发酵液中乙醇含量的近红外光谱ＮＩＲＳ定量分析与验证
李燕萍，许宏贤，钱
莹，段
钢
（丹尼斯克杰能科，江苏无锡，２１４０８２）
摘要应用近红外光谱技术（ＮＩＲＳ），采用偏最小二乘法（ＰＬＳ）建立发酵液中乙醇含量定量分析预测模型，并比较发酵液原液和发酵液上清液ＮＩＲＳ预测模型对预测乙醇含量的效果差异。结果表明，发酵液原液所建立的乙醇含量和发酵上清液所建立的乙醇含量预测模型校正误差（ｓＥＣ）、交叉检验标准误差（ＳＥＣＶ）、校正相关系数（ＲＳＱ）、交叉验证相关系数（１一ＶＲ）皆有很好的关联性。由此可见，通过内部交叉检验和外部验证，用近红外光谱法测定发酵液中的乙醇含量具有很高的准确度，为近红外光谱法快速监测乙醇发酵提供了新的方法。
关键词
近红外光谱，发酵，乙醇含量，预测模型
目前测定发酵液中乙醇含量的方法有填充柱气相色谱法、密度瓶法、酒精计法、高效液相色谱法等。密度瓶法和酒精计法需先将样品溶液蒸馏后再测定，较为繁琐。填充柱法由于在运行中存在严重的涡流扩散，传质阻力也较大，影响了柱效的提高，因此逐渐被淘汰［１’２］。高效液相色谱法则需要先将样品进行前期处理，且测定一个样品时间较长，测量的结果由于前处理可能造成一定的误差。
近红外光谱分析（ｎｅａｒ
ｉｎｆｒａｒｅｄ
ｒｅｆｌｅｃｔａｎｃｅ
ｓｐｅｔｒｏｓｃｏｐｙ，ＮＩＲＳ）是利用有机化学物质在其近红外光谱区内的光学特性快速估测样品中的一项或多项化学成分含量的新技术［３］。近红外光是指波长在
７８０～２５００ｎｍ的红外光。其原理主要是由分子的
振动能级变化产生的，它是由与Ｈ有关的基团，如
ｏＨ、Ｎ—Ｈ、ｃ－Ｈ键的伸缩振动产生［４］。基于以上原
理，近红外光谱分析具有分析过程中样品基本不需处理、不消耗和破坏样品、仪器自身无污染等特点和优势，堪称是绿色分析技术的代表。因此，近红外光谱在分析测试领域，特别是作为过程分析仪器，在在线分析和工业控制领域正发挥着越来越重要的作用。
利用近红外光谱法测定发酵液中乙醇含量的研究在国内、外报道甚少，一般都是利用ＮＩＲＳ测定白酒、啤酒等中的乙醇含量，而直接测定谷物发酵液中乙醇含量的研究较少。此外，在直接测定的同时比较发酵液原液与上清液中乙醇含量关系并建立其测定模型的研究尚未见报道。
本研究利用ＮＩＲＳ可快速测定发酵液中乙醇的
第一作者：学士，工程师（段钢博士为通讯作者）。收穰日期：２００７—１２—２９
１３６
２～０８Ｖ０１．３４
Ｎｏ—．７（Ｔｏｔａｌ
２４７）
含量，并比较发酵液原液和发酵液上清液ＮＩＲＳ定标模型对预测乙醇含量的效果差异，获得满意的结果，与传统的比重法、气相色谱法及高效液相色谱法相比，更快捷、准确、经济和环保嘲。
１
材料与方法
１．１仪器
ＦＯＳＳ公司ＩｎｆｒａＸａｃｔＴＭ近红外光谱仪。１．２波段指标吸收峰
波长范围５７０－－－１８８０
ｎｍ，发酵液中乙醇在此波
段都有较强的吸收和稳定的信号。
１．３测量方式
反射、漫反射。１．４进样系统
采用ＦＯＳＳ公司的专用样品杯，该杯表面有特殊金镀层处理，能增强反射光谱。１．５软件系统
．
ＷｉｎＩＳＩＩＩＩ定量分析方式为偏最小二乘法
（ＰＬＳ）。
１．６样品来源
实验室自制，选择１２０个发酵样品。１．７样品成分含量液相色谱法测定。
样品分析采用ＨＰＬＣ法（Ａｇｉｌｉｅｎｔ１１００）；色谱柱Ｒｅｚｅｘ
ＲＯＡ－Ｏｒｇａｎｉｃ
Ａｃｉｄ；示差检测器；流动相
为０．００５ｍｏｌ／ＬＨ２Ｓ０４，流速０．６ｍＬ／ｍｉｎ，柱温６＂Ｃ，进样量２０ⅡＬ。１．８定标样品的收集
从光谱特征出发，对１２０个样品的图谱进行聚类
分析，类别数为６０，每１类取１个图谱作为标准样品，标准样品集共１００个样品，标准样品集的乙醇含
量在３．０７％～８．６４％，原１２０个样品的乙醇含量在２．９５％～８．６９％，基本能覆盖全部样品的乙醇含量范围，这样可以保证在预测时避免预测方程外推而产生较大的误差。
１．９样品的处理
（ａ）直接取３ｍＬ发酵液原液；（ｂ）取３ｍＬ发酵液原液，离心取其上清液。
１．１０光谱采集及数据录入
分别将ａ和ｂ样品倒于专用杯中，加上特殊金反射盖。在波长５７０～１７８０ｎｍ，每个样品图谱采用扫描３次，平均得到１条近红外光谱，并转化成ｌｏｇ（１／Ｒ）储存于计算机内，如图１和图２所示。
窖
：
警
Ｊ
雪量
波长／ｍ
图１发酵液原液的近红外光谱图：ｊ◆
波长／姗
图２发酵液上清液的近红外光谱图
１．１１光谱的数学处理
光谱分析采用ＦＯＳＳ公司提供的ＷｉｎｌＳＳＨＩ软件系统，用“标准正常化处理和散射处理”数学处理方法，对所收集的光谱进行处理和比较，了解光谱的特性并剔除异常光谱，并使用软件的自动条件筛选功能（软件优化条件：马氏距离ＧＨ＝３．０，邻居距离ＮＨ—ｏ．６），去除离散性大的样品和性质相似的样品，对样品群体的代表性进行优化。参数设置：导数处理（Ｄｅｒｉｖａｔｉｖｅ）＝１，光谱点间隔（ＧＡＰ）一４，一次平滑（Ｓｍｏｏｔｈｌ）＝４，二次平滑（Ｓｍｏｏｔｈ２）一１。
１．１２定标建模
在ＷｉｎＩＳＩ软件系统的化学计量方法中，采用ＰＬＳ最小二乘法回归技术和定标样品全光谱建立模型，将样品的光谱数据和化学值进行关联，确定二者间的定性或定量关系。样品集ａ所建立的模型为Ａ，样品集ｂ所建立的模型为Ｂ。以近红外分析结果为Ｘ轴，色谱分析结果为Ｙ轴，通过线性回归对预测集进行分析。
１．１３定标方程的验证
收集适当的未知样品，用近红外定标方程分析出数据，作为ＮＩＲ数据，同时用色谱法进行实验，所得的数据为ＬＡＢ数据，用数理统计方法对这些数据进行处理，以验证方程的准确度与精密度。样品分为定标集和验证集，先用定标样品集建立定标模型并作内部交叉验证，再用验证样品集进行外部验证，最后根据定标相关系数（ＲＳＱ），交叉验证相关系数（１一ＶＲ），定标标准误差（ＳＥＣ）和交叉检验标准误差（ＳＥＣＶ）等指标确定最优化校正模型。
２结果与分析
２．１预测模型参数结果
预测模型的优劣取决于所建模型相关系数的高低及误差的大小。较高的相关系数和较低的标准误差对一个可靠的预测模型是十分必要的，而定标样品的数量及含量范围则决定了预测模型的适用范围。
通常用定标相关系数（ＲＳＱ）、交叉验证相关系数（卜ＶＲ）、定标标准误差（ＳＥＣ）和交叉检验标准误差（ＳＥＣＶ）来衡量所建模型的好坏。定标集标准误差（ＳＥＣ）的大小反映了预测方程对自身的预测能力。定标集交互验证的标准偏差（ＳＥＣＶ）的大小则反映了预测方程的预测能力。（ＲＳＱ）和（１一ＶＲ）越大，（ＳＥＣ）和（ＳＥＣＶ）越小，则所建模型越好。
在建立预测模型时，需对光谱进行预处理，这样可消除各方面因素对光谱信息的影响。对光谱进行不同的数学处理和散射处理后对定标效果的影响如表１～表４所示。
注：回归分析采用ＰＬＳ，光谱校正采用ＳＮＶ＋Ｄｅｔｒｅｎｄ。
！Ｑ塑堡蔓丝查蔓！塑（璺差丝！塑２１１３７
裹２不同的数学处理对发酵液上清液乙醇含量定标集Ｂ的影响
０．９９４７０．９９４１０．９９３５
０．９９２９０．９９２６０．９９２
３
注：回归分析采用ＰＬＳ，光谱校正采用ｓＮＶ＋Ｄｅｔｒｅｎｄ。
裹３不同的散射校正方法对发酵液原液乙醇含量定标集Ａ的影晌
注：回归分析采用ＰＬＳ．数学处理采用１，４，４，１。
表４不同的散射校正方法对发酵液上清液乙醇含量定标集Ｂ的影响
注：回归分析采用ＰＬＳ，数学处理采用１，４，４，１。
如表１和表２中所示，对发酵液原液和发酵液上清液中乙醇含量，采用３种数学处理方法，显示出不同的预处理效果，从表１和表２的数据中看出，采用１，４，４，１组合，其标准误差（ＳＥＣ、ＳＥＣＶ）最小，定标相关系数（ＲＳＱ）和（１－ＶＲ）也最大。
如表３和表４中所示，采用不同的散射处理会产生不同的效果，其“ＳＮＶ＋Ｄｅｔｒｅｎｄ”（标准正态变量转换法结合趋势变换法）处理方法，稍好于另外２个处理方法。
２．２不同形态的样品集的比较
