红外光谱技术

1、红外光谱技术学号： 1211050126名字：徐健榎班级： 12110501摘要红外光谱作为一种先进的技术，已经在各种领域广泛应用。 本文主要理解红外光谱分析的历史发展、现状分析、研究应用及其应用成果。关键词：红外光谱的历史应用成果一、红外光谱的历史发展真正意义上光谱的研究是从英国科学家牛顿(Newton )开始的。 1666年牛顿证明了白光分为一系列不同颜色的可见光。 这一连串的光投影到屏幕上出现了紫色到红色的光带。 牛顿引进了“光谱”(spectrum )一词来表现这一现象。 牛顿的研究是光谱科学开始的标志。 牛顿以来人类对光的认识从可见光区扩展到红外和紫外区。 红外辐射是在18世纪末、1

2、9世纪初被发现的。 1800年英国物理学家赫歇尔使用棱镜分散太阳光，研究各部分光的热效应，发现红色光外侧有最大的热效应，显示红色光外侧存在辐射，当时被称为“红外线”和“热线”。 这是红外光谱的萌芽阶段。 当时没有精密机器，所以一直没有发展。 近一个世纪过去了，进一步研究引起了注意。1892年朱利亚斯(Julius )用岩盐棱镜和热辐射计(电阻温度计)测定了20种有机化合物的红外光谱。 这是一项有开拓意义的研究工作，很快引起人们的关注。 1905年库珀伦茨(Coblentz )测定了128种有机和无机化合物的红外光谱，引起了光谱界的关注。 这是红外光谱的开拓和发展阶段。到了20世纪30年代，光的

3、二象性、量子力学和科技的发展为红外光谱的理论和技术的发展提供了重要的基础。 许多学者对许多化合物的红外光谱进行了理论研究和总结，并用振动理论进行了一系列键长、键力、能级计算，使红外光谱理论日益完善和成熟。 当时测定手段还很简单，仪器只是单光束，手动和非商业，红外光谱作为光谱学的重要分支，已被分光学家和物理、化学家所认可。 这个阶段是红外光谱理论和实践逐渐完善成熟的阶段。20世纪中期以后，红外光谱在理论上更完善，其发展主要体现在仪器和实验技术的发展上：1947年世界上第一个双光束自动记录红外分光光度计在美国使用。 这是第一代红外线光谱的商品化仪器1960年代，使用光栅的单色仪比棱镜单色仪大幅度提

4、高，但是分散型的仪器，分辨率、灵敏度还不够，扫描速度慢。 这是第二代机器1970年代，干涉型傅立叶变换红外分光器和计算机化分散型机器的使用，大幅度提高了机器的性能。 这是第三代机器1970年代后期到80年代，用可调节激光代替单色器，具有更高的分辨率、更高的灵敏度，应用范围也扩大了。 这是第四代机器。目前，红外分光器与GC、HPLC等其他设备联用，进一步扩大了其使用范围。 在计算机上存储和检索频谱，分析更加方便快捷。二、红外光谱技术现状分析1在国外研究现状。国外有代表性的是： (1)美国德克萨斯机器公司的Ronald E.Stafford等9提出使用DMA(Digital Micro-mirro

5、r Array )作为分光合成元件的图像分光器，降低机器成本，提高检测速度，但采用三层结构进行加工(2)美国Polychromix公司、Honeywell研究室、桑迪亚国家实验室和麻省理工大学共同研究小组的Stephen Senturia教授等人发布了基于衍射光栅光束原理的可编程数字转换分光器。 可测量的波长范围从0.9um到2.5um，性能可靠，紧凑，内部没有可动部件，因此消除了部件移动引起的误差。 在近红外光谱测量技术领域，真正的意义上从实验室的测量仪发展为现场的测量仪。 目前，在乳品生产线上成功进行了实时在线监测。 但是，三层结构的光阀用作光路开关，工艺要求高，在国内加工困难，价格高(中

6、国市场约20万30万元)的同时，还受到海外专利保护和技术垄断。 (3)德国的F.Zimmer等人所提出的基于MEMS技术的扫描光栅分光器通过将多色光入射到可旋转光栅上并对光栅进行调制，使不同波长的衍射光入射到单个InGaAs探针上。 可测量范围为0.9um2um。 但是，在这个光栅分光器中使用了微机的扫描结构，同时使用的衍射光栅的加工很复杂。 (4)韩国美卡斯有限公司开发制造的食品专用检查设备，很贵。 此外，德国Hamburg -Harburg大学、瑞士Neuchatel大学、美国斯坦福大学和芬兰学者Martti Blomberg等人对分光器进行了相关研究。2国内研究现状国内具有代表性的是重庆

