在通常情况下，对于检测含量的要求需要达到0.1%以上。

　　2、会引起吸收峰的重叠，这样就会对检测的结果造成十分严重的影响。在测得光谱数据的过程中，主要采用的方式是数学方法，这样才能加以进一步的定量以及定性分析。

　　3、在建模的工作中具有一定的难度，所以这就需要具有专业知识的工作人员进行，选择具有代表性的样品，并且与相应的化学分析手段相互配合，这样才能具有更加jing准的要求。

　　4、在模型的应用过程中，对应的不同模型只能在一段时间以及范围中有效，所以还需要加以进一步的改进与完善。

远红外光谱技术

　　远红外光谱是指物质在远红外区的吸收光谱。一般将25-1000μm的红外波段划为远红外区。此区内的吸收谱带主要是气体分子中的纯转动跃迁、振动-转动跃迁和液体与固体中重原子的伸缩振动、某些变角振动、骨架振动，以及晶体中的晶格振动所引起的。

　　由于低频骨架振动能灵敏地反应物质结构的变化，所以对异构体研究特别方便。此外，对于有机金属化合物(包括络合物)、氢键、吸附现象的定量分析，远红外光谱也很有效。在环境分析测试中，远红外光谱区光源能量弱，除非其他波段没有合适的谱带，一般都不在此区内做定量分析。

　　木材远红外光谱特性：所有自然之物都是红外辐射体，其辐射光谱、强度均与其物质组成、温度、辐射率、反射率、透过率、吸收率，乃至表面纹理、粗糙度以及是否是热的良导体，处于什么环境有关。在红外探测时必须进行目标、背景辐射特性研究，还可以利用红外辐射特性来鉴别物体物质，反演大气成分等等。

傅立叶变换红外光谱技术

　　自1908年Coblentz设计出氯化钠棱镜的红外光谱仪以来，100年间红外光谱仪得到了飞速的发展。至今已经发展了3代。第1代是棱镜色散型红外光谱仪，1944年由Perkin-Elmer公司生产了国际上第1台红外光谱仪，它的色散元件是氯化钠(或氯化钾)晶体制成的棱镜。

　　20世纪60年代后，分光元件从棱镜逐渐发展到红外光栅，出现了第2代光栅型色散式红外光谱仪。

　　20世纪70年代中期计算机控制的色散型红外光谱仪问世，使数据处理和操作更为简便。色散型红外光谱仪包括第1代和第2代，均采用电机-机械带动单色器通过狭缝进行逐步单元扫描法实现分光的目的。但这种方法在分辨率、扫描速度、灵敏度、减少杂散光等方面的进一步提高遇到极大的困难。

　　20世纪80年代中期，傅立叶变换红外光谱(FTIR)仪逐渐取代了色散型红外光谱仪。1986年前后，国际上大多数厂家宣布停止生产光栅红外光谱，全面转入生产干涉分光傅立叶变换红外光谱仪。

　　我国在20世纪70年代开始从国外引进傅立叶变换红外光谱仪;进入80年代，我国开始大批量引进傅立叶变换红外光谱仪。目前傅立叶变换红外光谱仪已经遍布我国高等学校、科研机构、厂矿企业等各个分析测试行业。

　　傅立叶变换红外光谱仪较早期的色散型仪器具有更高的信噪比，不仅提高了灵敏度而且缩短了测量时间，这是傅立叶变换光谱法Z基本的优点。另外傅立叶变换光谱仪还具有光通量大、光谱范围宽、分辨率高、杂散光少、适合于联机应用等优点。

　　如今FTIR技术在分析化学领域，尤其是在结构表征、化合物定性、反应动力学等方面有着广泛的应用。

红外光谱技术的应用

　　1、鉴定有机化合物

　　红外光谱法广泛用于有机化合物的定性鉴定和结构分析。定性鉴定包括已知物的鉴定和未知物结构测定。已知物的鉴定是将试样的谱图与标准的谱图进行对照，或者与文献上的谱图进行对照。未知物结构的测定是红外光谱法定性分析的一个重要用途。

　　红外光谱定量分析是通过对特征吸收谱带强度的测量来求出组分含量。其理论依据是朗伯比尔定律。由于红外光谱的谱带较多，选择的余地大，方便对单一组分和多组分进行定量分析。