对上述２个定标样品集ａ（发酵液原液）、ｂ（发酵液上清液）分别建立预测模型Ａ和Ｂ，采用最佳的优化组合，“ＳＮＶ＋Ｄｅｔｒｅｎｄ”散射处理和１，４，４，１数学处理组合，其预测模型参数如表５、表６所示。从表５和表６的定量分析数据可见，此２个乙醇预测方程有很高的相关系数（ＲＳＱ）０．９９３０和０．９９４７；２个乙醇的预测模型都有较低的预测标准误差（ＳＥＣ）为
０．１２７２和０．１１３６。
表５发酵液原液乙醇含■定标集Ａ模型统计参数
注：回归分析采用ＰＬＳ，光谱校正“ＳＮＶ＋Ｄｅｔｒｅｎｄ”数学处理采用（１，４，４，１）。
表６发酵上清液乙醇含量定标集Ｂ模型统计参数
注：回归分析采用ＰＬＳ，光谱校正“ｓＮＶ＋Ｄｅｔｒｅｎｄ”数学处理采用（１，４，４，１）。
从图３和图４可以看出，２个预测模型对定标集样品ａ、ｂ，近红外光谱预测的值与其相应的真值的吻合程度很好，样品比较集中地分布在拟和线附近。从表５、表６看出，Ａ、Ｂ模型的（ＳＥＣＶ）值皆较小，说明这２个乙醇预测模型的预测效果较好。２．３模型预测效果的验证
１鞠ｆ
２—０８Ｖ０１．３４
Ｎｏ—．７（Ｔｏｔａｌ
２４７）
通常采用外部验证的方法，对所建模型的质量或实际预测效果进行评价。所谓外部验证是指用另一批完全独立的、化学成分已知的验证集样品对所建模型的实际预测能力进行验证。选取２０份样品，分别对创建的２个定标模型测试，并将ＮＩＲＳ的测定值与色谱法实测值作比较，如表７、表８所示。
７９
４
ｍ兰｜ｍ
０００
ｐＯ＾Ｏ
６
３
８
３ｎｎ地
Ｏ０Ｏ
ｉ
４４７
４４７
１口ｏ１
醇
乙
ＮＩＲ预测值
囹３发酵液中乙醇含量定标模型Ａ内部交叉证实相关图
ＮＩＲ预测值
图４发酵液中乙醇含量定标模型Ｂ内部交叉证实相关图
表７发酵液原液乙醇含量验证样品集Ａ模型统计参数
表７和表８的数据表明，Ａ模型的相关系数（ＲＳＱ）为０．９９０５，标准误差（ＳＥＣ）值为０．１５９６；Ｂ模型的相关系数（ＲＳＱ）为０．９９２１，标准误差（ＳＥＣ）值为０．１３１０。
且从表９可以看出，Ａ模型的近红外预测值与色谱分析值误差在一ｏ．２０１～Ｏ．２２０，Ｂ模型的近红外预测值与色谱分析值误差在一０．０８６～０．１００，说明２个定标模型可以较好地进行盲样测定。
襄９验证集样品乙醇含量的真值。预测值。绝对误差样品名ＨＰＬＣ值
模型Ａ模犁Ｂ
ＮＩＲ预测值绝对误差Ｎ承预测值绝对误差１３．１５７３．２７８—０．１２１３．２１８—０．０６１
２３．９５４４．０２９—０．０７５３．９５１０．００３
３４．０８２３．９４３０．１３９４．０８８—０．００６
４４．１６５４．００４０．１６１４．０９３０．０７２
５３．１８４３．１７２０．０１２３．１３８０．０４６
６５．５５３５．４８７０．０６６５．４６４０．０８９
７４．０７９４．１０７—０．０２８４．０４６０．０３３
８４．０７３４．１３７—０．０６４４．０８９—０．０１６
９５．８６８６．０６９—０．２０１５．９２２—０．０５４
１０６．１３９６．２０８—０．０６９６．２０４—０．０６５
１１５．９１６５．８７００．０４６５．８３３０．０８３
１２６．１０６６．１４５—０．０３９６．０１４０．０９９．
１３６．００３５．９０２０．１０１５．９２４０．０７９
１４７．０２６７．０８３—０．０５７６．９２６０．１００
１５６．８００６．７３４０．０６６６．８８６—０．０８６
１６８．０８７８．２００—０．１１３８．１０１—０．０１４
１７７．８９３７．６７３０．２２０７．８６９
０．０２４１８８．４０６８．５２９—０．１２３８．４６５—０．０５９
１９７．９４４８．０６２—０．１１８７．９７０—０．０２６
２０８．５４６８．５４３０．００３８．５５２—０．００６
上述内部交叉验证和外部验证结果证明，利用发酵液原液和发酵液上清液所建预测模型的相关系数均较高，预测标准差误差均较小，因此它们均可应用于乙醇含量分析；相对而言，发酵液上清夜所建模型的预测准确性比发酵液模型的预测准确性稍高。
３结论
（１）应用近红外光谱分析技术和偏最小二乘法（ＰＬＳ），选择最佳的光谱处理方法建立了定量测定发酵液中的乙醇含量的数学模型。内部交叉验证预测值和真值之间的相关系数（ＲＳｑ）分别为０．９９３０（发酵液原液）和０．９９４７（发酵液上清液），相应的标准误差（ＳＥｅ）分别为０．１２７２和０．１１３６；外部验证预测值和真值之间的ＲＳＱ值分别为０．９９０５（发酵液原液）和０．９９２１（发酵液上清液），其相对应的标准误差ＳＥＣ分别为０．１５９６和０．１３１０。说明发酵液原液和发酵液上清液ＮＩＲＳ数学模型均具有较高的预测准确性，可应用于酒精发酵在线控制。同时对不同样品形态所建立的数学模型的效果进行了比较。在定标样品集相同的情况下，发酵上清液模型的预测准确性比发酵液原液的稍高。所以在实际应用近红外技术时，可以根据不同的研究目的，选择利用不同的预测模型。
（２）近红外分析属于“二手分析方法”，其可靠程度依赖于实验室的分析方法，实验室分析测试数据的
２００８年第３４卷第７期（总第２４７期）１：３９趔譬ｄ
枷ｑ鸟．
准确性将直接决定建立模型的可靠性与适用性；且参
与定标建模的样品光谱应具有相似性又要能代表光谱间最大差异，应覆盖实际应用所分析样品的所有变异性。稳定性好，适应性强的预测模型，才能得到可靠的预测分析结果。
（３）近红外光谱技术用于检测发酵液中乙醇的含量，具有速度快、准确度高的优点，表明该方法测量发酵液中的乙醇含量是可行的。这种方法可以及时地根据测定数据在生产过程中实时监控，对指导生产过程有重要的意义。
参考文献
１肖新亮．实用分析化学（修订版）Ｉ－Ｍ］．天津：天津大学出２
４
版社，２０００．３０７
刘虎威．气相色谱方法及应用［Ｍ］．北京：化学工业出版社，２０００．１９，６０
张子仪，陈雪秀，任鹏，等．近红外光谱分析技术［Ｍ］．北京：中国农业科技出版社，１９９２
丁丽敏，计成，戒易，等．近红外光谱分析技术及其在评定饲料营养价值中的应用Ｉ－Ｊ］．中国饲料，１９９７，（１～２）：１１～１３
史月华．傅立叶变换近红外光谱法同时定量分析水溶液中的乙醇果糖和葡萄糖［Ｊ］．分析化学，２００１，（１０）：１２１３～】２】５
ＮｅｗＭｏｄｅｌｓｆｏｒＮＩＲＳＡｎａｌｙｓｉｓｏｆＡｌｃｏｈｏｌｉｎＦｅｒｍｅｎｔａｔｉｏｎＢｒｏｔｈ
ＬｉＹａｎｐｉｎｇ，ＸｕＨｏｎｇｘｉａｎ，ＱｉａｎＹｉｎｇ，ＤｕａｎＧａｎｇ
（Ｇｅｎｅｎｃｏｒ（Ｗｕｘｉ）ＢｉｏｐｒｏｄｕｃｔｓＣｏＬｔｄ．ＡＤａｎｉｓｃｏＤｉｖｉｓｉｏｎ，Ｗｕｘｉ２１４０８２，Ｃｈｉｎａ）
ＡＢＳＴＲＡＣＴＷｉｔｈｎｅａｒｉｎｆｒａｒｅｄｒｅｆｌｅｃｔａｎｃｅｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｅ（ＮＩＲＳ），ｍｏｄｅｌｓｆｏｒｑｕａｎｔｉｔａｔｉｖｅａｎａｌｙｓｉｓｏｆａｌｃｏｈｏｌｃｏｎｔｅｎｔｉｎｄｉｆｆｅｒｅｎｔｔｙｐｅｓｏｆｆｅｒｍｅｎｔａｔｉｏｎｂｒｏｔｈｗｅｒｅｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄｂｙｕｓｉｎｇｐａｒｔｉａｌｌｅａｓｔｓｑｕａｒｅ（ＰＬＳ）ｍｅｔｈｏｄ．Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｉｎｄｉｃａｔｅｄｇｏｏｄｃｏｒｒｅｌａｔｉｏｎｓａｍｏｎｇｔｈｅｍｏｄｅｌｓｂｙｔｈｅｓｔａｎｄａｒｄｅｒｒｏｒｓ（ＳＥＣ）ｆｏｒｃａｌｉｂｒａｔｉｏｎ，ＳＥＣＶｆｏｒｃｒｏｓｓｖａｌｉｄａｔｉｏｎａｎｄｄｅｔｅｒｍｉｎａｔｉｏｎｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔｓＲＳＱｆｏｒｃａｌｉｂｒａｔｉｏｎａｎｄ１一ＶＲｆｏｒｃａｌｉｂｒａｔｉｏｎ．ＴｈｅｍｅｔｈｏｄｏｆＮＩＲＳｈａｓｈｉｇｈａｃｃｕｒａｃｙｉｎｐｒｅｄｉｃｔｉｎｇｔｅｓｔｓｏｆｃｒｏｓｓｖａｌｉｄａｔｉｏｎａｎｄｉｎｄｅｐｅｎｄｅｎｔｖａｌｉｄａｔｉｏｎ，ｔｈｕｓｏｆ－ｆｅｒｉｎｇａｎｅｗａｎｄｅｆｆｉｃｉｅｎｔｗａｙｆｏｒｑｕｉｃｋａｎａｌｙｓｉｓ／ｏｎ－－ｌｉｎｅｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇｏｆｆｅｒｍｅｎｔａｔｉｏｎａｌｃｏｈｏｌｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ．
