紅外光譜分析法資料課件

紅外光譜分析法紅外光譜分析法1二、紅外光譜儀三、紅外光譜技術(shù)的應(yīng)用一、概述四、國內(nèi)外各領(lǐng)域的應(yīng)用現(xiàn)狀五、專題思考六、參考文獻(xiàn)二、紅外光譜儀三、紅外光譜技術(shù)的應(yīng)用一、概述四、國內(nèi)外各領(lǐng)域2一、概述

分子的振動(dòng)能量比轉(zhuǎn)動(dòng)能量大，當(dāng)發(fā)生振動(dòng)能級(jí)躍遷時(shí)，不可避免地伴隨有轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)的躍遷，所以無法測(cè)量純粹的振動(dòng)光譜，而只能得到分子的振動(dòng)-轉(zhuǎn)動(dòng)光譜，這種光譜稱為紅外吸收光譜。紅外吸收光譜也是一種分子吸收光譜光譜一、概述分子的振動(dòng)能量比轉(zhuǎn)動(dòng)能量大，當(dāng)發(fā)生振31、紅外光區(qū)的劃分：

紅外光譜在可見光區(qū)和微波光區(qū)之間，波長范圍約為0.75~1000μm，根據(jù)儀器技術(shù)和應(yīng)用不同，習(xí)慣上又將紅外光區(qū)分為三個(gè)區(qū)：

近紅外光區(qū)（0.75~2.5μm）

中紅外光區(qū)（2.5~25μm）

遠(yuǎn)紅外光區(qū)（25~1000μm）1、紅外光區(qū)的劃分：

紅外光譜在可見光區(qū)和微波42、工作原理：

紅外光譜法又稱“紅外分光光度分析法”，是分子吸收光譜的一種，他是利用物質(zhì)對(duì)紅外光區(qū)的電磁輻射的選擇性吸收來進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析及定性和定量分析的一種方法。被測(cè)物質(zhì)的分子在紅外線照射下，只吸收與其分子振動(dòng)、轉(zhuǎn)動(dòng)頻率相一致的紅外光譜。對(duì)紅外光譜進(jìn)行剖析，可對(duì)物質(zhì)進(jìn)行定性分析?；衔锓肿又写嬖谥S多原子團(tuán)，各原子團(tuán)被激發(fā)后，都會(huì)產(chǎn)生特征振動(dòng)，其振動(dòng)頻率也必然反映在紅外吸收光譜上。2、工作原理：紅外光譜法又稱“紅外分光光度分析法53、近紅外光譜：近紅外光譜（near—infraredspectroscopy，NIRS)介于可見光譜區(qū)與中紅外譜區(qū)之間，譜區(qū)范圍為12820—3959cm(780～2526nm)主要是由于分子振動(dòng)的非諧振性使分子振動(dòng)從基態(tài)向高能級(jí)躍遷時(shí)產(chǎn)生的。該譜區(qū)主要是C—H，N—H，O—H等含氫基團(tuán)的倍頻及合頻吸收，特點(diǎn)是譜帶較寬、重疊嚴(yán)重，難以用傳統(tǒng)的方法解析圖譜，但該譜區(qū)包含的信息量極其豐富，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的提高，多變量統(tǒng)計(jì)分析技術(shù)的開發(fā)以及儀器制造技術(shù)的發(fā)展，解決了該譜區(qū)解析的困難。3、近紅外光譜：近紅外光譜（near—inf64、近紅外光譜的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：分析速度快分析效率高分析成本低易于制樣和便于測(cè)量測(cè)試重現(xiàn)性好可實(shí)現(xiàn)在線分析非化學(xué)性質(zhì)的測(cè)量缺點(diǎn)：測(cè)試靈敏度相對(duì)較低是一種間接的分析技術(shù)，分析結(jié)果的準(zhǔn)確性與模型建立的質(zhì)量和模型的合理使用有很大的關(guān)系。4、近紅外光譜的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：缺點(diǎn)：7二、紅外光譜儀目前主要有兩類紅外光譜儀：色散型紅外光譜儀和Fourier（傅立葉）變換紅外光譜儀。1、色散型紅外光譜儀：色散型紅外光譜儀的組成部件與紫外-可見分光光度計(jì)相似，但對(duì)沒一個(gè)部件的結(jié)構(gòu)、所用的材料及性能與紫外--可見分光光度計(jì)不同。它們的排列順序也略有不同，紅外光譜儀的樣品是放在光源和單色器之間；而紫外--可見分光光度計(jì)是放在單色器之后。二、紅外光譜儀目前主要有兩類紅外光譜儀：色8色散型紅外光譜儀原理示意圖：色散型紅外光譜儀原理示意圖：92、Fourier變換紅外光譜儀（FTIR）Fourier變換紅外光譜儀沒有色散元件，主要由光源（硅碳棒、高壓汞燈）、Michelson干涉儀、檢測(cè)器、計(jì)算機(jī)和記錄儀組成。核心部分為Michelson干涉儀，它將光源來的信號(hào)以干涉圖的形式送往計(jì)算機(jī)進(jìn)行Fourier變換的數(shù)學(xué)處理，最后將干涉圖還原成光譜圖。它與色散型紅外光度計(jì)的主要區(qū)別在于干涉儀和電子計(jì)算機(jī)兩部分。2、Fourier變換紅外光譜儀（FTIR）10傅里葉變換紅外光譜儀工作原理圖：傅里葉變換紅外光譜儀工作原理圖：11

