不同水质水的红外吸收物性的研究毕业论文.doc

摘要：11、绪论21.1选题的背景及意义21.2红外光谱31.3红外光谱的分析32、红外光谱仪42.1红外光谱仪的基本原理42.2傅里叶红外光谱仪42.3傅里叶红外光谱仪的特点52.4傅里叶红外光谱仪的应用63、 实验部分7 3.1实验样品73.2实验设备及测试条件83.3实验步骤84、结果与讨论94.1六种样品的红外光谱特征94.2六种水的红外光谱差异11结论12参考文献13致谢14不同水质水的红外吸收物性的研究摘要：红外光谱(Infrared Spectroscopy, IR) 的研究开始于20世纪初期，自1940年商品红外光谱仪问世以来，红外光谱在有机化学研究中得到广泛的应用。本次实验采用傅里叶红外光谱仪。傅里叶变换红外光谱仪（Fourier Transform Infrared Spectrometer，简写为FTIR Spectrometer）,简称为傅里叶红外光谱仪。傅立叶红外光谱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。本次实验采用6种不同水质的水进行实验。分别采用了超纯水、自来水、纯净水、天然水、黄河水、矿物质水。关键词：红外光谱、傅里叶红外光谱仪、水质、水。Abstract ： the IR (Infrared Spectroscopy, IR research started in the early 20th century, since 1940, when the goods Infrared spectrometer, Infrared Spectroscopy has been widely used in the study of organic chemistry. This experiment USES the Fourier infrared spectrometer. Fourier Transform Infrared Spectrometer (abbreviated as Spectrometer (FTIR), Fourier Infrared Spectrometer for short. Fourier infrared spectrum qualitative and quantitative analysis, the samples can be widely used in pharmaceutical chemical, mining, oil, coal, environmental protection, customs, gemstone identification and forensic identification and other fields. This experiment USES 6 kinds of different water quality of water for experiments. Respectively adopted the ultrapure water and tap water, pure water, natural water, water, mineral water.Key words: infrared spectroscopy, Fourier infrared spectrometer, water quality, water.1、 绪论1.1选题的背景及意义20世纪60年代，随着Norris等人所做的大量工作，提出物质的含量与近红外区内多个不同的波长点吸收峰呈线性关系的理论，并利用近红外漫反射技术测定了农产品中的水分、蛋白、脂肪等成分，才使得近红外光谱技术一度在农副产品分析中得到广泛应用。60年代中后期，随着各种新的分析技术的出现，加之经典近红外光谱分析技术暴露出的灵敏度低、抗干扰性差的弱点，使人们淡漠了该技术在分析测试中的应用，此后，近红外光谱再次进进了一个沉默的时期。70年代产生的化学计量学学科的重要组成部分-多元校正技术在光谱分析中的成功应用，促进了近红外光谱技术的推广。