Ｋｅｙｗｏｒｄｓｎｅａｒｉｎｆｒａｒｅｄｒｅｆｌｅｃｔａｎｃｅｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ，ｆｅｒｍｅｎｔａｔｉｏｎ，ａｌｃｏｈｏｌ，ｃａｌｉｂｒａｔｉｏｎｍｏｄｅｌ
（上接第１３５页）
ＤｅｔｅｒｍｉｎａｔｉｏｎｏｆＡｃｒｙｌａｍｉｄｅｉｎＨｅａｔＴｒｅａｔｍｅｎｔＦｏｏｄｂｙＵｌｔｒａＨｉｇｈ
ＰｅｒｆｏｒｍａｎｃｅＬｉｑｕｉｄＣｈｒｏｍａｔｏｇｒａｐｈｙＴａｎｄｅｍＭａｓｓＳｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ
ＧｅＹｕｌ，ＺｈａｏＸｕｌｉ２，ＣｈａｏＱｉａｎｇｇｕ０１
１（ＮａｔｉｏｎａｌＦｏｏｄＱｕａｌｉｔｙＳｕｐｅｒｖｉｓｉｏｎａｎｄＩｎｓｐｅｃｔｉｏｎＣｅｎｔｅｒ（Ｓｈａｎｇｈａｉ）｜ＳｈａｎｇｈａｉＩｎｓｔｉｔｕｔｅ
ｏｆＱｕａｌｉｔｙＩｎｓｐｅｃｔｉｏｎａｎｄＴｅｃｈｎｉｃａｌＲｅｓｅａｒｃｈ，Ｓｈａｎｇｈａｉ２００２３３，Ｃｈｉｎａ）
２（ＥａｓｔＣｈｉｎａＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＳｃｉｅｎｃｅ＆ＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＢｉｏｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＤｅｐａｒｔｍｅｎｔ，Ｓｈａｎｇｈａｉ２００２３７，Ｃｈｉｎａ）
ＡＢＳＴＲＡＣＴＴｈｉｓｒｅｓｅａｒｃｈｂｕｉｌｔｕｐａｍｅｔｈｏｄｏｆｕｌｔｒａｈｉｇｈｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｌｉｑｕｉｄｃｈｒｏｍａｔｏｇｒａｐｈｙｔａｎｄｅｍｍａｓｓｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙｆｏｒｔｈｅｄｅｔｅｒｍｉｎａｔｉｏｎｏｆａｃｒｙｌａｍｉｄｅｉｎｈｅａｔｅｄｆｏｏｄ．Ｔｈｅｐｒｅ－ｐｒｅｐｒａｔｉｏｎｓｔｅｐｓｉｎｃｌｕｄｅｄｅｆａｔｕｓｉｎｇｈｅｘａｎｅ，ｄｉｓｔｉｌｌｗｉｔｈｓｏｄｉｕｍｃｈｌｏｒｉｄｅ，ｅｘｔｒａｃｔｉｏｎｗｉｔｈｅｔｈｙｌａｃｅｔａｔｅａｎｄｓｏｌｉｄｐｈａｓｅｅｘｔｒａｃｔｉｏｎｗｉｔｈＯａｓｉｓＨＬＢ．ＷｈａｔｔｈｅｓｅｐａｒａｔｉｏｎｏｆｓａｍｐｌｅｕｓｅｓｉｓＡＣＱＵＩＴＹＵＰＬＣＨＳＳＴ３（１．８ｕｒｎ，１５０ｍｍ×２．１ｍｍ），ｗｉｔｈ０．１％ｆｏｒｍｉｃａｃｉｄａｎｄｍｅｔｈａｎｏｌ（ｔｈｅｖｏｌｕｍｅｒａｔｉｏｉｓ’９０：ｉ０）ａｓｍｏｂｉｌｅｐｈａｓｅ．Ｔｈｉｓｍｅｔｈｏｄｈａｓｈｉｇｈｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙａｎｄｇｏｏｄｒｅｐｅａｔａｂｉｌｉｔｙｔｈｒｏｕｇｈｔｈｅｖａｌｉｄａｔｉｏｎｏｆｐｒｅｃｉｓｉｏｎ，ｒｅｐｅａｔａｂｉｌｉｔｙａｎｄｒｅｃｏｖｅｒｙ，ａｎｄｉｔｃａｎｓａｔｉｓｆｙｔｒａｃｅａｎａｌｙｔｉｃａｌｒｅｑｕｅｓｔ．Ｍｏｒｅｔｈａｎ１２１ｋｉｎｄｓｏｆｈｅａｔｅｄｆｏｏｄｓｏｌｄｉｎｔｈｅｃｉｔｙａｒｅｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅｄａｆｔｅｒｔｈｉｓｍｅｔｈｏｄａｒｅｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ．
ＫｅｙｗｏｒｄｓＵＰＬＣ－ＭＳ／ＭＳ，ｈｅａｔｅｄｆｏｏｄ，ａｃｒｙｌａｍｉｄｅ，ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ
１加２００８Ｖｏｌ３４Ｎｏ７（ＴｏｔｏＩ２４７）
原子发射光谱分析 1、原子发射光谱分析的基本原理（依据） 2、ICP光源形成的原理及特点（习题2） ：ICP是利用高频加热原理。 当在感应线圈上施加高频电场时，由于某种原因（如电火花等）在等离子体工作气体中部分电离产生的带电粒子在高频交变电磁场的作用下做高速运动，碰撞气体原子，使之迅速、大量电离，形成雪崩式放电，电离的气体在垂直于磁场方向的截面上形成闭合环形的涡流，在感应线圈内形成相当于变压器的次级线圈并同相当于初级线圈的感应线圈耦合，这种高频感应电流产生的高温又将气体加热、电离，并在管口形成一个火炬状的稳定的等离子体焰矩。 其特点如下： 工作温度高、同时工作气体为惰性气体，因此原子化条件良好，有利于难熔化合物的分解及元素的激发，对大多数元素有很高的灵敏度。 （2）由于趋肤效应的存在，稳定性高，自吸现象小，测定的线性范围宽。（3）由于电子密度高，所以碱金属的电离引起的干扰较小。 （4）ICP属无极放电，不存在电极污染现象。 （5）ICP的载气流速较低，有利于试样在中央通道中充分激发，而且耗样量也较少。 （6）采用惰性气体作工作气体，因而光谱背景干扰少。 3、掌握特征谱线、共振线、灵敏线、最后线、分析线的含义及其它们之间的内 在联系。（习题3） 4、：由激发态向基态跃迁所发射的谱线称为共振线(resonance line)。共振线 具有最小的激发电位，因此最容易被激发，为该元素最强的谱线。 5、灵敏线(sensitive line) 是元素激发电位低、强度较大的谱线，多是共振 线(resonance line)。 最后线(last line) 是指当样品中某元素的含量逐渐减少时，最后仍能观察到的几条谱线。它也是该元素的最灵敏线。 进行分析时所使用的谱线称为分析线(analytical line)。 由于共振线是最强的谱线，所以在没有其它谱线干扰的情况下，通常选择共振线作为分析线。 发射光谱定性分析的基本原理和常用方法。（习题5 由于各种元素的原子结构不同，在光源的激发下，可以产生各自的特征谱线，其波长是由每种元素的原子性质决定的，具有特征性和唯一性，因此可以通过检查谱片上有无特征谱线的出现来确定该元素是否存在，这就是光谱定性分析的基础。 进行光谱定性分析有以下三种方法： （1）比较法。将要检出元素的纯物质或纯化合物与试样并列摄谱于同一感光板上，在映谱仪上检查试样光谱与纯物质光谱。若两者谱线出现在同一波长位置上，即可说明某一元素的某条谱线存在。本方法简单易行，但只适用于试样中指定组分的定性。
红外光谱仪调查及实验报告 第一部分红外光谱仪调查 1．1 简介 傅里叶红外光谱仪： 全名为傅里叶变换红外光谱仪（Fourier Transform Infrared Spectrometer，FTIR Spectrometer），是基于对干涉后的红外光进行傅里叶变换的原理而开发的红外光谱仪，主要由红外光源、光阑、干涉仪（分束器、动镜、定镜）、样品室、检测器以及各种红外反射镜、激光器、控制电路板和电源组成。傅里叶红外光谱仪不同于色散型红外分光的原理，可以对样品进行定性和定量分析，广泛应用于医药化工、地矿、石油、煤炭、环保、海关、宝石鉴定、刑侦鉴定等领域。 滤光片型近红外光谱仪器： 滤光片型近红外光谱仪器以滤光片作为分光系统，即采用滤光片作为单色光器件。滤光片型近红外光谱仪器可分为固定式滤光片和可调式滤光片两种形式，其中固定滤光片型的仪器时近红外光谱仪最早的设计形式。仪器工作时，由光源发出的光通过滤光片后得到一宽带的单色光，与样品作用后到达检测器。 色散型近红外光谱仪器： 色散型近红外光谱仪器的分光元件可以是棱镜或光栅。为获得较高分辨率，现代色散型仪器中多采用全息光栅作为分光元件，扫描型仪器通过光栅的转动，使单色光按照波长的高低依次通过样品，进入检测器检测。根据样品的物态特性，可以选择不同的测样器件进行投射或反射分析。 傅里叶变换型近红外光谱仪器： 傅里叶变换近红外分光光度计简称为傅里叶变换光谱仪，它利用干涉图与光谱图之间的对应关系，通过测量干涉图并对干涉图进行傅里叶积分变换的方法来测定和研究近红外光谱。其基本组成包括五部分：①分析光发生系统，由光源、分束器、样品等组成，用以产生负载了样品信息的分析光；②以传统的麦克尔逊干涉仪为代表的干涉仪，以及以后的各类改进型干涉仪，其作用是使光源发出的光分为两束后，造成一定的光程差，用以产生空间（时间）域中表达的分析光，即干涉光；③检测器，用以检测干涉光；④采
