吴天明-红外导数光谱.ppt

上海红外光谱应用技术协会 中国科学院上海有机化学所,红外导数光谱,吴天明,函数：y = f ( x ),导数 derivative,导数：当函数f ( x ) 的自变量 X 的增量 x 趋于 0 时， 函 数增量对自变量增量的比的极限。,函数求导的基本公式 在导数运算中有许多基本公式，典型的主要公式如下：,lnx,U + + ,三者都是 x 的函数,U+,还有函数乘积的导数、商的导数；三角函数和反三角函数的导数等等。,mxm-1,log x,C（常数）,0,Sin x,Cosx,Cos x,- Sin x,函数代数和,X m,二阶导数即为该动点的加速度 ：,红外导数光谱,红外光谱吸收峰的曲线可看作有多个高斯 ( Gaussian) 和洛伦茨 （Lorentzian） 曲线叠加而成。,因此，红外光谱诸峰的峰顶点，其一阶导数值皆为 0 。,它的几何意义是：峰顶点的切线平行于 x 轴，它的斜率为 0 。,高阶导数光谱,高斯曲线及其一至四阶导数曲线,对这个一阶导函数可继续进行求导， 得到二阶、三阶、四阶 等高阶导 数函。,右图为各阶导函数的曲线形状。,导函数的曲线形状和特性 （一）,一阶导数曲线特性是：原谱凡有极 值点（即峰顶点）的地方皆为过 0 点。即原谱中有几个峰，在一阶导 数谱中就有相应的几个过 0 点。,原谱（a）和它的一阶（b)、二阶（c) 导数光谱,二阶导数曲线中显示的倒峰负极值 点与原谱峰位一致，且倒峰半宽收 敛，这将有利于指示隐蔽的微弱肩 峰。将二阶导数倒峰谱乘以（-1） 处理，即可呈现正峰。,（注意观看右图中 a 的微弱肩峰在 c 中呈现的倒峰）,导函数的曲线形状和特性 （ 二）,3 . 半高宽,这些导数谱峰的特性，对鉴 别有无叠合弱峰非常有用。,导函数的曲线形状和特性 （三）,二阶导数光谱能否分开二个叠合峰？取决于峰距、 半高宽等因素（稍后细述）。高阶导数光谱虽能明显 提高分辨，但随之信噪比也下降！,4 . 数据点,导数光谱是通过对原谱的数据点逐点求导而得。,原谱的测量精度越高、采集的数据点越多，所得 的导数光谱分辨率也越好！,导函数的曲线形状和特性 （四）,5 . 信噪比,求导阶数越高，对原谱信噪比的要求越高，否则会在偶 阶导数光谱吸收峰的二边出现人为负峰！,（建议：原谱采集 2cm-1分辨率、128 次以上）,导数光谱的发展,上世纪八十年代，由于计算机和 FT 技术快速发展，Kauppinen 等提出 Self deconvolution 求导方法，使红外导数光谱技术获得迅速 发展 。,凡有强弱变化的曲线都可作导数光谱处理。,紫外导数光谱应用比红外光谱早 。,早期，获得紫外导数光谱的方法很多（各具优缺点）：,1 . 光学法：双波长分光光度法；波长调制技术等等。,2 . 电子法：电子微分法；机械式转速计；数值微分法等。,目前，FTIR 仪器上都配有免费的求导程序，使用方便。,导 数 光 谱 的 应 用,1 . 多组份同时测定（紫外光谱）,用导数分光光度法简单、快 速、灵敏地同时测定废水中的苯 胺及酚。,右图中：,A . 含5ppm苯胺和酚的基本曲线。,2. 减少背景干扰影响（紫外光谱）,导数谱有助于在背景干扰存在 下谱峰鉴别：,一阶导数时：线性背景 a + b为常数（参见第2页-导数基本公式），背景影响消失。,当有抛物线背景时： a + b + c 2 的二阶导数为常数，背景影响消失。,背景干扰随导数阶数增高而得到改善！,=f1()+ a + b() + c2 + ,叠合曲线 C ：总吸光度 A = A1+A2,A2 = a + b + c2 + ,A2可近似地用幂指数表示：,背景 B：吸光度 A2 = f2 (),原谱 A：吸光度 A1 = f1 (),3. 谱峰半高宽,d：四阶导数光谱可看出有二个叠峰存在。,c：二阶导数光谱已无法看到有二个叠峰。