　　2、在材质分析中的应用

　　在产品生产过程中，材质分析能为企业在材料性能、材料选择、材料应用等方面提供非常重要的帮助。而红外光谱因其在鉴定材料方面具有操作简便、快速、准确的优点而得到了广泛应用。

　　有学者用傅立叶变换红外光谱仪对高密度聚乙烯(HDPE)塑料和低密度聚乙烯(LDPE)塑料进行红外测试，据此总结出一套表征聚乙烯的有效方法。

　　3、在医学中的应用

　　生物医学领域为探测疾病的组织光谱学特征，国外曾用红外光谱技术的方法寻找疾病指标，但敏感性与可重复性很低。

　　直到20世纪五六十年代，振动光谱学设备获得巨大发展，相应的方法技术才被广泛采用。在我国，有学者用傅立叶变换红外光谱法对天然牛黄中胆红素钙的含量进行了定量测定，还有学者采用傅立叶变换红外光谱分析法对蜂王浆中的王浆酸进行了定性及定量测定，他们都得到了满意的结果。他们利用红外光谱技术建立了微胶囊的形态学和胶囊大小的相关性。

　　在药物固态剂量分析中，近红外光谱技术的应用是药物分析的重大进步，它使近红外光谱技术可以进入过程分析，聚合物光谱技术已用于制药过程的混合、造粒、封装、粉磨压片等过程。无损形态剂量分析，这在成品药物的质量检验中非常重要，由于容易实现在线和现场分析，从而避免出现批次药物不合格的情况。

　　4、在食品分析中的应用

　　近红外光谱常常用于鱼、肉制品、牛奶等人们日常生活中食品的品质检测;在水果的检测中，近红外光谱还可用于苹果、梨中糖的检测分析;在啤酒生产中，酒精含量、糖分含量均可以使用近红外光谱在生产过程中进行监测。

　　近代科学家还利用红外光谱法，建立了甜菜中糖含量的标准方程，在不损坏甜菜的情况下，快速鉴别甜菜的质量。采用红外波谱技术测定食品中添加剂、防腐剂的含量。

　　5、在石油工业中的应用

　　在石油工业领域，红外光谱技术发挥着重要的作用，在石油炼制中的应用已涉及石油加工的各个环节，并为石化工业带来巨大的经济效益。其中，Z早也是Z成功的就是利用红外光谱技术测定汽油的辛烷值。

　　除在实验室中应用外，由于近红外光谱具有极快的分析速度，且近红外光在光纤中具有良好的传输性能，该技术已广泛用于在线分析。针对我国原油组成和炼油工艺的特点，我们利用近红外光谱技术对汽油、航煤和柴油成分鉴定进行了系统研究。

近现代红外光谱技术的发展

　　1、我国红外光谱技术的研究发展状况

　　红外光谱技术是鉴别物质和分析物质结构的有效手段，已经广泛用于各种物质的定型鉴定和定量分析，并在研究分子间和分子内部的相互作用方面发挥了重要作用。

　　我国对近红外光谱技术的研究及应用起步较晚。我国红外光谱技术Z早的应用是在农业中。在医学领域，红外光谱技术得以广泛推广，不同于国外利用石蜡标本进行分析，国内早期便开展傅里叶变换红外光谱技术对胆石结构与组分的研究。

　　目前，研究侧重于对新鲜离体或在体组织良恶性鉴别的应用上。随着ATR探头的应用普及，此项技术已日臻完善。北京大学第三医院凌晓锋等对利用傅里叶变换红外光谱在恶性肿瘤早期诊断中的作用进行系统综述，总结了消化系统、生殖系统、乳腺癌、呼吸系统、血液和造血系统的傅里叶变换红外光谱研究进展，认为此方法不仅无创快速，更提高了恶性肿瘤的诊断水平。

　　1995年以来，红外光谱技术已受到了多方面的关注，并在仪器的研制、软件开发、基础研究和应用等方面取得了较为可喜的成果。但是，目前国内能够提供整套近红外光谱分析技术(近红外光谱分析仪器、化学计量学软件、应用模型)的公司非常少。

　　2、红外光谱数据库的发展趋势

　　随着计算机的普及，红外光谱分析与薄层色谱法、GX液相色谱法、气相色谱法、GX毛细管电泳法、紫外光谱法、红外光谱法、核磁共振和X射线衍射法、质谱及分子生物学技术连用，为红外光谱的应用开辟了更广阔的领域。