红外各基团特征峰对照表 一、红外吸收光谱中的重要区段： 1) O-H、N-H伸缩振动区(3750~3000 cm-1) 2) 不饱和碳上的C-H伸缩振动区(3300~3000 cm-1) 不饱和碳(三键和双键、苯环)上的C-H的伸缩振动在3300~3000 cm-1区域中出现不同的吸收峰。 3) C-H伸缩振动区(3000~2700 cm-1) 饱和碳上的C-H伸缩振动(包括醛基上的C-H) 4) 叁键和累积双键区(2400~2100 cm-1) 波数在2400~2100 cm-1区域内的谱带较少。 5) 羰基的伸缩振动区(1900~1650 cm-1) 羰基的吸收最常见出现的区域为1755~1670 cm-1。由于羰基的电偶极矩较大，一般吸收都很强烈，常成为IR光谱中的第一强峰。 6) 双键伸缩振动区(1690~1500 cm-1) 该区主要包括C=C，C=N，N=N，N=O等的伸缩振动以及苯环的骨架振动(σC=C)。 7) X-H面内弯曲振动及X-Y伸缩振动区(1475~1000 cm-1) 这个区域主要包括C-H面内弯曲振动, C-O、C-X(卤素)等伸缩振动, 以及C-C单键骨架振动等。该区域是指纹区的一部分。 8) C-H面外弯曲振动区（1000~650 cm-1） 烯烃、芳烃的C-H面外弯曲振动（σC-H）在1000~650 cm-1区。苯环邻二取代：770~735cm-1；苯环间二取代：710~690、810~750cm-1；苯环对二取代：830~810cm-1 具体对照表如下所示： （其中：VS：很强；W：弱；S：强；VW：很弱；m：中等；w：宽） 1、O-H、
X射线荧光光谱仪定量分析方法 利用X射线荧光光谱仪分析物质组分时，除了正确使用和操作X射线荧光光谱仪外，还需要研究制定合理、准确的定量分析方法。定量分析是要利用一定的实验或数学方法，准确获得未知样品中各元素的定量浓度数据。 定量分析的前提是要保证样品的代表性和均匀性。过度强调分析准确度，而忽视样品采集方法和采样理论的研究应用，是不科学、不合理的。只有采集具有代表性的特征样品，才具有科学价值和实际意义。目前关于采样理论的研究还有待于深入探讨。此处我们主要关注如何确保定量分析方法的准确。 要进行定量分析，需要完成三个步骤。首先要根据待测样品和元素及分析准确度要求，采用一定的制样方法，保证样品均匀和合适的粒度；并通过实验，选择合适的测量条件，对样品中的元素进行有效激发和实验测量；再运用一定的方法，获得净谱峰强度，并在此基础上，借助一定的数学方法，定量计算分析物浓度。这里主要讨论获取净强度的途径和定量分析方法。 一、获取谱峰净强度 要获得待测元素的浓度，首先要准确测量出待测元素的谱峰净强度。谱峰净强度等于谱峰强度减去背景。 尽管真实背景是指分析物为零时，在对应于分析元素能量或波长处测得的计数，但这样做并不实际，因为背景依赖于基体组分。因此，使用一种不含分析物的所谓“空白”样测量背景并用于背景校正是危险的、不正确的。 当峰背比大于10时，背景影响较小。这时，最佳计数方式是谱峰计数时间要长于背景计数时间。当峰背比小于10时，背景影响较大，需要准确扣除。 扣除背景方法主要有单点法和两点法，如图1—1所示。其净强度采用以下两式计算： I P I P I P I b θp θb θL θP θH θP (a)单点扣背景（b）两点扣背景（c）扣重叠干扰 图1—1 单点法和两点法扣除背景 单点法： I net = I P －I b 两点法： I net = I p －(I H ＋I L )/2 当谱峰两边的背景比较平滑时，可采用单点扣背景，多在分析线波长的长波一侧，例如高出1°（2θ），选择高度角也是因为在某些情况下要考虑卫星线，
竭诚为您提供优质文档/双击可除无水乙醇红外光谱分析实验报告 篇一：红外光谱分析实验报告 一、【实验题目】 红外光谱分析实验 二、【实验目的】 1.了解傅立叶变换红外光谱仪的基本构造及工作原理 2.掌握红外光谱分析的基础实验技术 3.学会用傅立叶变换红外光谱仪进行样品测试 4.掌握几种常用的红外光谱解析方法 三、【实验要求】 利用所学过的红外光谱知识对碳酸钙、聚乙烯醇、丙三醇、乙醇的定性分析制定出合理的样品制备方法；并对其谱图给出基本的解析。 四、【实验原理】 红外光是一种波长介于可见光区和微波区之间的电磁波谱。波长在0.78～300μm。通常又把这个波段分成三个区域，即近红外区：波长在0.78～2.5μm（波数在12820～
4000cm-1），又称泛频区；中红外区：波长在2.5～25μm（波数在4000～400cm-1），又称基频区；远红外区：波长在25～300μm（波数在400～33cm-1），又称转动区。其中中红外区是研究、应用最多的区域。 红外区的光谱除用波长λ表征外，更常用波数（wavenumber）σ表征。波数是波长的倒数，表示单位厘米波长内所含波的数目。其关系式为： 作为红外光谱的特点，首先是应用面广，提供信息多且具有特征性，故把红外光谱通称为"分子指纹"。它最广泛的应用还在于对物质的化学组成进行分析。用红外光谱法可以根据光谱中吸收峰的位置和形状来推断未知物的结构，依照特征吸收峰的强度来测定混合物中各组分的含量。其次，它不受样品相态的限制，无论是固态、液态以及气态都能直接测定，甚至对一些表面涂层和不溶、不熔融的弹性体（如橡胶）也可直接获得其光谱。它也不受熔点、沸点和蒸气压的限制，样品用量少且可回收，是属于非破坏分析。而作为红外光谱的测定工具-红外光谱仪，与其他近代分析仪器（如核磁共振波谱仪、质谱仪 等）比较，构造简单，操作方便，价格便宜。因此，它已成为现代结构化学、分析化学最常用和不可缺少的工具。根据红外光谱与分子结构的关系，谱图中每一个特征吸收谱带都对应于某化合物的质点或基团振动的形式。因此，特征吸收
如何解析红外光谱图 一、预备知识 （1）根据分子式计算不饱和度公式： 不饱和度Ω＝n4+1+(n3-n1)/2其中： ：化合价为4价的原子个数（主要是C原子）， n 4 ：化合价为3价的原子个数（主要是N原子）， n 3 n ：化合价为1价的原子个数（主要是H,X原子） 1 （2）分析3300~2800cm-1区域C-H伸缩振动吸收；以3000 cm-1为界：高于3000cm-1为不饱和碳C-H伸缩振动吸收，有可能为烯，炔，芳香化合物；而低于3000cm-1一般为饱和C-H伸缩振动吸收； （3）若在稍高于3000cm-1有吸收,则应在 2250~1450cm-1频区，分析不饱和碳碳键的伸缩振动吸收特征峰，其中炔 2200~2100 cm-1，烯 1680~1640 cm-1 芳环 1600,1580,1500,1450 cm-1若已确定为烯或芳香化合物，则应进一步解析指纹区，即1000~650cm-1的频区，以确定取代基个数和位置（顺、反，邻、间、对）； （4）碳骨架类型确定后,再依据官能团特征吸收，判定化合物的官能团； （5）解析时应注意把描述各官能团的相关峰联系起来，以准确判定官能团的存在,如2820，2720和1750~1700cm-1的三个峰，说明醛基的存在。 二、熟记健值 1.烷烃：C-H伸缩振动（3000-2850cm-1）C-H弯曲振动（1465-1340cm-1） 一般饱和烃C-H伸缩均在3000cm-1以下，接近3000cm-1的频率吸收。 2.烯烃：烯烃C-H伸缩（3100~3010cm-1），C=C伸缩(1675~1640 cm-1)，烯烃C-H 面外弯曲振动（1000~675cm-1）。 3.炔烃：炔烃C-H伸缩振动（3300cm-1附近），三键伸缩振动（2250~2100cm-1）。 4.芳烃：芳环上C-H伸缩振动3100~3000cm-1, C=C 骨架振动1600~1450cm-1, C-H 面外弯曲振动880~680cm-1。 芳烃重要特征：在1600，1580，1500和1450cm-1可能出现强度不等的4个峰。C-H面外弯曲振动吸收880~680cm-1，依苯环上取代基个数和位置不同而发生变化，在芳香化合物红外谱图分析中，常用判别异构体。
