红外课程论文

1、题目傅里叶红外光谱分析在环境科学中的应用成绩专业材料工程课程名称、代码08520 4傅里叶红外光谱分析在环境科学中的应用摘要傅里叶变换红外光谱法具有较强的鉴别能力、准确的测定结果和快速的响应 功能，其在环境科学中的应用逐渐普及，在有机化合物和官能团鉴定方面的应用 尤其广泛。本文就傅里叶变换红外光谱在环境检测中的应用作了综述。关键词傅里叶变换红外光谱；环境科学；应用刖言近代分析实验技术的发展，不仅为各种材料的近代分析方法开发新领域创造 了条件，也为环境试验提供了多角度、深层次的试验和测试手段。傅里叶红外光 谱分析是近代实验分析技术中一个重要手段，主要用于高分子材料及以高分子材 料为主体的材料及产

2、品的组成、微观结构的研究。它操作方便，分辨率高，扫描 速度快，适用于气、固、液样品，同时不破坏原样，是环境试验研究的有力工具。 红外光谱属于吸收光谱，是由于化合物分子振动时吸收特定波长的红外光而产生 的，化学键振动所吸收的红外光的波长取决于化学键动力常数和连接在两端的原 子折合质量，也就是取决于的结构特征。这是红外光谱测定化合物结构的理论依 据。傅里叶红外光谱分析是近代环境科学分析技术中的一个重要手段，主要用于 环境污染检测、突发性污染控制和污染物质分析。1红外光谱的产生当光照射物体时，会引起物体内分子运动状态发生变化，并产生特征能态跃 迁。因为红外光的辐射能量较小，样品在它的辐照下，只能激发

3、分子内产生振动 和转动，分子和与其振动频率相同频率的红外辐射发生作用，吸收红外辐射能量， 发生能级跃迁，产生红外光谱。不同的化合物具有不同的分子特征振动和转动频 率，红外光谱分析法就是通过这种特征红外光谱来鉴定化合物和官能团。傅立叶变换红外光谱仪（FT-IR）是根据光的相干性原理设计的，因此是一 种干涉型光谱仪，它主要由光源（硅碳棒，高压汞灯），干涉仪，检测器，计算 机和记录系统组成。其光学系统由光源、动镜、定镜、分束器、检测器等几个主 要部分组成。2 在环境检测中的应用2.1水环境检测在水体污染中，有机污染物是主要物质，化学需氧量（COD）是最常用、 最重要的表征有机污染程度的指标之一。传统

4、的COD测量方法为重铭酸盐法， 这种方法操作复杂，测定时间长，产生二次污染，不适合于在线、实时测量。为 此，何金成1等开发了运用近红外光谱法测量废水COD的方法。对水样近红外 光谱用偏最小二乘法（PLS）回归建模，分别建立标准水样和废水样的COD预 测模型。实验表明，标准液水样的理论COD值与预测值之间的相关系数为0.9999, 交叉验证均方差为15.14 mgL-i。污水处理厂废水水样的COD实测值与预测值 之间的相关系数为0.9453,预测标准差为35.4 mgL-i，用近红外光谱法测量COD 是可行的。韩润平等对生态滤池出水悬浮物的碳氢氮三元素和红外光谱进行了分析 比较。元素分析结果表明

5、，生态滤池出水悬浮物的无机成分比普通滤池稍高，用 中颗粒惰性填料时复合床生态滤床的出水悬浮物无机物含量高。出水悬浮物的红 外吸收光谱图主要由蛋白质的吸收带、碳水化合物的吸收带组成。1655 cm-1处 的吸收峰为酰胺I带，是C=O的伸缩振动，1542 cm-1的吸收峰是酰胺II带，是 N-H的弯曲振动和C-N的伸缩振动，1235 cm-1附近是酰胺III带，是C-N的伸缩 振动和N-H的弯曲振动引起的。红外光度法是目前测定水中矿物油的四种主要方法之一，但是由于水中矿物 油的浓度变化范围很大，用单一波长处的红外光谱难以获得与实际相符的数据。 因此，韩素芳3等提出用红外光谱法，结合多元线性回归和逐

6、步回归法监测水中 矿物油的含量，表明红外光谱法测油模型对宽量程内的矿物油污染量有较好适应 性。李添魁囹建立了红外光谱法确定无铅汽油中MTBE的方法。当MTBE含量 为（1.52） g（100 mL） -1时，其误差为0.6%2.9%。对含MTBE为4 g（100 mL） -1的试样分测7次的相对标准偏差为2%。该方法快速、简单，可用于汽油 中MTBE的测定。近10年来，GC-FTIR联用技术在各种复杂混合物的实际分析鉴定中得到广 泛应用。使用GC-FTIR分析化工厂废水中的二氯甲烷提取液，GC分离出对二氯 苯、间氯代硝基苯、对氯代硝基苯、邻氯代硝基苯、3, 4-二氯代-6-硝基苯胺、 三氯代硝