7、大学温志渝等人开发的基于微镜的红外分光器和微近红外分光器，该微近红外分光器采用MEMS扫描微镜，采用集成化技术，机器体积大幅度减少，是国内科研机构最初开发的微近红外分光器。 但是，国内的工艺难以有效地解决扫描镜面积(入光能量)和驱动电压这两个重要参数的匹配，因此目前正在进行多电极驱动扫描微镜近红外分光器的研究。 另外，温志渝等人也开发了基于线性传感器相机的微近红外分光器。 但是，由于使用昂贵的InGaAs来检测生产线，设备成本比较高。 中国科学院长春光机所开发出基于固定滤波器的粮食专用型NIR分析仪。 郑建荣等人研制了一种滤镜反射式NIR测量装置，对流化床喷雾造粒中的粒子含水量进行了实时测量。

8、 谢晓明提出了一种用于途中油气层检测的基于滤波器的NIR实时测量系统。 上海prism光技术有限公司开发了光栅扫描式NIR农产品质量分析装置。 国土资源部现代地球物理开放实验室开发了光栅扫描式手机NIR矿物分析系统。 江绍基研制了光栅扫描式光学膜厚NIR监测仪。 天津大学基于AO TF技术研制了NIR乳成分快速分析器。 毕卫红提出了一种新的基于AOTF的便携式NIR光谱测定仪。 中国农业大学开发了以LED为光源的便携式NIR整粒小麦成分测定器和NIR玉米品质分析器。 北京第二光学设备制造商研制了WQF -400N型傅里叶变换型NIR分光器和辛烷值测定器。 浙江大学、华中农业大学、石油化工科学研

9、究院等进行了基于光谱分析的食品安全监测研究，取得了一定的成绩。三、红外光谱技术的研究应用及其应用成果1 .数字转换方法在光谱分析中的应用针对以上国内外的现状分析，结合课题组多年的光谱技术和基于MEMS光调制器技术的研究成果，根据国家自然科学基金2009年度课题申请指南，密切跟踪了目前国内外在近红外光谱研究领域的趋势和进展， 特别是结合我国国情和我们微系统研究中心的前期探索研究成果和经验，研究了基于MEMS衍射光栅光调制器的近红外光谱监视器，以商用光盘为色散元件，以基于MEMS的衍射光栅光调制器为扫描器件，利用数字转换方法和单一近红外检测器进行全空间该方法构成了食品安全监测的新光谱监测器，可以复

10、盖可见光和近红外光谱范围。 本思想和方法，以及研究的光栅光调制器与目前国内外报道的原理不同，采用他们的一些先进思想，结合我们多年来关于光调制器的研究成果，在前期探索研究的基础上继续着。 具体内容是建立仪器系统整体结构设计建模与仿真的商用光盘色散和识别能力光栅光调制器线路及其数字转换原理信号处理等重要技术实验系统等。 数字转换方法是通过Hadamard转换将检测器获得的强度频谱转换为I-的关系图，与没有加入采样池的I-关系图相比，直接获得采样池的分量。2在制浆造纸工业中的应用2.1木质素的定性和结构分析将木质素样品和氯化钾均匀混合后，开发了透明的试验片，用红外分光光度计获得相应的红外光谱图，通过

11、将得到的样品光谱图与前人证实的特征吸收峰的位置进行比较，确定木质素中含有的各种功能基，并分析了木质素的结构3。2.2木质素的定量分析使用红外光谱定量分析木质素时，多以木质素芳香环的特征吸收峰(即频率在1500cm-1和1600cm-1处的吸收峰)的强弱作为定量依据。 测定前制作木质素含量和相对吸光度d的标准曲线。 然后，采集作为测定对象的纸浆样品l0mg，加入氰化钾lmg和kbr(200网眼粉) 300mg，用玛瑙研究体进行研磨(约120次)，然后放入真空干燥盒中，用真空度约76mm Hg柱，在70下干燥8小时以上。 干燥的试料用压片型在15t的压力下压在透明板上，用红外分光光度计扫描，得到红

12、外光谱图。 由红外光谱求出相对吸光度D(D1505/D2100 )，由该值调查标准曲线，求出纸浆中的木质素的含量3。2.3研究纤维素的结晶结构(结晶度)在对纤维素的高分子的凝聚状态(所谓的纤维素的超分子结构)的研究中，纤维素的结晶域和非晶域交替连接。 在结晶区域内，纤维素链分子的排列比较整齐，在有规律的非晶区，纤维素链分子的排列不规则，规律性差，结合松散。 然后，从结晶区域向非晶区域阶段性地转移，没有明确的边界。 纤维素结晶是表示纤维素的凝聚状态结晶化的程度的指标，是指由纤维素构成的结晶区域在纤维素整体中所占的比例。 纤维素的结晶度在一定程度上反映了纤维的物理性质和化学性质。 因此，测定纤维素

