红外光谱分析技术1.ppt

1、红外光谱分析技术在纺织化学与染整工程中的应用,报告人张保根,组员：王磊,（侧重点：ATR附件工作原理以及应用）,基本概要,色散型红外光谱仪,傅里叶变换红外光谱仪,红外光谱仪的发展,相对前者具有较高的分辨率，波数精度，高灵敏度，宽的光谱范围和较快的扫描速度,傅里叶变换红外光谱仪结构与工作原理图,光源,干涉仪,样品室,检测器,计算机,显示器,绘图仪,光谱图,干涉图,红外光谱测试 和 制样技术,透射技术,反射技术,溴化钾压片法,薄膜法,溶液铸膜,熔融铸膜,镜面反射法,衰减反射法（ATR）,漫反射法（DF）,显微红外光谱法,光声光谱法（PAS）,红外光谱测试和制样技术的发展【1】,衰减全反射红外附件（

2、ATR）,透射法（样品固体（粉末）液体和气体）：KBr压片法 糊状法，薄膜 法，涂片法，液膜法，溶液法,ATR测样与常规的透射不一样，它主要是 对样品表面的分析。相比之下无需制样， 无需破坏样品，直接对单丝、布料、成衣 进行鉴定，以往需花几十分钟的检验， 可在几秒钟内完成，大大提高了检验速度， 操作方便 。,衰减全反射（ATR）工作原理,光折射原理,Sini / sint= n2/n1,折射定律：sin / sin = n2/n1 ，其中为入射角， 为折射角， n1，n2分别为入射介质与折射介质的折射率,入射光线与折射光线，反射光线的关系,注：反射率= Ir I 0,发生全反射现象须具备下述两

3、条件： 介质l折射率要大于介质2的折射率，即只有光从光密介质进入光疏介质时才可能产生全反射。 右图中B线情形不满足该条件故不能产生全反射。 入射角大于临界角。,衰减全反射缘由,在ATR测量技术中，介质2一般为有机化合物对红外线不是完全透明的而是有一定的吸收，使透入样品的光束在发生吸收的波长处减弱， 这也就是称为衰减全反射的原因。,红外光在晶体内表面发生全反射时，一方面反射光强等于入射光强，另一方面在晶体外表面附近产生驻波，称为隐失波（evanescent wave）,晶体材料选择,ATR技术主要研究有机物的红外光谱因绝大多数有机物的折射率在1.5以下，因此 根据发生全反射条件（n1n2)要求，

4、要获得衰减全反射谱需要使用折射率大于1.5的 红外透过晶体。表4-1给出常用ATR晶体材料的折射率。,透射深度,透射深度的深浅会影响红外谱图的质量，因此必须尽可能提 高穿透深度。光线透射到样品内的深度可用透射深度d来表示，,式中, i是光线的入射角，是光在内反射晶体内的波长，n1和n2分别是内反射晶体和样品的折射率，根据选用内反射晶体的材料和不同的入射角，透射深度可在几百纳米到几微米之间变化。,由上可知：（1）样品折射率越高，穿透深度越深 （2）入射角越大，穿透深度越浅 （3）光谱波数越高，穿透深度越浅 （4）晶体折射率越大，穿透深度越浅 此外，另一与穿透深度有关的因素是ATR晶体反射面与样品

5、的接触效率。尽可能使 样品与ATR板的反射面严密接触，提高接触效率，是获得高质量ATR谱的重要条件,衰减全反射（ATR）附件种类,由此根据不同样品测试的需要以及光谱质量的效果，ATR有以下几种：,其因可以与样品”点对点”紧密接触，因此测试样品广泛，光谱质量高。,FTIR-ATR在纺织与印染中的应用,FTIR-ATR 应用,纺织纤维材料 上的应用,纺织化学品上 的应用,混纺纤维组分检测,纤维结晶度，取向度的测定,纤维的鉴定,纤维材料结构的测定,纤维材料改性表面检测,织物表面涂层分析,染料性能检测,织物上助剂 鉴定,定量,定性 半定量,纺织纤维快速鉴定【2】,酯-C =O 吸收峰,酰C =O吸收,

6、天然纤维快速鉴定举例,化学纤维快速鉴定举例,12种纤维的主要吸收谱带,棉织物HCl汽蒸杂质去除【3-4】（半定量测定）,主要的C- H 伸缩振动峰出现2800 到 3000cm-1区域内。由于分子中组成长 链烷烃的亚甲基(- CH2- )基团的对称和 不对称伸缩振动, 原棉织物谱图(a)多 2918和2849 cm-1两个峰, 这两个峰说 明了原棉表面蜡质的存在。因此, 峰值 为2918 和2849cm-1的亚甲基峰, 其强 度大小可反应棉纤维表面蜡质的含量。,ATR测试分析涤纶老化【5】,（纤维表面(1m) 厚的老化情况）,从图谱中我们可以认为,在气候老化初期主要为表面酯键的断裂,表面非晶区