（1）掃描速度極快

（2）具有很高的分辨率

（3）靈敏度高

除此之外，還有光譜范圍寬（1000~10cm-1）；測(cè)量精度高，重復(fù)性可達(dá)0.1%；雜散光干擾??；樣品不受因紅外聚焦而產(chǎn)生的熱效應(yīng)的影響；特別適合于與氣相色譜聯(lián)機(jī)或研究化學(xué)反應(yīng)機(jī)理等。Fourier變換紅外光譜儀的特點(diǎn)：

（1）掃描速度極快

（2）具有很高的分辨率

（3）靈敏12

要獲得一張高質(zhì)量紅外光譜圖，除了儀器本身的因素外，還必須有合適的樣品制備方法。

紅外光譜法對(duì)試樣的要求：

（1）試樣應(yīng)該是單一組份的純物質(zhì)，純度應(yīng)>98%或符合商業(yè)規(guī)格，才便于與純物質(zhì)的標(biāo)準(zhǔn)光譜進(jìn)行對(duì)照。多組份試樣應(yīng)在測(cè)定前盡量預(yù)先用分餾、萃取、重結(jié)晶或色譜法進(jìn)行分離提純，否則各組份光譜相互重疊，難于判斷。

（2）試樣中不應(yīng)含有游離水。水本身有紅外吸收，會(huì)嚴(yán)重干擾樣品譜，而且會(huì)侵蝕吸收池的鹽窗。

（3）試樣的濃度和測(cè)試厚度應(yīng)選擇適當(dāng)，以使光譜圖中的大多數(shù)吸收峰的透射比處于10%~80%范圍內(nèi)。3、試樣的處理和制備：

要獲得一張高質(zhì)量紅外光譜圖，除了儀器本身的13制樣的方法：

1.氣體樣品

氣態(tài)樣品可在玻璃氣槽內(nèi)進(jìn)行測(cè)定，它的兩端粘有紅外透光的NaCl或KBr窗片。先將氣槽抽真空，再將試樣注入。

2.液體和溶液試樣

（1）液體池法

（2）液膜法

3.固體試樣

（1）壓片法

（3）薄膜法

（2）石蠟糊法

制樣的方法：

1.氣體樣品

氣態(tài)樣品可14

近紅外光譜技術(shù)是一種現(xiàn)代高新分析測(cè)試技術(shù)，主要包括近紅外光譜儀、化學(xué)計(jì)量學(xué)軟件和應(yīng)用模型3個(gè)部分，具有分析速度快、樣品處理簡單、無需試劑、無污染、多組分檢測(cè)等特點(diǎn)。近紅外光譜法在藥學(xué)領(lǐng)域中的應(yīng)用范圍相當(dāng)廣泛，它不僅適用于藥物的多種不同狀態(tài)如原料、片劑、膠囊以及液體等制劑的分析檢測(cè)，還可用于不同類型的藥品，如蛋白質(zhì)、中藥、抗生素等藥物的分析。

近紅外光譜分析技術(shù)在藥物分析中的應(yīng)用包括定性分析和定量分析。三、紅外光譜技術(shù)的應(yīng)用近紅外光譜技術(shù)是一種現(xiàn)代高新分析測(cè)試技術(shù)，主要包括近15