13、的结晶度对从结构上了解纤维素纤维的性质有指导意义3。2.4纸浆. Kappa值的测定由于近红外光谱的噪音比非常高，利用多变量统计技术进行多变量回归可以得到工作曲线，定量测量的精度很高。 另外，由于该波段(0.82.5m )中物质特征吸收峰的吸收率较小，因此在进行测定时，近红外光谱法及其应用是对固体、液体、气体和悬浊液的快速非破坏性的定量分析。 因此，可以测定纸浆木质素的含量，还可以测定纸浆的Kappa值3。2.5测定细纤维的取向角用MicORoMan分光器测定1094cm-1和1121cm-1处的峰强度比例作为角度函数，测定漂白纸浆细纤维取向角4。2.6测定混合纤维的构成利用红外分光器的差减光

14、谱软件，成功地减少了复杂的混合纤维光谱的光谱差，更准确地推测了混合纤维的构成5。2.7检测热磨机械浆的光回黄对o醌和p醌的模型物和Fremy热磨机械浆盐类氧化物的光谱研究结果表明，1675cm-1光谱带在p醌官能团的作用下，甲基对苯二酚的变色行为与热磨机械浆的变色非常类似。 此外，对醌和对苯二酚的模型物发现，激光诱导荧光的分子氧敏感性与回黄和不回黄的机械热研磨剂的回色行为非常接近。 因此，使用傅立叶变换拉曼光谱和傅立叶变换红外光谱，可以在新的光谱带1675cm-1上研究热磨机纸浆的光返回作用6。2.8测量纸张的均匀度用光吸收法测定纸张局部量，在纸张平面上得到定量的一维分布函数，通过傅立叶变换得

15、到纸张局部量变化的几何分布特征和宽度分布特征，并据此构成表现纸张均匀度的特征参数的不均匀指数来测定纸张均匀度7。采用反射模式，利用1940cm-1处的水特征，对书页中的水分进行了吸收测定。 2235红外线水分传感器利用了这一原理。 纸板重量变化在2100-2500nm范围内外观明显，在2346mn下进行一次线性回归，可以测定纸板重量8。2.9检查纸张结构检测纸张的构造。 利用这种红外温度记录仪，对样品施加机械能和热能来改变温度的方法，有助于鉴定纸的结构和功能特性9。3在临床医学中的应用由于每个化合物都有自己的红外光谱，除了特殊情况外，目前还没有发现两种不同的化合物具有相同的红外光谱，红外光谱为

16、药品质量的监测提供了快速准确的方法。 如中药天麻、阿胶、西药红霉素、环磷酰胺的监测和抗肝炎药比多同质异晶的研究。红外光谱也广泛应用于临床疾病的检查，如利用红外光谱法进行冠心病、动脉硬化、糖尿病、癌症的检查。 红外光谱法测定蛋白质基质中葡萄糖含量。 以及FT - Raman光谱在700 1900cm-1的差异，可以将胃、牙、血管、肝等人体组织的研究应用于体内诊断。 近红外光谱也用于血液中血红蛋白、血糖等成分的检测和临床研究10.11，结果良好。田惠军等用FTIR法定量天然牛黄中胆红素钙的含量，宋占军等用FTIR法定量蜂王浆中的王浆酸，他们获得了满意的结果。 随着漫反射测试技术的出现，无损药物分析

17、在近红外光谱分析中占有非常重要的位置。 现代近红外光谱已经广泛应用于药物生产过程控制。4在农业上的应用红外光谱成功的农产品质量分析，进而污染物的测定13，烟、咖啡的分类14，农产品产地的鉴定15，可耕地土壤的物理和化学变化的测定16，光纤探针的出现，NIR技术直接通过粮食和水果的传送带筛选产品17。陈和生等人还利用漫反射法，将探针直接安装在食物谷物输送机上，检测种子和作物的品质，如水分、蛋白质含量和小麦硬度。 在农产品优良品种的选育和品质分析中发挥了重要作用，利用NIR技术实时监测肥料生产过程中氮、磷、钾组成的变化，深入研究蔬菜中微量农药残留的定性和定量分析，建立了蔬菜中少量酸盐的NIR快速测定方法18。在农业领域，近红外光谱通过扩散反射法，可以将检测探针直接安装在粮食谷物输送机上，检测种子和作物的质量，如水分、蛋白含量和小麦硬度。 也可用于作物和饲料中的