到80年代后期，随着计算机技术的迅速发展，带动了分析仪器的数字化和化学计量学的发展，通过化学计量学方法在解决光谱信息提取和背景干扰方面取得的良好效果，加之近红外光谱在测样技术上所独占的特点，使人们重新熟悉了近红外光谱的价值，近红外光谱在各领域中的应用研究陆续展开。进入90年代，近红外光谱在产业领域中的应用全面展开，有关近红外光谱的研究及应用文献几乎呈指数增长，成为发展最快、最引人注目的一门独立的分析技术。由于近红外光在常规光纤中具有良好的传输特性，使近红外光谱在在线分析领域也得到了很好的应用，并取得良好的社会效益和经济效益，从此近红外光谱技术进入一个快速发展的新时期。本次实验对我们日常生活中的水进行研究，分别选取了不同品牌的饮用水、黄河水以及超纯水。实验的目的旨在对不同水质的水的谱图进行对照与比较。1.2红外光谱 红外光谱又称为分子振动-转动光谱，它是一种分子吸收光谱。红外光谱与紫外可见光偶、质谱、核磁共振谱共称为“四大波谱”。通常将红外光谱分为三个区域：近红外区(0.75-2.5m)、中红外区(2.5-25m)和远红外区(25-300m)。一般说来，近红外光谱是由分子的倍频、合频产生的；中红外光谱属于分子的基频振动光谱；元红外光谱则属于分子的转动光谱和某些基团的振动光谱。红外光光谱区的划分 区域波长（m）波数（cm-1）能级跃迁类型近红外区0.75-2.513158-4000OH、NH及CH键的倍频吸收中红外区2.5-254000-400分子振动，伴随转动远红外区25-300400-10分子转动，晶格振动等 由于绝大多数有机物和无机物的基频吸收带都出现在中红外区，因此中 红外区是研究和应用最多的区域，积累的资料也最多，仪器技术最为成熟。通常所说的红外光谱即指中红外光谱。近红外光是一种介于可见光(VIS)和中红外光(IR)之间的电磁波，美国材料检测协会(ASTM)，将其定义为波长0.75-2.5m的光谱区。利用近红外光谱的优点有：1.简单方便有不同的测样器件可直接测定液体、固体、半固体和胶状体等样品，检测本钱低。2.分析速度快一般样品可在一分钟内完成。3.适用于近红外分析的光导纤维易得到，故易实现在线分析及监测，极适合于生产过程和恶劣环境下的样品分析。4.不损伤样品可称为无损检测。5.分辨率高可同时对样品多个组分进行定性和定量分析等。所以目前近红外技术在食品产业等领域应用较广泛。 当一束具有连续波长的红外光通过物质，物质分子中某个基团的振动频率或转动频率和红外光的频率一样时，分子就吸收能量由原来的基态振(转)动能级跃迁到能量较高的振(转)动能级，分子吸收红外辐射后发生振动和转动能级的跃迁，该处波长的光就被物质吸收。所以，红外 光谱法实质上是一种根据分子内部原子间的相对振动和分子转动等信息来确定物质分子结构和鉴别化合物的分析方法。将分子吸收红外光的情况用仪器记录下来，就得到红外光谱图。红外光谱图通常用波长()或波数()为横坐标，表示吸收峰的位置，用透光率(T%)或者吸光度(A)为纵坐标，表示吸收强度。当外界电磁波照射分子时，如照射的电磁波的能量与分子的两能级差相等，该频率的电磁波就被该分子吸收，从而引起分子对应能级的跃迁，宏观表现为透射光强度变小。电磁波能量与分子两能级差相等为物质产生红外吸收光谱必须满足条件之一，这决定了吸收峰出现的位置。红外吸收光谱产生的第二个条件是红外光与分子之间有耦合作用，为了满足这个条件，分子振动时其偶极距必须发生变化。这实际上保证了红外光的能量能传递给分子，这种能量的传递是通过分子振动偶极矩的变化来实现的。并非所有的振动都会产生红外吸收，只有偶极矩发生变化的振动才能引起可观测的红外吸收，这种振动称为红外活性振动；偶极矩等于零的分子振动不能产生红外吸收，称为红外非活性振动。1.3红外光谱的分析 利用红外光偶对物质分子进行的分析和鉴定。将一束不同波长的红外射线照射到物质的分子上，某些特定波长的红外射线被吸收，形成这一分子的红外吸收光谱。每种分子都有由其组成和结构决定的独有的红外吸收光谱，据此可以对分子进行结构分析和鉴定。红外吸收光谱是由分子不停地作振动和转动运动而产生的，分子振动是指分子中各原子在平衡位置附近作相对运动，多原子分子可组成多种振动图形。