红外光谱的原理及应用 (一)红外吸收光谱的定义及产生 分子的振动能量比转动能量大，当发生振动能级跃迁时，不可避免地伴随有转动能级的跃迁，所以无法测量纯粹的振动光谱，而只能得到分子的振动-转动光谱，这种光谱称为红外吸收光谱 红外吸收光谱也是一种分子吸收光谱。当样品受到频率连续变化的红外光照射时，分子吸收了某些频率的辐射，并由其振动或转动运动引起偶极矩的净变化，产生分子振动和转动能级从基态到激发态的跃迁,使相应于这些吸收区域的透射光强度减弱。记录红外光的百分透射比与波数或波长关系曲线，就得到红外光谱 （二）基本原理 1产生红外吸收的条件 (1)分子振动时，必须伴随有瞬时偶极矩的变化。对称分子：没有偶极矩，辐射不能引起共振，无红外活性。如：N2、O2、Cl2 等。非对称分子：有偶极矩，红外活性。 (2)只有当照射分子的红外辐射的频率与分子某种振动方式的频率相同时，分子吸收能量后，从基态振动能级跃迁到较高能量的振动能级，从而在图谱上出现相应的吸收带。 2分子的振动类型 伸缩振动：键长变动，包括对称与非对称伸缩振动 弯曲振动：键角变动，包括剪式振动、平面摇摆、非平面摇摆、扭曲振动 3几个术语 基频峰：由基态跃迁到第一激发态，产生一个强的吸收峰，基频峰； 倍频峰：由基态直接跃迁到第二激发态，产生一个弱的吸收峰，倍频峰； 组频：如果分子吸收一个红外光子，同时激发了基频分别为v1和v2的两种跃迁，此时所产生的吸收频率应该等于上述两种跃迁的吸收频率之和，故称组频。 特征峰：凡是能用于鉴定官能团存在的吸收峰，相应频率成为特征频率。 相关峰：相互可以依存而又相互可以佐证的吸收峰称为相关峰 4影响基团吸收频率的因素 （1 外部条件对吸收峰位置的影响：物态效应、溶剂效应 （2分子结构对基团吸收谱带的影响： 诱导效应：通常吸电子基团使邻近基团吸收波数升高，给电子基团使波数降低。 共轭效应：基团与吸电子基团共轭，使基团键力常数增加，因此基团吸收频率升高，基团与给电子基团共轭，使基团键力常数减小，因此基团吸收频率降低。 当同时存在诱导效应和共轭效应，若两者作用一致，则两个作用互相加强，不一致，取决于作用强的作用。 （3）偶极场效应：互相靠近的基团之间通过空间起作用。 （4）张力效应：环外双键的伸缩振动波数随环减小其波数越高。 （5）氢键效应：氢键的形成使伸缩振动波数移向低波数，吸收强度增强 （6）位阻效应：共轭因位阻效应受限，基团吸收接近正常值。 （7）振动耦合，（8）互变异构的影响 （三）红外吸收光谱法的解析 红外光谱一般解析步骤 1. 检查光谱图是否符合要求; 2. 了解样品来源、样品的理化性质、其他分析的数据、样品重结晶溶剂及纯度; 3. 排除可能的―假谱带‖; 4. 若可以根据其他分析数据写出分子式，则应先算出分子的不饱和度U
原子吸收定量分析方法 一、定量分析方法(P145) (1)标准曲线法： 配制一系列浓度不同的标准溶液，在相同测定条件下，测定标准系列溶液和待测试样溶液的吸光度，绘制A-c标准曲线，由待测溶液的吸光度值在标准曲线上得到其含量。 (2) 标准加入法 当试样组成复杂，待测元素含量很低时，应采用标准加入法进行定量分析。 取若干份体积相同的试液（cX），依次按比例加入 不同量的待测物的标准溶液（cO）: 浓度依次为：cX ，cX+cO ，cX+2cO ，cX+3cO ，cX+4cO … 分别测得吸光度为：AX ，A1 ，A2 ，A3 ，A4 … 直线外推法：以A对浓度c做图得一直线，图中c X点即待测溶液浓度。 (3)稀释法： (4)内标法： 在标准试样和被测试样中，分别加入内标元素，测定分析线和内标线的吸光度比，并以吸光度比与被测元素含量或浓度绘制工作曲线。 内标元素的选择：内标元素与被测元素在试样基体内及在原子化过程中具有相似的物理化学性质，样品中不存在，用色谱纯或者已知含量 二、灵敏度和检出限 (1)灵敏度 1、定义： 在一定浓度时，测定值（吸光度）的增量(ΔA)与相应的待测元素浓度(或质量)的增量(Δc 或Δm)的比值（即分析校正曲线的斜率） PS:习惯上用特征浓度和特征质量表征灵敏度 2、特征浓度 定义：能产生1%吸收或产生0.0044吸光度时所对应的被测元素的质量浓度定义为元素的特征浓度 3、特征质量 定义：能产生1%吸收或产生0.0044吸光度时所对应的被测元素的质量定义为元素的特征质量。 (2)检出限 定义： 适当置信度下，能检测出的待测元素的最低浓度或最低质量。用接近于空白的溶液，经若干次重复测定所得吸光度的标准偏差的3倍求得。
仪器分析实验 实验名称：红外光谱分析实验 学院：化学工程学院专业：化学工程与工艺班级： 姓名：学号： 指导教师： 日期：
一、 实验目的 1、掌握溴化钾压片法制备固体样品的方法； 2、学习并掌握美国尼高立IR-6700型红外光谱仪的使用方法； 3、初步学会对红外吸收光谱图的解析。 二、实验原理 红外光是一种波长介于可见光区和微波区之间的电磁波谱。波长在0.75～1000μm 。通常又把这个波段分成三个区域，即近红外区：波长在0.75～2.5μm （波数在13300～4000cm -1），又称泛频区；中红外区：波长在 2.5～50μm （波数在4000～200cm -1），又称振动区；远红外区：波长在50～1000μm （波数在200～10cm -1），又称转动区。其中中红外区是研究、应用最多的区域。 红外区的光谱除用波长λ表征外，更常用波数σ表征。波数是波长的倒数，表示单位厘米波长内所含波的数目。其关系式为： )(10)(4 1 cm cm λσ=- 三、仪器和试剂 1、仪器： 美国尼高立IR-6700 2、试剂： 溴化钾，聚乙烯，苯甲酸 3、傅立叶红外光谱仪(FTIR)的构造及工作原理 计算机检测器样品室干涉仪光源?→??→??→??→? 四、实验步骤 1、打开红外光谱仪并稳定大概5分钟，同时进入对应的计算机工作站。 2、波数检验：将聚乙烯薄膜插入红外光谱仪的样品池处，从4000-650cm -1进行 波数扫描，得到吸收光谱。然后将所得的谱图与计算机上的标准谱图进行匹配，分析得到最吻合的图谱，即可判断物质结构。 3、测绘苯甲酸的红外吸收光谱——溴化钾压片法 取1-2mg 苯甲酸，加入在红外灯下烘干的100-200mg 溴化钾粉末，在玛瑙研钵中充分磨细（颗粒约2μm ），使之混合均匀。取出约80mg 混合物均匀铺洒在干净的压模内，于压片机上制成直径透明薄片。将此片装于固体样品架上，样品架插入红外光谱仪的样品池处，从4000-400cm -1进行波数扫描，得到吸收光谱。然后将所得的谱图与计算机上的标准谱图进行匹配。 4、结束实验，关闭工作站和红外光谱仪。