（一）定性分析：1、定性分析方法：1）相關(guān)系數(shù)法：是最廣泛使用的相似性判別方法，它是己知的平均光譜與樣品光譜特征值之間的夾角余弦。理論上，若兩個(gè)譜圖完全相同，則相關(guān)系數(shù)為1；但由于測(cè)量誤差和噪音的影響，相關(guān)系數(shù)總是接近于1。2）主成分分析法(PCA)：是通過主成分得分構(gòu)筑的主成分空間進(jìn)行樣品定性判斷。在多維空間中，某一類物質(zhì)的主成分得分會(huì)聚成一族。3）馬氏距離法(MD)：是通過多波長下的光譜距離定量描述出測(cè)量樣本離校正集樣本的位置，因而在光譜匹配異常點(diǎn)檢測(cè)和模型外推方面都很有用。

162、已知物的鑒定

將試樣的譜圖與標(biāo)準(zhǔn)的譜圖進(jìn)行對(duì)照，或者與文獻(xiàn)上的譜圖進(jìn)行對(duì)照。如果兩張譜圖各吸收峰的位置和形狀完全相同，峰的相對(duì)強(qiáng)度一樣，就可以認(rèn)為樣品是該種標(biāo)準(zhǔn)物。如果兩張譜圖不一樣，或峰位不一致，則說明兩者不為同一化合物，或樣品有雜質(zhì)。如用計(jì)算機(jī)譜圖檢索，則采用相似度來判別。使用文獻(xiàn)上的譜圖應(yīng)當(dāng)注意試樣的物態(tài)、結(jié)晶狀態(tài)、溶劑、測(cè)定條件以及所用儀器類型均應(yīng)與標(biāo)準(zhǔn)譜圖相同。2、已知物的鑒定

將試樣的譜圖與標(biāo)17

3、測(cè)定未知物的結(jié)構(gòu)

紅外光譜法定性分析的一個(gè)重要用途。如果未知物不是新化合物，可以通過兩種方式利用標(biāo)準(zhǔn)譜圖進(jìn)行查對(duì)：

（1）查閱標(biāo)準(zhǔn)譜圖的譜帶索引，與尋找試樣光譜吸收帶相同的標(biāo)準(zhǔn)譜圖；

2）進(jìn)行光譜解析，判斷試樣的可能結(jié)構(gòu)，然后在由化學(xué)分類索引查找標(biāo)準(zhǔn)譜圖對(duì)照核實(shí)。

在對(duì)光譜圖進(jìn)行解析之前，應(yīng)收集樣品的有關(guān)資料和數(shù)據(jù)。了解試樣的來源、以估計(jì)其可能是哪類化合物；測(cè)定試樣的物理常數(shù)，如熔點(diǎn)、沸點(diǎn)、溶解度、折光率等，作為定性分析的旁證

3、測(cè)定未知物的結(jié)構(gòu)

紅外18

（二）定量分析：1、定量分析方法：1）主成分回歸法(PCR)的原理與PCA相同，PCR在解釋光譜數(shù)據(jù)時(shí)起著重要作用，從主成分權(quán)重圖中能夠確定主成分與哪個(gè)組份有關(guān)。2）偏最小二乘法(PLS)：是一種全光譜分析方法，充分利用多個(gè)波長下的有用信息，不需刻意的選擇波長，并能濾去原始數(shù)據(jù)噪音，提高信噪比，解決交互影響的非線性問題，很合適在NIR中使用3）逐步回歸分析(SLR)法：是從對(duì)因變量有影響的許多變量中，選擇一些變量作為自變量建立“最優(yōu)”回歸方程，對(duì)因變量進(jìn)行預(yù)報(bào)和控制。（二）定量分析：19

2、紅外光譜定量分析是通過對(duì)特征吸收譜帶強(qiáng)度的測(cè)量來求出組份含量。其理論依據(jù)是朗伯-比耳定律?；驹恚海?）選擇吸收帶的原則

1）必須是被測(cè)物質(zhì)的特征吸收帶。例如分析酸、酯、醛、酮時(shí)，必須選擇>C=O基團(tuán)的振動(dòng)有關(guān)的特征吸收帶。2）所選擇的吸收帶的吸收強(qiáng)度應(yīng)與被測(cè)物質(zhì)的濃度有線性關(guān)系。3）所選擇的吸收帶應(yīng)有較大的吸收系數(shù)且周圍盡可能沒有其它吸收帶存在，以免干擾。2、紅外光譜定量分析是通過對(duì)特征吸收譜帶強(qiáng)度的測(cè)量來20（2）吸光度的測(cè)定