当分子中各原子以同一频率、同一相位在平衡位置附近作简谐振动时，这种振动方式称简正振动（例如伸缩振动和变角振动）。分子振动的能量与红外射线的光量子能量正好对应，因此当分子的振动状态改变时，就可以发射红外光谱，也可以因红外辐射激发分子而振动而产生红外吸收光谱。分子的振动和转动的能量不是连续而是量子化的。但由于在分子的振动跃迁过程中也常常伴随转动跃迁，使振动光谱呈带状。所以分子的红外光谱属带状光谱。分子越大，红外谱带也越多。2、红外光谱仪2.1红外光谱仪的基本原理 红外光谱仪是利用物质对不同波长的红外辐射的吸收特性，进行分子结构和化学组成分析的仪器。红外光谱仪通常由光源、单色器、探测器和计算机处理信息系统组成。根据分光装置的不同，分为色散型和干涉型。对色散型双光路光学零位平衡红外分光光度计而言，当样品吸收了一定频率的红外辐射后，分子的振动能级发生跃迁，透过的光束中相应频率的光被减弱，造成参比光路与样品光路相应辐射的强度差，从而得到所测样品的红外光谱。2.2傅里叶红外光谱仪 傅里叶变换红外光谱仪（Fourier Transform Infrared Spectrometer，简写为FTIR Spectrometer）,简称为傅里叶红外光谱仪。它不同于色散型红外分光的原理，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。光源发出的光被分束器（类似半透半反镜）分为两束，一束经透射到达动镜，另一束经反射到达定镜。两束光分别经定镜和动镜反射再回到分束器，动镜以一恒定速度作直线运动，因而经分束器分束后的两束光形成光程差，产生干涉。干涉光在分束器会合后通过样品池，通过样品后含有样品信息的干涉光到达检测器，然后通过傅里叶变换对信号进行处理，最终得到透过率或吸光度随波数或波长的红外吸收光谱图。傅立叶变换红外光谱仪被称为第三代红外光谱仪，利用麦克尔逊干涉仪将两束光程差按一定速度变化的复色红外光相互干涉，形成干涉光，再与样品作用。探测器将得到的干涉信号送入 到计算机进行傅里叶变化的数学处理，把干涉图还原成光谱图. 红外光谱仪原理图2.3傅里叶红外光谱仪的特点2.3.1信噪比高傅里叶变换红外光谱仪所用的光学元件少，没有光栅或棱镜分光器，降低了光的损耗，而且通过干涉进一步增加了光的信号，因此到达检测器的辐射强度大，信噪比高。2.3.2重现性好 傅里叶变换红外光谱仪采用的傅里叶变换对光的信号进行处理，避免了电机驱动光栅分光时带来的误差，所以重现性比较好。2.3.3扫描速度快傅里叶变换红外光谱仪是按照全波段进行数据采集的，得到的光谱是对多次数据采集求平均后的结果，而且完成一次完整的数据采集只需要一至数秒，而色散型仪器则需要在任一瞬间只测试很窄的频率范围，一次完整的数据采集需要十分钟至二十分钟。2.4傅里叶红外光谱仪的应用 傅里叶红外谱仪可应用于染织工业、环境科学、生物学、材料科学、高分子化学、催化、煤结构研究、石油工业、生物医学、生物化学、药学、无机和配位化学基础研究、半导体材料、日用化工等研究领域。红外光谱可以研究分子的结构和化学键，如力常数的测定和分子对称性等，利用红外光谱方法可测定分子的键长和键角，并由此推测分子的立体构型。根据所得的力常数可推知化学键的强弱，由简正频率计算热力学函数等。分子中的某些基团或化学键在不同化合物中所对应的谱带波数基本上是固定的或只在小波段范围内变化，因此许多有机官能团例如甲基、亚甲基、羰基，氰基，羟基，胺基等等在红外光谱中都有特征吸收，通过红外光谱测定，人们就可以判定未知样品中存在哪些有机官能团，这为最终确定未知物的化学结构奠定了基础。由于分子内和分子间相互作用，有机官能团的特征频率会由于官能团所处的化学环境不同而发生微细变化，这为研究表征分子内、分子间相互作用创造了条件。分子在低波数区的许多简正振动往往涉及分子中全部原子，不同的分子的振动方式彼此不同，这使得红外光谱具有像指纹一样高度的特征性，称为指纹区。利用这一特点，人们采集了成千上万种已知化合物的红外光谱，并把它们存入计算机中，编成红外光谱标准谱图库。