7、基苯、烷基酞酸酯和磷酸三苯酯等，比GC-HPLC的灵敏度高23个 数量级，还可以鉴别溢油污染源。用XAD-2树脂富集、二乙醚洗提后，可以 测定曜L-1级的氯苯、丁醚、乙二基草酸酯、水杨醛和二乙基丙二酸酯有机化合 物。如果扫描波数在200800 cm-i之间，还可以测定艾试剂、高丙体六六六、 DDT、PP-DDT、乙滴涕、狄试剂、七氯和六氯苯等有机氯农药，Seyama6等还 测定了水中的正己烷。对于石油化工废水中的挥发性有机物，以气相色谱分离，红外定性，氢火焰 离子化检测器(FID )定量的方法可得到令人满意的结果。为提高红外分析灵敏 度，水样前处理采用高富集倍数的吹脱捕集技术，并使用大吹脱体积

8、，两极捕集 方式，色谱柱采用大口径石英毛细柱，以减小分流，增加进样量。该方法成功地 实现GC-FTIR-FID联机，使未知物定性、定量能够一次完成。2.2固体环境检测镉是土壤中污染程度最严重的金属之一。利用微生物治理镉污染已成为研究 的热点。刘爱民区等采用红外光谱与原子吸收光谱分析菌株对Cd2+的积累，结果 表明，在低浓度Cd2+溶液中菌株细胞对Cd2+的积累主要靠细胞壁上-NH2与Cd2+ 配位结合；在高浓度 Cd2+溶液中，细胞壁上-NH2，-OH，-COOH，PO43-， -M-O(O-M-O)基团吸附Cd2+的能力显著。Mn2+可以增加细胞壁上有效官能团活 性，提高Cd2+积累率。但当

9、有Zn2+，Pb2+，Cu2+重金属共存时，即使有Mn2+存 在，菌体对Cd2+吸附积累能力未见提高。通常使用高效液相色谱法检测农药中 有效成分毗虫啉的含量。钱爱红9等应用FTIR技术研究了镉和铜金属在日本昆布科藻类中的吸附。 结果显示羧基和氨基是重金属的主要吸附点，且经过甲醇和甲醛预处理后的植物 中重金属的IR吸收谱图大致与处理前一致。陈洪10等利用红外光谱法研究了蒽 在几种典型土壤中的吸附行为研究。结果表明，不同种类的土壤对蒽的吸附能力 不同，分析这种吸附能力的差异可能与构成该土壤胡敏酸生物大分子的某些化学 基团含量不同有关。邓琪等11 以餐饮业废油脂为原料，采用红外光谱分析的方法对影响其

10、皂化度 的因素进行了研究，找到了出最佳皂化工艺条件，提出合理利用废油脂的路径， 有效避免“潲水油”回流入食用油市场，危害人群健康，减少废油脂对水环境的污 染。Jenn研究了猪粪便在堆肥过程中有机物质转化的化学组成，FTIR数据与 传统的堆肥成熟度的化学参数比较，具有明显的相关性。占新华等13则研究了 堆肥前后可溶性有机物、多糖物质、羧基和芳香族类物质的变化，证明堆肥过程 中蛋白质、多糖类等大分子物质先降解，然后逐渐形成腐殖质类。2.3气体环境检测徐亮等14 设计了一套用于环境气体分析的长开放光路傅里叶变换红外光谱 系统。该系统具有往返250 m的开放式长距离采样光程，使用一台分辨率为1 cm-

11、1 的傅里叶变换红外光谱仪测量采样路径内的大气透过率光谱，然后进行非线性最 小二乘光谱拟合，计算出待测组分浓度。实验部分通过选择特定波段分析了污染 空气中ch4, CO, N2O和CO2的浓度，拟合残差的均方根误差小于1%。结果 表明，该系统的结构简单，光路易于校准，环境适应性良好，测量速度快，采样 范围广，可用于探测大气中一些重要的痕量和微量组分，开展较大区域的环境气 体的监测和研究。监测车辆尾气，FTIR遥感技术更优越于其它方法，这也是近几年污染监测 中新兴的一个领域。王俊德等15用FTIR遥感技术对摩托的尾气做过分析。在离 FTIR光谱仪41 m处放置一盏70 W的Globar红外辐射光

12、源，将FTIR光谱仪内 的瞄准激光光束对准Globar光源，摩托艇在Globar光源与FTIR光谱仪之间， 距FTIR光谱仪约10 m，在此条件下测量摩托艇发动机尾气在空载和加力情况下 对Globar光源红外辐射的吸收光谱，波段范围为4000-800 cm-1，光谱分辨率为 4 cm-1，观察到的特征吸收峰有：甲醇的 3740-3600，3100 -2765, 2070，1400-1235 和1080-974 cm-1，等5个吸收带。2349 cm-1为二氧化碳吸收带，2200-2100 cm-1 的一氧化碳吸收带，1800-150 cm-1的水蒸汽吸收光谱带。他们还用相近的方法对 靶机尾气的