,例如：二个等高、等半高宽的叠合谱峰：,4. 纤维检测,中国刑警学院黄树先等用岛津 IR 440 型红外光谱仪（光栅型）和 IDP- 440 型数据处理机，对 产自全国各地的30多种羊毛 原丝，纯羊毛绒，纯毛布料、 呢绒等制品及日本进口的不 同颜色纯羊毛绒进行一阶、 二阶红外导数光谱分析 （KBr 压片法，0.5cm-1 分 辨率）。,实验结果证明：用二阶 导数 IR 法能鉴别成分相同 和近似的羊毛及其制品。,（日本产不同颜色的纯羊毛绒二阶红外导数光谱）,红外导数光谱法测定混纺纤维的组成（一）,（1）测出纯纤维的各自 IR 谱，选出互不干扰（或干扰少）的定量特征峰。,（2）配制一系列比例不同的混纺纤维已知样品，测出它的一阶导数光谱。,式中：P1为合成纤维的导数谱峰测定值。P2为棉纤维值。,求出已知混纺样品 K 值，并对含量作出工作曲线。,红外导数光谱法测定混纺纤维的组成（二）,5. 定量应用,红外定量分析误差主要源 于其他组分谱峰的叠加干扰。 导数光谱提供的各种图形，为 避开干扰开辟了通道。,6. 指示隐蔽的叠合谱峰,煤乙酰化后生成的羰基都出现在1900 - 1600cm-1 区，诸多羰基相互重叠，无法辩清。把乙酰化后的煤 谱与原煤谱差减，以获得煤的乙酸酯和乙酰胺的羰基 谱（见图a）。,再用二阶导数处理得 b 谱，可得到 1773、1740 和1721、1661cm-1等6个吸收峰。,前二个峰是酚羟基与醇羟基与乙酸酐生成的酯羰基峰。1661cm-1峰是NH基生成的酰 胺羰基吸收，1721峰则是乙酰化时残留的乙酸羰基吸收峰。,通过二阶导数谱可得到分辨清晰的羰基谱峰 。,（1）煤乙酰化时：,图中 a 为烟煤镜煤质在 3000 2800cm-1的吸收光谱。 b 为它的二阶导数光谱。 图示的5个谱峰分别对应 于,（以上由中科院煤化所报道）,7. 微量成分鉴定,2009年4月，在市场抽检疑似含有微量石 棉的爽身粉样品鉴定中，采用了二阶导数方法。,b 是分析纯酸洗石棉 Mg3ca(Sio3)4的KBr压片 原谱。由于检样中疑似石棉含量太少（0.69%） 且二者皆为硅酸镁矿物类无机物，单凭酸洗石 棉的756cm-1弱峰无法断论。,对a 谱960 700cm-1段作二阶导数处 理，使原被严重叠盖的酸洗石棉第一强峰 (949cm-1)重新显现，为确认石棉存在提供可靠 佐证。,（本工作由作者与岛津上海分析中心共同完成）,右上图中 a 为疑似爽身粉（主成分是滑石,粉，3Mg04Sio2H2O)样品的原谱（KBr 压片,法，高浓度）。,8. 为分峰提供峰位和峰个数,多肽和蛋白质的二级结构分析，可以用红 外光谱法进行定性、半定量和定量研究。,右下图是核糖核酸酶A的去卷积的酰胺谱带 及其曲线拟合谱。去卷积参数：半高宽 6.5cm-1 分 辨率提高因子 2.4 ，峰位由二阶导数谱确定，高斯 函数百分数 （G+L为100%）。得出 1683,1673,1654,1634及1622cm-1五个峰的积分面 积，求出各二级结构的相对含量。,（上列由中科院生物物理所和北大技术物理系报导）,军事医学科院报导了：血小板诱导生长因子（PDGF）和碱性成纤细胞生长因子（BFGF） 二种创伤愈合中可发挥重要作用的人生长因子的蛋白质二级结构FTIR 研究结果。,左内为 1700 1620 cm-1 6个峰的曲线拟合谱，测得相对面积后可作定量计算。,右边二个图为 BFGF 的二阶导数谱和曲线拟合谱。图中可显示 11个谱峰 （其中4个为肩峰）。,结语,红外导数光谱能在众多谱峰重叠的情况下，确认重叠谱峰的数 目及其各自峰位的波数值，这是它最基本的显著功效。由此，可用 于复杂体系的定量分析、微量成分的监测鉴定以及分峰处理等等。,目前，FTIR 仪器上都带有非选购的导数处理程序，使用非常方便。,谢谢各位参与研讨和指正！,它的指认叠合峰