7、慢慢处于膨松的变化。由于酯键断裂,使最小承载面积减小,会使断裂强度下降。,伯，仲醇C-O特征吸收峰,CH2面外摇摆1370cm-1非晶区旁式构象峰大量增长,混纺纤维含量比测定【6】,（例：毛涤织物的混纺比）,对羊毛和涤纶织物的ATR光谱，我们选择吸收峰强、明 显的聚酯羰基伸缩振动1710cm-1和羊毛NH变形振动1520 cm-1为特征吸收谱带。,这种测试是针对在红外区具有特征吸收峰的混纺织物定量测定,注：,不同面积比的毛涤织物在ATR晶体上测试的谱图,利用最小二乘法绘制的标准曲线图,以基线法(见图3)求得纯羊毛、纯涤纶及二者间不同面积比的吸收值A1710，A1520制得了以羊毛面积百分含量为

8、横坐标， A1520 (A1520 + A1710)为纵坐标标准曲线，见上图。,注：吸收比值与羊毛（%）面积的关系,由上图可知，A1520 (A1520 + A1710)对羊毛（%）的面积是一 条直线。利用最小二乘法，在计算机上计算得直线方程：Y= kX + b， 式中k，b为已知常数，Y为A1520 (A1520 + A1710)值，X为羊毛 百分含量（面积）。未知样品的测定，测得未知毛涤混纺织物的 ATR光谱图，求其A1520 (A1520 + A1710)值，然后与标准曲线 进行对照，推算混纺比。,准确度：ATR法与化学法的结果比较接近，精确度可达到3%5%,纺织化学品定性（半定量）分析

9、,Adsorption mechanism of synthetic reactive dye wastewater by chitosan 【7】,注：Chitosan（甲壳素）分子结构,氨基质子化红移,1210，1459cm-1出现，染料的吸附,1033，1142cm-1峰消失，C-N键削弱,The ATR-FTIR spectra confirmed that the amines on chitosan polymer tend to be effective functional groups for dye adsorption under acidic conditions, w

10、hile the hydroxyl group tended to be the effective functional group for dye adsorption under caustic conditions.,1210，1459cm-1出现，染料的吸附,1073cm-1强度下降，伯，仲醇C-O键减少,丙三醇的含量测定【8】,丙三醇（CH2OHCHOHCH2OH）在1115.9-994cm-1处有C-O伸缩振动的红外特征吸收峰, 而水在此无吸收峰,采用衰减全反射红外光谱法,并用OPUS软件进行ATR较正来测定水溶液 中丙三醇的含量,测定其吸收光谱10467cm-1处吸收峰的高度h

11、，以及吸收光谱在11709557cm-1 处的多峰面积 ，绘制校准曲线。然后对样品进行测试，分别以峰高和多峰面积进行定量分析。,校正曲线,实验选择在1046cm-1处的峰高和1170.2955.7 cm-1之间的多峰面积进行定量分析,研究吸收峰高、吸收峰面积与丙三醇质量百分数之间的变化关系,其中峰高值、峰面积值、校准曲线方程和相关系数均由红外光谱仪操作软件OPUS中的定量分析程序求得。丙三醇的质量百分浓度与峰高h和峰面积在一定浓度范围内皆有良好的线性关系【8】。线性回归分别为: h=-0.018+0.024C,r=0.997; =-0.66+1.744C,r=0.998, 其中C为丙三醇的质量

12、百分浓度(%),h为峰高,为峰面积,r为相关系数。,丙三醇ATR红外光谱 测定结果误差分析,1、方法准确度的测定,2、精密度测试,取质量百分数为75%的样品进行5次平行测定,总结,衰减全反射的特点,(1)非破坏性分析方法,能够保持样品原貌进行测定。,(2)对样品的大小、形状没有特殊要求,甚至可测 极微小物如纤维、毛发等。,(3)可测定含有水和潮湿样品。,(4) A TR谱的吸收特性使它便于与透射谱比较。 但 由于不同波数区间ATR技术灵敏度不同,因此,A T R谱吸收峰相对强度与透射谱相比并不完全一致。,(5)操作简便、自动化程度高,可用计算机进行选点、 定位、聚集、测定。,参考文献,1 温演

13、庆,朱谱新,吴大诚. 红外光谱在检测纺织纤维中的应用J. 纺织科技展，2007（2）：1-4. 2 王宏菊,陈旭辉,王成云. FTIRATR无损快速鉴定纺织纤维J. 印染，2001（3）：45-57. 3 Qiang Wang,Xuerong Fan, Weidong Gao and Jian Chen. Characterization of bioscoured cotton fabrics using FT-IR ATR spectroscopy and microscopy techniques J. Carbohydrate Research341 (2006) 21702175. 4 李德宏,顾美华,任夕娟,俞波. 红外光谱法研究涤纶短纤维结构 与性能J.合成技术及应用,2002(3):34-35. 6 吴药镜,张继穗,何慧漪. 红外衰减全反射光谱法测定毛涤织物的 混纺比J.光谱学与光谱分析,(4):17-20 5 Niramol Sakkayawong,Paitip Thiravetyan,Woranan Nakbanpot e. Adsorptio