1）一點(diǎn)法該法不考慮背景吸收，直接從譜圖中分析波數(shù)處讀取譜圖縱坐標(biāo)的透過率，再由公式lg1/T=A計(jì)算吸光度。實(shí)際上這種背景可以忽略的情況較少，因此多用基線法。2）基線法通過譜帶兩翼透過率最大點(diǎn)作光譜吸收的切線，作為該譜線的基線，則分析波數(shù)處的垂線與基線的交點(diǎn)，與最高吸收峰頂點(diǎn)的距離為峰高，其吸光度A=lg（I0/I）。（2）吸光度的測(cè)定21實(shí)例：紅外光譜法快速鑒別維生素B1維生素Bl(VBl。Thiamine，別名鹽酸硫胺，化學(xué)結(jié)構(gòu)式如圖所示）是人們生活中所必需的營養(yǎng)素之一．具有調(diào)節(jié)和管制新陳代謝過程的生物活性物質(zhì)，與糖代謝有密切關(guān)系。當(dāng)人體缺乏維生素Bl時(shí)，正常的糖代謝受阻，影響機(jī)體能量供應(yīng)．使血、尿和神經(jīng)組織中丙酮酸含量升高，出現(xiàn)感覺神經(jīng)和運(yùn)動(dòng)神經(jīng)均受影響的多發(fā)性神經(jīng)炎，表現(xiàn)為感覺異常、神經(jīng)疼痛、四肢無力，以及肌肉酸痛、萎縮和得腳氣病。維生素Bl在體內(nèi)經(jīng)焦磷酸激酶作用生成的焦磷酸硫胺素(TPP)是多種酶的輔酶，在體內(nèi)糖代謝中發(fā)揮極其重要的作用。實(shí)例：紅外光譜法快速鑒別維生素B1維生素Bl22維生素B1的結(jié)構(gòu)式：維生素B1的結(jié)構(gòu)式：231、儀器設(shè)備和測(cè)試條件

采用NieoletNEXUS670傅里葉變換紅外光譜儀，硅碳棒光源，DTGS檢測(cè)器．4era—1分辨率，光譜范圍為4000---400cm—l

2、樣品制備

維生紊Bl的標(biāo)準(zhǔn)品(天津市光復(fù)精細(xì)化工研究所，純度98．5％)，維生素B，藥品分別是天津飛鷹制藥有限公司，成都錦華藥業(yè)有限責(zé)任公司，天津金世制藥有限公司生產(chǎn)。按I：IOO的比例將維生素B，和KBr放入研缽中磨成細(xì)粉，然后壓成透明薄片測(cè)定。

3、樣品測(cè)定

把壓好的透明薄片放入采集箱進(jìn)行信號(hào)采集，并送往計(jì)算機(jī)光譜數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)進(jìn)行分析和處理。1、儀器設(shè)備和測(cè)試條件

采用Nieolet243結(jié)果與討論

《中國藥典》采用紅外光譜法鑒別藥物的依據(jù)為：在規(guī)定的相同方法條件下，測(cè)得相同物質(zhì)的紅外光譜圖一致。故《中國藥典》規(guī)定，按照<藥品紅外光譜集)的方法測(cè)得標(biāo)準(zhǔn)品的紅外吸收?qǐng)D譜應(yīng)與藥物維生素BJ圖譜一致。

各產(chǎn)地維生素B1的吸收峰與標(biāo)準(zhǔn)品的吸收峰相似。但吸收峰強(qiáng)度各異。圖譜中很明顯看出，各產(chǎn)地的維生素B。在3500c：m-1處有強(qiáng)而寬的吸收峰而標(biāo)準(zhǔn)品的是沒有那么寬的吸收峰。原因是維生素B。片劑含有水分子，與其自由羥基進(jìn)行締合，形成氫鍵，使得羥基峰在3500—3200吸收變得強(qiáng)而寬。而標(biāo)準(zhǔn)品中沒有水分子結(jié)構(gòu)中的自由羥基，沒有締合。因此在3500左右有中等強(qiáng)度的羥基吸收峰。此外，各產(chǎn)地的維生素B1都與標(biāo)準(zhǔn)品有相同的特征官能團(tuán)而產(chǎn)生相似的特征吸收峰。3結(jié)果與討論