物质的红外光谱是其分子结构的反映，谱图中的吸收峰与分子中各基团的振动形式相对应。多原子分子的红外光谱与其结构的关系，一般是通过实验手段得到。这就是通过比较大量已知化合物的红外光谱，从中总结出各种基团的吸收规律。实验表明，组成分子的各种基团，如O-H、N-H、C-H、C=C、C=OH和C C 等，都有自己的特定的红外吸收区域，分子的其它部分对其吸收位置影响较小。通常把这种能代表及存在、并有较高强度的吸收谱带称为基团频率，其所在的位置一般又称为特征吸收峰。 一、基团频率区和指纹区 （一）基团频率区 中红外光谱区可分成4000 cm-1 ~1300 cm-1和1800cm-1 （1300 cm-1 ）~ 600 cm-1两个区域。最有分析价值的基团频率在4000 cm-1 ~ 1300 cm-1 之 间，这一区域称为基团频率区、官能团区或特征区。区内的峰是由伸缩振动产生的吸收带，比较稀疏，容易辨认，常用于鉴定官能团。在1800 cm-1 （1300 cm-1 ）~600 cm-1 区域内，除单键的伸缩振动外，还有因变形振动产生的谱带。这种振动与整个分子的结构有关。当分子结构稍有不同时，该区的吸收就有细微的差异，并显示出分子特征。这种情况就像人的指纹一样，因此称为指纹区。指纹区对于指认结构类似的化合物很有帮助，而且可以作为化合物存在某种基团的旁证。基团频率区可分为三个区域： （1）4000 ~2500 cm-1 X-H伸缩振动区，X可以是O、H、C或S等原子。 O-H基的伸缩振动出现在3650 ~3200 cm-1 范围内，它可以作为判断有无醇类、酚类和有机酸类的重要依据。当醇和酚溶于非极性溶剂（如CCl4），浓度于0.01mol. dm-3时，在3650 ~3580 cm-1处出现游离O-H基的伸缩振动吸收，峰形尖锐，且没有其它吸收峰干扰，易于识别。当试样浓度增加时，羟基化合物产生缔合现象，O-H基的伸缩振动吸收峰向低波数方向位移，在3400 ~3200 cm-1 出现一个宽而强的吸收峰。胺和酰胺的N-H伸缩振动也出现在3500~3100 cm-1 因此，可能会对O-H伸缩振动有干扰C-H的伸缩振动可分为饱和和不饱和的两种。饱和的C-H伸缩振动出现在3000 cm-1以下，约3000~2800 cm-1 ，取代基对它们影响很小。如-CH3 基的伸缩吸收出现在2960 cm-1和2876 cm-1附近；-
红外光谱在实际中的应用 毛志强 化学与生命科学学院化学0802班学号：200823140211 摘要：本文介绍了红外光谱的最新发展，阐述中红外光谱法（MIR）,近红外分析法(NIR)的基本原理，比较了二者红外光谱定性,定量分析的基本原理和方法，对新近发展的近红外光谱分析法中漫反射光谱法和透射光谱法做出了简介，列举其在日常生活和工业生产上的应用，对红外光谱分析法的发展前景做出展望。 关键词：中红外光谱法（MIR）;近红外分析法(NIR);漫反射光谱法;透射光谱法;红外光谱定性;定量分析 前言 红外光谱是是由于分子在振动能级（包括转动能级）间跃迁产生的吸收光谱。红外光介于微波区和和可见光区之间，根据波长不同，分为三个区段：近红外区（13000 cm-1—4000cm-1 ），中红外区（4000cm-1—400cm-1）,远红外区（400cm-1—10cm-1）。其中，中红外区是绝大多数有机化合物或药物的基频吸收区，是红外光谱研究的主要区段。近红外区是OH,NH和CH的倍频或组频吸收区，近年来其应用和发展异常迅猛，越来越受人们重视，有人认为这一发展“是一场分析技术的革命[1]”。 在过去近半个世纪里，因为该区域吸收信号弱，谱峰重叠，解析困难，几乎没有对该区域进行应用开发的研究。仪器的数字化和化学计量学的发展解决了光谱信息的提取和背景干扰，并且取得了巨大的成就。由于该区域的官能团OH,NH和CH几乎覆盖绝多数部分的化工产品，农牧业产品，所以红外分析技术可应用于石油化工，基本有机工业，精细有机化工，制药，生物体液分析，食品，饮料，烟草，纺织，造纸和化妆等行业。同时它也是政府质量监督部门，环境保护部门常规监控分析的有力手段。本文着重对应用比较广泛的傅里叶中红外光谱法（MIR），近红外光谱法（NIR）原理和应用及其优点和缺陷进行了介绍[2]。 正文
1Cr18Ni9Ti 材质元素含量铁基线强度对比1Cr18Ni9Ti：Cr：17.00-19.00 Cr6=7 -------Cr6>7 Ni：8.00-11.00 1>32>61=4 Ti：0.02-0.8 2≥32=4 （黄绿色第一区） Cr5 Cr6 2 5 3 Cr7 1647 （绿色第一区域） 2 Ti 3 2 2 1 Ti3Ni33W26Ni Ni区V8Cr1Ti2 4 1W37
12CrIMoV 材质元素含量铁基线强度对比 12Cr1MoV：Cr：0.90-1.20 Cr5＜4并Cr6＞3┄┄ Cr5≤4或Cr5≥4 Mo：0.25-0.35 1≥3 1＞3 1＜4 V： 0.15-0.30 1≤1 （黄绿色第一区）（黄绿色第二区） Cr 5 Cr 6Mo3 53Mo4 4 7 4 5 3 2 Cr7 2 1 7 1 6 3 Sn （紫色区域V1组）（橙色区域Mn2组） Cr4V1V2 3 23V3Mn10Mn11 1V4Mn9 4 Mo2 V5V621V11 V7
10CrMo910 材质元素含量铁基线强度对比10CrMo910：Cr：2.00-2.50 1≥52≤4 Mo：0.90-1.20 1=62＜5 （黄绿色第一区）（黄绿色第二区） Cr 5 Cr6Mo3 5 3 Mo4 4 7 4 5 3 2 Cr7 2 1 7 1 6 3 6 Sn 15NiCuMoNb5 材质元素含量铁基线强度对比WB36 Ni：1.00-1.30 1≤31隐约出现15NiCuMoNb5Nb：0.015-0.045 1隐约出现2刚出现（蓝色第二区域） Mn8 2低Ni1Mn1Mn4Mn5Mn7 4 Nb1Nb23 5 Mn2Mn3Mn62 1 3 2 1 3 4
KBr压片法测定固体样品的红外光谱 一、实验目的 1、掌握红外光谱分析法的基本原理。 2、掌握Nicolet5700智能傅立叶红外光谱仪的操作方法。 3、掌握用KBr压片法制备固体样品进行红外光谱测定的技术和方法。 4、了解基本且常用的KBr压片制样技术在红外光谱测定中的应用。 5、通过谱图解析及标准谱图的检索，了解由红外光谱鉴定未知物的一般过程。 二、仪器及试剂 1 仪器：美国热电公司Nicolet5700智能傅立叶红外光谱仪；HY-12型手动液压式红外压片机及配套压片模具；磁性样品架；红外灯干燥器；玛瑙研钵。 2 试剂：苯甲酸样品（AR）；KBr（光谱纯）；无水丙酮；无水乙醇。 三、实验原理 红外吸收光谱法是通过研究物质结构与红外吸收光谱间的关系，来对物质进行分析的，红外光谱可以用吸收峰谱带的位置和峰的强度加以表征。测定未知物结构是红外光谱定性分析的一个重要用途。根据实验所测绘的红外光谱图的吸收峰位置、强度和形状，利用基团振动频率与分子结构的关系，来确定吸收带的归属，确认分子中所含的基团或键，并推断分子的结构，鉴定的步骤如下： (1)对样品做初步了解，如样品的纯度、外观、来源及元素分析结果，及物理性质(分子量、沸点、熔点)。 (2)确定未知物不饱和度，以推测化合物可能的结构； (3)图谱解析 ①首先在官能团区(4000～1300cm-1)搜寻官能团的特征伸缩振动； ②再根据“指纹区”(1300～400cm-1)的吸收情况，进一步确认该基团的存在以及与其它基团的结合方式。
图1 仪器的基本结构 四、实验步骤 1. 红外光谱仪的准备 （1）打开红外光谱仪电源开关，待仪器稳定30 分钟以上，方可测定； （2）打开电脑，选择win98系统，打开OMNIC E.S.P软件；在Collect菜单下的Experiment Set-up 中设置实验参数； （3）实验参数设置：分辨率 4 cm-1，扫描次数32，扫描范围4000-400 cm-1；纵坐标为Transmittance 2．固体样品的制备 （1）取干燥的苯甲酸试样约1mg于干净的玛瑙研钵中，在红外灯下研磨成细粉，再加入约150mg干燥且已研磨成细粉的KBr一起研磨至二者完全混合均匀，混合物粒度约为2μm以下（样品与KBr的比例为1:100~1:200）。 （2）取适量的混合样品于干净的压片模具中，堆积均匀，用手压式压片机用力加压约30s，制成透明试样薄片。 3．样品的红外光谱测定 （3）小心取出试样薄片，装在磁性样品架上，放入Nicolet5700智能傅立叶红外光谱仪的样品室中，在选择的仪器程序下进行测定，通常先测KBr的空白