13、红外吸收光谱及其组份进行了定量测定。3在环境试验中的应用自然环境试验的主要研究内容是通过在典型大气、海水、土壤等外界环境因 素下对各种产品及其材料、工艺、部件的宏观性能、组成、微观结构进行研究和 分析，找出它们的变化规律和内在关系，提出相应措施从设计、制造到防护、环 境控制上提高产品的环境适应性。3.1老化过程中的机理研究通过红外光谱技术进行老化过程的机理研究，了解反应过程，可以进行环境 试验方法的设计和筛选，研究人工气候老化和大气老化的差异，找出主要影响因 子，找到更切合实际的人工老化及加速试验方法。涂层在自然环境暴露试验中会 出现褪色现象，通过对某油漆颜料的光解反应的研究口6发现，这种颜料

14、的太阳 光照老化过程是分子逐渐形成二聚体的过程。3.2分析鉴定与腐蚀研究傅里叶红外光谱提供了物质官能团的特征频率，通过谱图中基团的特征频率 结合参考数据可以分析鉴定产物中新的基团，如果将FTIR与XPS、XRD等技 术联合使用，可以了解材料在大气环境试验中腐蚀产物的组份、结构以及腐蚀进 程，为防护工程设计提供了有用的数据。通过对材料Zn在大气环境下曝露过程 的腐蚀产物的FTIR分析，发现作为参考样品的碱式碳酸锌与暴露的样品谱图相 近。从谱图中可看出，从碱式碳酸锌中检测到的OH-，CO32-与空气中H2O和CO2 的谱图非常接近，说明Zn在大气曝露中首先和空气中的水、二氧化碳作用，然 后才和环境

15、中其他介质发生作用口7。4存在的问题及展望虽然红外光谱技术已日渐成熟，但在应用技术方面还受到测试灵敏度和分辨 率的限制。随着接口装置、红外光谱仪、数据处理技术的不断发展与完善，以及 与其它分析检测技术更密切的结合，红外光谱技术必将在环境科学中的应用得到 更广泛研究，在有机污染物分析、复杂混合物的定性定量分析与鉴定、痕量污染 物鉴定方面取得更迅速的发展。红外光谱分析在环境试验中的应用是方便和有效 的，它将微观结构与宏观性能结合起来，为环境试验拓展了新思维。在实际具体 应用时必须合理的进行试验、测定和分析，最好和其他的测试方法和试验技术相 结合，采用多种分析手段和仪器，如：X射线衍射、能谱、扫描电

16、镜、质谱、气 相色谱等，这样红外光谱分析就可以较全面而深入地揭示所研究的问题，避免得 出片面的结论。参考文献1何金成，杨祥龙，王立人，等.近红外光谱法测定废水需氧量J.浙江大学学报，2007, 41(5): 752.2韩润平，邹卫华，朱路，等.生态滤池出水悬浮物的元素分析和红外光谱分析J.光谱 学与光谱分析,2005, 25(11): 1801-1803.3韩素芳，谭吉春，曾晓英，等红外光谱法监测水中矿物油含量J.中国环境监测，1998,14(6): 13.李添魁.红外光谱法测定汽油中的MTBE含量J.石油化工,1995, 24(10): 198.吴瑾光.近代傅里叶变换红外光谱技术及应用M,

17、1994, 497.Seyama M , Sugimoto I, Kototh T . Sensors Actuators B-Chemical, 2001, 74(1):54.张荣贤，孙桂芳.气相色谱-红外光谱联机测定石油化工废水中挥发性有机物J. 2000, 28(7): 9.刘爱民，黄为一.应用红外方法探讨耐镉菌株高积Cd2的机理J.环境科学学报，2005, 25(11): 1502.QIAN Ai-hong, WANG Xian, DENG Yong-zhi. Heavy Metal Biosorption Sites Studies of Laminaria japonica J. M arine Science Bulletin, 2005, 7(1): 87.陈洪，许端平，黄满湘，等.蒽在几种典型土壤中的吸附行为研究J.能源环境保护， 2005, 19(6): 18.邓琪，尹平河，赵 玲，等.餐饮业废油脂皂化工艺的探索J.环境污染治理技术与设 备,2004,5(2): 38 .Jenn H H. Environ. Pollut., 1999, 104(2): 189.占新华，周立祥，沈其荣，等.水田土壤中水溶性有机物的产生动态及对土壤中重金属 活性的影响:田间微区试验J.环境科学学报,2001,21(4): 470.徐亮，刘建国，高闽光，等.FT