《中國藥典》采用紅外光譜法鑒25紅外光譜分析法資料課件26四、國內(nèi)外各領(lǐng)域的應(yīng)用現(xiàn)狀：1、近紅外光譜技術(shù)在飼草中的應(yīng)用現(xiàn)狀1976年Norris等首次利用NIRS技術(shù)對(duì)牧草的粗蛋白進(jìn)行了測(cè)定，隨后Alexandrov等和Berardo測(cè)定了苜蓿草的CP、總氮含量。Boever和Villamarin等分析了青貯飼草樣品的CP。GareiaCriado等用近紅外光譜分析法分析不同生長階段草地植物的CP含量。Hansen用NIRS法測(cè)定了枯萎苜蓿草的可溶性蛋白質(zhì)及氮含量。Thiex利用近紅外光譜分析測(cè)定干草、飼草、飼料玉米中的水分。Vazquez等利用近紅外光譜分析技術(shù)分析飼草樣品中灰分含量。四、國內(nèi)外各領(lǐng)域的應(yīng)用現(xiàn)狀：1、近紅外光譜技術(shù)在飼草中的應(yīng)用272、近紅外光譜技術(shù)在煙草中的應(yīng)用現(xiàn)狀

Lo于1995年公布了應(yīng)用近紅外光譜分析技術(shù)和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)煙草混合物進(jìn)行快速分類和配方分析的最新研究成果Yamazaki和Kimyo等用已知煙絲、膨脹梗絲和膨脹煙絲混合比例的配方建立的模型進(jìn)行配方分析。HanaM等對(duì)產(chǎn)自16個(gè)國家的1600多個(gè)樣品進(jìn)行了基于近紅外光譜的分類研究。2、近紅外光譜技術(shù)在煙草中的應(yīng)用現(xiàn)狀

Lo于19283、近紅外光譜技術(shù)在制藥過程中的應(yīng)用

Sekulie等對(duì)含10％苯甲酸鈉、39％微晶纖維素、5O％乳糖和1％滑石粉的樣品混合過程進(jìn)行了監(jiān)測(cè)。Zheng等采用近紅外在線分析技術(shù)對(duì)疫苗的冷凍干燥過程進(jìn)行控制。White等選用帶光纖探針的近紅外光譜儀通過對(duì)終產(chǎn)物水分的檢測(cè)來實(shí)現(xiàn)微波干燥過程終點(diǎn)的監(jiān)測(cè)。Hans等將近紅外反射光譜法用于流化床干燥制粒，監(jiān)測(cè)噴霧干燥階段并且測(cè)定干燥終點(diǎn)。Moes等使用帶光纖探頭的NIR漫反射光譜儀使用PIS模式對(duì)片劑包衣層進(jìn)行檢測(cè)?！暗仍跐穹ㄖ屏＿^程中采用近紅外光譜技術(shù)定量測(cè)定甘氨酸的多晶型變化。MeArdle等采集結(jié)晶過程不同階段的近紅外圖譜在線監(jiān)測(cè)結(jié)晶過程。3、近紅外光譜技術(shù)在制藥過程中的應(yīng)用

Sek294、近紅外光譜技術(shù)在乳品分析中應(yīng)用

Purnomoadi等用近紅外光譜技術(shù)分析了飼料來源對(duì)牛奶中脂肪和蛋白質(zhì)含量的影響。Mcqueen等分別采用近紅外光譜波長為為1740，1935，2108nm的三個(gè)波段和傅立葉變換中紅外衰減全反射對(duì)奶酪樣品的蛋白質(zhì)、脂肪和含水量進(jìn)行檢測(cè)，并比較了2種檢測(cè)方法的預(yù)測(cè)結(jié)果。Sorensen等用近紅外透射方(850～1050nm)和近紅外反射方式(1110～2490nm)對(duì)奶酪進(jìn)行無損檢測(cè)。Curda等對(duì)加工過的奶酪的干物質(zhì)、脂肪、粗蛋白、pH值和流變特性進(jìn)行測(cè)試。0eallaghan．等用近紅外漫反射及近紅外透射法等六種在線檢測(cè)技術(shù)對(duì)牛奶凝固進(jìn)行監(jiān)控。Nagarajan等在波長800～2500nm．用近紅外漫反射技術(shù)快速檢測(cè)奶粉的濕度。4、近紅外光譜技術(shù)在乳品分析中應(yīng)用