常见高分子红外光谱谱图解析1. 红外光谱的基本原理 1）红外光谱的产生 能量变化 ν νhc h= = E - E = ?E 1 2 ν ν h ?E = 对于线性谐振子 μ κ π ν c 2 1 = 2）偶极矩的变化 3）分子的振动模式 多原子分子振动 伸缩振动对称伸缩 不对称伸缩 变形振动AX2：剪式面外摇摆、面外扭摆、面内摇摆 AX3：对称变形、反对称变形 . 不同类型分子的振动 线型XY2： 对称伸缩不对称伸缩 弯曲
弯曲型XY2： 不对称伸缩对称伸缩面内弯曲（剪式） 面内摇摆面外摇摆卷曲 平面型XY3： 对称伸缩不对称伸缩面内弯曲 面外弯曲 角锥型XY3： 对称弯曲不对称弯曲
面内摇摆 4）聚合物红外光谱的特点 1、组成吸收带 2、构象吸收带 3、立构规整性吸收带 4、构象规整性吸收带 5、结晶吸收带 2 聚合物的红外谱图 1）聚乙烯 各种类型的聚乙烯红外光谱非常相似。在结晶聚乙烯中，720 cm-1的吸收峰常分裂为双峰。要用红外光谱区别不同类型的聚乙烯，需要用较厚的薄膜测绘红外光谱。这些光谱之间的差别反映了聚乙烯结构与线性—CH2—链之间的差别，主要表现在1000-870㎝-1之间的不饱和基团吸收不同，甲基浓度不同以及在800-700㎝-1之间支化吸收带不同。
低压聚乙烯（热压薄膜） 中压聚乙烯（热压薄膜） 高压聚乙烯（热压薄膜）
2.聚丙烯 无规聚丙烯
等规聚丙烯的红外光谱中，在1250-830 cm－1区域出现一系列尖锐的中等强度吸收带（1165、998、895、840 cm－1）。这些吸收与聚合物的化学结构和晶型无关，只与其分子链的螺旋状排列有关。 3.聚异丁烯 CH3 H2 C C n CH3
红外光谱的定量分析 红外光谱法在分析和另一应用是对混合物中各组分进行定量分析。红外光谱定量分析是借助于对比吸收峰强度来进行的，只要混合物中的各组分能有一个持征的，不受其他组分干扰的吸收峰存在即可。原则上液体、圆体和气体样品都对应用红外光谱法作定量分析：1．定量分析原理 红外定量分析的原理和可见紫外光谱的定量分析一样，也是基于比耳-朗勃特（Beer-Lambert)定律。 Beer定律可写成：A=abc 式和A为吸光度(absorbance)，也可称光密度(optical density)，它没有单位。系数a称作吸收系数(absorptivity)，也称作消光系数(extinction coeffieient)，是物质在单位浓度和单位厚度下的吸光度，不同物质有不同的吸收系数a值。且同一物质的不同谱带其a值也不相同，即a值是与被测物质及所选波数相关的一个系数。因此在测定或描述吸收系数时，一定要注意它的波数位置。当浓度c选用mol·L-1为单位，槽厚b以厘米为单位时，则a值的单位为：L·cn-1·mol-1，称为摩尔吸收系数，并常用ε表示。吸收系数是物质具有的特定数值，文献中的数值理应可以通用。但是，由于所用仪器的精度和操作条件的不同，所得数值常有差别，因此在实际工作中，为保证分析的准确度，所用吸收系数还得借助纯物质重新测定。 在定量分析中须注意下面两点： 1)吸光度和透过率是不同的两个概念、透过率和样品浓度没有正比关系，但吸光度与浓度成正比。 2)吸光度的另一可贵性使它具有加和性。若二元和多元混合物的各组分在某波数处都有吸收，则在该波数处的总吸光度等于各级分吸光度的算术和：但是样品在该波数处的总透过率并不等于各组分透过率的和； 2．定量分析方法的介绍 红外光谱定量方法主要有测定谱带强度和测量谱带面积购两种。此外也有采用谱带的一阶导数和二阶导数的计算方法，这种方法能准确地测量重叠的谱带，甚至包括强峰斜坡上的肩峰。 红外光谱定量分忻可以采用的方沦很多，下面我们介绍几种常用的测定方法。 (1)直接计算法 这种方法适用于组分简单、特征吸收带不重叠、且浓度与吸收度呈线性关系的样品。 应用(4-35)式，从谱图上读取透过率数值，按A＝ln(I0/I)(I0为入射光强度，I为透射光强度)的关系计算出A值，再按(4-35)式算出组分含量c，从而推算出质量分数。这一方法的前提是需用标准样品测得a值。分析精度要求不高时，可用文献报导的a值。 (2)工作曲线法 这种方法适用于组分简单．特征吸收谱带重叠较少，而浓度与吸收度不完全呈线性关系的样品。 将一系列浓度的标准样品的湾液．在同一吸收池内测出需要的谱带，计算出吸收度值作为纵坐标，再以浓度为横坐标，作出徊应的工作曲线。由于是在同一吸收池内测量，故可获得A～c的实际变化曲线。
AES 原子发射光谱：原子的外层由高层能及向底层能级，能量以电磁辐射的形式发射出去， 这样就得到了发射光谱。原子发射一般是线状光谱。 原理：原子处于基态，通过电至激发，热至激发或者，光至激发等激发作用下，原子获得能 量，外层电子从基态跃迁到较高能态变成激发态，经过10-8s ，外层电子就从高能级向较低 能级或基态跃迁，多余能量的发射可得到一条光谱线。 光谱选择定律：①主量子数的变化△n 为包括零的整数，②△L=±1,即跃迁只能在S 项与P 项间，P 与S 或者D 间，D 到P 和F 。③△S=0，即不同多重性状间的迁移是不可能的。 ③△J=0，±1。但在J=0时，J=0的跃迁是允许的。 N 2S+1L J 影响谱线强度的主要因素：1激发电位2跃迁概率3 统计权重4激发温度（激发温度↑离子 ↑原子光谱↓离子光谱↑）5原子密度 原子发射光谱仪组成：激发光源，色散系统，检测系统， 激发光源：①火焰：2000到3000K ，只能激发激发电位低的原子：如碱性金属和碱土金属。 ② 直流电弧：4000到7000K ，优点：分析的灵敏度高，背景小，适合定量分析和低含量的 测定。缺点：不宜用于定量分析及低熔点元素的分析。 ③交流电弧：温度比直流高，离子线相对多，稳定性比直流高，操作安全，但灵敏度差 ④火花：一万K ，稳定性好，定量分析以及难测元素。每次放电时间间隔长，电极头温度低。 适合分析熔点低。缺点：灵敏度较差，背景大，不宜做痕量元素分析（金属，合金等组成均 匀的试样）⑤辉光 激发能力强，可以激发很难激发的元素，（非金属，卤素，一些气体）谱 线强度大，背景小，检出限低，稳定性好，准确度高（设备复杂，进样不方便）⑥电感耦合 等离子体10000K 基体效应小，检出限低，限行范围宽⑦激光 一万K ，适合珍贵样品 分光系统：单色器：入射狭缝，准直装置，色散装置，聚焦透镜，出射狭缝。 棱镜：分光原理：光的折射，由于不同的光有不同的折射率，所以分开。 光栅：光的折射与干涉的总效果，不同波长的光通过光栅作用各有不同的衍射角。 分辨率： 原子发射检测法：①目视法，②光电法， ③摄谱法：用感光板来记录光谱，感光板：载片（光学玻璃）和感光乳剂（精致卤化 银精致明胶）。 曝光量H=Et E 感光层接受的照度、 黑度：S=lgT -1=lg io/i io 为没有谱线的光强，i 通过谱线的光强度i ,透过率T 定性分析：铁光谱比较法，标样光谱比较法，波长测定法。 定量法：①基本原理②内标法 ⑴内标元素和被测元素有相近的物理化学性质，如沸点，熔 点近似，在激发光源中有相近的蒸发性。⑵内标元素和被测元素有相近的激发能，如果选用 离子线组成分析线对时，则不仅要求两线对的激发电位相等，还要求内标元素的电离电位相 近。⑶内标元素是外加的，样品中不应有内标元素，⑷内标元素的含量必须适量且固定，⑸ 汾西线和内标线无自吸或者自吸很小，且不受其他谱线干扰。⑹如采用照相法测量谱线强度， 则要求两条谱线的波长应尽量靠近。 简述内标法基本原理和为什么要使用内标法。 答：内标法是通过测量谱线相对强度进行定量分析的方法。通常在被测定元素的谱线中选一 条灵敏线作为分析线，在基体元素（或定量加入的其它元素）的谱线中选一条谱线为比较线， 又称为内标线。分析线与内标线的绝对强度的比值称为分析线对的相对强度。在工作条件相 对变化时，分析线对两谱线的绝对强度均有变化，但对分析线对的相对强度影响不大，因此 可准确地测定元素的含量。从光谱定量分析公式a c b I lg lg lg +=，可知谱线强度I 与元素 的浓度有关，还受到许多因素的影响，而内标法可消除工作条件变化等大部分因素带来的影 响。 激发电位：原子中某一外层电子由基态激发到高能级所需要的能量。共振线：由激发态像基 态跃迁所发射的谱线。（共振线具有最小电位，最容易被激发，最强谱线） 火花线：火法激发产生的谱线，激发能量大，产生的谱线主要是离子线。又称共振线。