人们只需把测得未知物的红外光谱与标准库中的光谱进行比对，就可以迅速判定未知化合物的成份。当代红外光谱技术的发展已使红外光谱的意义远远超越了对样品进行简单的常规测试并从而推断化合物的组成的阶段。红外光谱仪与其它多种测试手段联用衍生出许多新的分子光谱领域，例如，色谱技术与红外光谱仪联合为深化认识复杂的混合物体系中各种组份的化学结构创造了机会；把红外光谱仪与显微镜方法结合起来，形成红外成像技术，用于研究非均相体系的形态结构，由于红外光谱能利用其特征谱带有效地区分不同化合物，这使得该方法具有其它方法难以匹敌的化学反差。3、 实验部分3.1实验样品 本实验共采用6种水质的水分别是超纯水（实验室）、纯净水（哇哈哈）、天然水（农夫山泉）、矿物质水（康师傅）、自来水（兰州市）、黄河水（兰州市）。3.2实验设备及测试条件 实验器材：WQF510型傅立叶变换红外光谱仪、吸收池、烧杯、玻璃棒等。 光谱采集参数：扫描步长为0.632991493，扫描次数10次，扫描分辨率4wn， 显示分辨率8wn，光谱测量范围4400cm-1400cm-1。3.3实验步骤3.3.1开机、测试、预热 接通220V电源，先打开WQF510型傅立叶变换红外光谱仪主机及计算机。用鼠标点击桌面WQF510型傅立叶变换红外光谱仪主程序MainFTOS，进入程序界面进行测试。如果正常，需等仪器预热20分钟后即可进行样品采集等工作。3.3.2采集样品谱图本底采集：将吸收池放入样品室的样品架上。用鼠标点击菜单栏中的“光谱采集”，再用鼠标点击“采集仪器本底”，出现采集仪器本底对话框。点击“开始采集”。采集完毕后进行下一个程序。（注：本次试验只进行一次本底采集，如中途仪器不能正常工作，需重新启动仪器，之后重新试验。之前数据作废。）样品采集（采集透射谱图）：将样品装入吸收池放入样品室的样品架上。用鼠标点击菜单栏中的“光谱采集”，再用鼠标点击“采集透过率光谱”，出现采集透过率光谱对话框。点击“开始采集”。采集完毕后可得到样品的透过率光谱图。3.3.3样品图谱的输出用鼠标点击菜单栏中的“文件”菜单，再用鼠标点击“打印图谱”。程序将进入到专用打印程序。点击此菜单栏的“文件”，再点击“另存为”出现保存对话框，点击“保存”将导出谱图的“txt文件”信息。 4、结果与讨论 4.1六种样品的红外光谱特征 将导出的“txt文件”谱图信息，通过Origin软件绘制出谱图。如下： 图4-1 超纯水的傅立叶变换红外光谱图 图4-2 天然水的傅立叶变换红外光谱图 图4-3 纯净水的傅立叶变换红外光谱图 图4-4 矿物质水的傅立叶变换红外光谱图 图4-5 自来水的傅立叶变换红外光谱图 图4-6 黄河水的傅立叶变换红外光谱图 从谱图上看，整体比较相似，但在部分峰位、峰值及峰强上有差别，可以作为我们鉴别的依据。我们可以把光谱从峰位上的特点，划分为三个部分。即414cm-1445cm-1、445cm-1532cm-1、532cm-1590cm-1这三个区段。4.2六种水的红外光谱差异 4.2.1几种特征峰的分析比较在414cm-1445cm-1区段内，我们以超纯水作为标准,超纯水在414cm-1处峰值为6382，是六种水中峰值最高的。这说明超纯水在此处的透光率是最高的，其次是矿物质水、自来水、纯净水、天然水、黄河水。在445cm-1处超纯水的峰值为-1929，而自来水和黄河水分别只有-19和-17.这也再次说明超纯水的透光率最高。在445cm-1532cm-1区段内，除了矿物质水在此波段内没有特殊的峰之外，在516cm-1处超纯水、纯净水和黄河水在此处有一峰值，而且黄河水的峰值最大。可以判断在此处水质越差峰值越大。在这一区段内天然水有一独特的峰，可以断定在天然水中有其它五种水所没有的物质。在532cm-1590cm-1区段内，除超纯水之外，其它五种水有非常相似的波形，而且超纯水在557cm-1出有峰值为-2678的峰。其它五种水在此处没有峰值，反而在547cm-1、553cm-1处都有相应的峰值，而且峰值相差在2000以内。4.2.2光谱的相关分析光谱在整体上十分相似，如在414cm-1、445cm-1、532cm-1、590c