红外光谱实验报告 一、实验原理： 1、红外光谱法特点： 由于许多化合物在红外区域产生特征光谱，因此红外光谱法广 泛应用于这些物质的定性和定量分析，特别是对聚合物的定性 分析，用其他化学和物理方法较为困难，而红外光谱法简便易 行，特别适用于聚合物分析。 2、红外光谱的产生和表示 红外光谱定义：分子吸收红外光引起的振动能级跃迁和转动能级跃 迁而产生的吸收信号。 分子发生振动能级跃迁需要的能量对应光波的红外区域分类为： i.近红外区：10000-4000cm-1 ⅱ.中红外区：4000-400cm-1——最为常用，大多数化合物的化键振 动能级的跃迁发生在这一区域。 ⅲ.远红外区：400-10cm-1 产生红外吸收光谱的必要条件： 1）分子振动：只有在振动过程中产生偶极矩变化时才能吸收红外辐射。 ⅰ.双原子分子的振动：（一种振动方式）理想状态模型——把两个 原子看做由弹簧连接的两个质点，用此来 描述即伸缩振动；
图1 双原子分子的振动模型 ⅱ.多原子分子的振动：（简正振动，依据键长和键角变化分两大类） 伸缩振动：对称伸缩振动 反对称伸缩振动 弯曲振动：面内弯曲：剪切式振动 （变形振动）平面摇摆振动 面外弯曲振动：扭曲振动 非平面摇摆振动 ※同一种键型，不对称伸缩振动频率大于对称伸缩振动频率，伸缩振动频率大于弯曲振动频率。 ※当振动频率和入射光的频率一致时，入射光就被吸收，因而同一基团基本上总是相对稳定地在某一特定范围内出现吸收峰。ⅲ.分子振动频率： 基频吸收（强吸收峰）：基态到第一激发态所产生分子振动 的振动频率。 倍频吸收（弱吸收峰）：基态到第二激发态，比基频高一倍 处弱吸收，振动频率约为基频两倍。 组频吸收（复合频吸收）：多分子振动间相互作用，2个或2
一、实验目的 1、掌握溴化钾压片法制备固体样品的方法； 2、学习并掌握美国尼高立IR-6700型红外光谱仪的使用方法； 3、初步学会对红外吸收光谱图的解析。 二、实验原理 红外光是一种波长介于可见光区和微波区之间的电磁波谱。波长在～1000μm。通常又把这个波段分成三个区域，即近红外区：波长在～μm（波数在13300～4000cm-1），又称泛频区；中红外区：波长在～50μm（波数在4000～200cm-1），又称振动区；远红外区：波长在50～1000μm（波数在200～10cm-1），又称转动区。其中中红外区是研究、应用最多的区域。 红外区的光谱除用波长λ表征外，更常用波数σ表征。波数是波长的倒数，表示单位厘米波长内所含波的数目。其关系式为： 三、仪器和试剂 1、仪器：美国尼高立IR-6700 2、试剂：溴化钾，聚乙烯，苯甲酸 3、傅立叶红外光谱仪(FTIR)的构造及工作原理 四、实验步骤
1、波数检验：将聚苯乙烯薄膜插入红外光谱仪的样品池处，从4000-650cm-1进行波数扫描，得到吸收光谱。 2、测绘苯甲酸的红外吸收光谱——溴化钾压片法 取1-2mg苯甲酸，加入在红外灯下烘干的100-200mg溴化钾粉末，在玛瑙研钵中充分磨细（颗粒约2μm），使之混合均匀。取出约80mg混合物均匀铺洒在干净的压模内，于压片机上制成直径透明薄片。将此片装于固体样品架上，样品架插入红外光谱仪的样品池处，从4000-400cm-1进行波数扫描，得到吸收光谱。 五、注意事项 1、实验室环境应该保持干燥； 2、确保样品与药品的纯度与干燥度； 3、在制备样品的时候要迅速以防止其吸收过多的水分，影响实验结果； 4、试样放入仪器的时候动作要迅速，避免当中的空气流动，影响实验的准确性。 5、溴化钾压片的过程中，粉末要在研钵中充分磨细，且于压片机上制得的透明薄片厚度要适当。 六、数据处理 该图中在波数700~800、1500~1600、2800~2975左右有峰形，证明了该物质中可能有烯烃的C-H变形振动，C-C间的伸缩振动，同时也拥有烷烃的C-H伸缩振动，推测为聚乙烯的红外谱图。 谱带位置/cm-1吸收基团的振动形式 )n—C— n≥4） （—C—(CH 2
表典型有机化合物的重要基团频率（/cm-1 ） 化合物基团X-H 伸缩振动区叁键区双键伸缩振动区烷烃-CH3 asCH:2962±10(s) sCH:2872±10(s) -CH2- asCH:2926±10(s) sCH:2853±10(s) CH:2890 ± 10(s) 烯烃 CH:3040～3010(m)C=C:1695～1540(m) CH:3040 ～ 3010(m) :1695 ～ 1540(w) C=C 炔烃-C≡C-H :2270～ 2100(w) CH: ≈ 3300(m) C≡C 芳烃泛频 :2000 ～ 1667(w) CH:3100～3000(变) :1650 ～ 1430(m) C=C 2～4 个峰 醇类R-OH OH:3700～3200(变) 部分单键振动和指纹区asCH:1450±10(m) sCH:1375±5(s) CH:1465±20(m) CH:～ 1340(w) CH:1310～1295(m) CH:770 ～ 665(s) CH:970 ～ 960(s) CH:1250～1000(w) CH:910～665 单取代： 770 ～ 730(vs) ≈700(s) 邻双取代 :770 ～ 735(vs) 间双取代 :810 ～ 750(vs) 725 ～ 680(m) 900 ～ 860(m) ～对双取代 :860 ～ 790(vs) OH:1410～1260(w) CO:1250～1000(s) OH:750 ～ 650(s)
酚类Ar-OH OH： 3705 ～ 3125(s) 脂肪醚R-O-R＇ 酮 醛 CH：≈2820, ≈2720(w) 双峰 羧酸 OH： 3400 ～ 2500(m) 酸酐 酯 泛频C=O:≈3450(w) 胺-NH2 NH2:3500～3300(m) 双峰 -NH NH:3500～3300(m) 酰胺 asNH: ≈ 3350(s) sNH: ≈ 3180(s) NH:≈3270(s) 酰卤 :1650 ～ 1430(m) OH:1390 ～ 1315(m) C=C CO:1335～1165(s) CO:1230～1010(s) C=O:≈1715(vs) C=O:≈1725(vs) C=O:1740～1690(m) OH:1450～1410(w) CO:1266～1205(m) C=O:1850～1880(s) CO:1170～1050(s) C=O:1780～1740(s) C=O:1770～1720(s) COC:1300～1000(s) NH:1650～1590(s,m) CN(脂肪):1220 ～ 1020(m,w) CN(芳香 ):1340 ～ 1250(s) NH:1650～1550(vw) CN(脂肪):1220 ～ 1020(m,w) CN(芳香 ):1350 ～ 1280(s) C=O:1680～1650(s) :1420～ 1400(m) CN NH:1650 ～ 1250(s) NH2:750 ～ 600(m) C=O:1680～1630(s) + :1310～1200(m) CN NH NH+CN:1750～ 1515(m) C=O:1670～1630 C=O:1810～1790(s)