Purnom30

5、近紅外光譜技術(shù)在肉品檢測(cè)中的應(yīng)用

Leroy等在1200～1300nm波段利用近紅外光譜建立揮發(fā)性鹽基氮的預(yù)測(cè)模型，實(shí)現(xiàn)了新鮮度的評(píng)價(jià)。Alomar等利用近紅外技術(shù)及PLS分析建模方法高準(zhǔn)確性地鑒別不同品種的牛肉以及牛肉的不同部位的肌肉。Cozzolino利用PCA及PLS的近紅外分析方法來鑒別不同動(dòng)物來源肉。Javier利用PLS和PCR分析建模方法對(duì)特定蟹肉品種的真?zhèn)魏蛽郊龠M(jìn)行了研究。OrtizSo~ovilla等利用近紅外光譜通過分析豬肉香腸的品質(zhì)，尋找香腸的NIRS最優(yōu)分析指標(biāo)。Ding用近紅外技術(shù)研究牛肉漢堡包摻假問題。

5、近紅外光譜技術(shù)在肉品檢測(cè)中的應(yīng)用

31五、專題思考中藥在中國有著悠久的歷史，近年來，各種影響中藥產(chǎn)業(yè)的因素交織在一起，諸如GMP認(rèn)證、國際化規(guī)范、藥品降價(jià)、招標(biāo)采購、同質(zhì)化競爭等，均影響著中藥產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。目前我國中藥產(chǎn)業(yè)的發(fā)展呈現(xiàn)出以下趨勢(shì)。影響中藥發(fā)展的主要因素就是中藥是一個(gè)很復(fù)雜的混合物，我們對(duì)于中藥所含的成分不是很清楚，醫(yī)生在用藥是完全是憑著經(jīng)驗(yàn)。我們想如果是利用近紅外光譜技術(shù)來檢測(cè)出中藥所含的確定成分，中藥產(chǎn)業(yè)將會(huì)得到大大的發(fā)展。但是目前的紅外光譜技術(shù)還沒完全成熟，而且紅外指紋圖譜有限，近紅外光譜在中藥質(zhì)量控制中具有很大的發(fā)展空間。五、專題思考中藥在中國有著悠久的歷史，近年32六、參考文獻(xiàn)：1、張正兢等?！端幬锓治觥罚瘜W(xué)工業(yè)出版社，2007年7月2、徐溢主編?！端幬锓治觥坊瘜W(xué)工業(yè)出版社2009年4月3、周慶成張香芹車鑫?！陡咝Ыt外光譜分析技術(shù)在藥物分析中的應(yīng)用》中國新技術(shù)產(chǎn)品：2009，NO.34、周嵩煜?！督t外光譜技術(shù)在藥物分析中的應(yīng)用》，中國藥業(yè)：2010年第19卷第l8期5、石德芝。《近紅外光譜分析技術(shù)的應(yīng)用綜述》，科技信息：2009年第33期6、寶貴榮等?！都t外光譜法快速鑒別維生素B1》，陰山學(xué)刊：2008年3月，第22卷第3期六、參考文獻(xiàn)：1、張正兢等?！端幬锓治觥罚瘜W(xué)工業(yè)出版社，33紅外光譜分析法資料課件34紅外光譜分析法紅外光譜分析法35二、紅外光譜儀三、紅外光譜技術(shù)的應(yīng)用一、概述四、國內(nèi)外各領(lǐng)域的應(yīng)用現(xiàn)狀五、專題思考六、參考文獻(xiàn)二、紅外光譜儀三、紅外光譜技術(shù)的應(yīng)用一、概述四、國內(nèi)外各領(lǐng)域36一、概述

分子的振動(dòng)能量比轉(zhuǎn)動(dòng)能量大，當(dāng)發(fā)生振動(dòng)能級(jí)躍遷時(shí)，不可避免地伴隨有轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)的躍遷，所以無法測(cè)量純粹的振動(dòng)光譜，而只能得到分子的振動(dòng)-轉(zhuǎn)動(dòng)光譜，這種光譜稱為紅外吸收光譜。紅外吸收光譜也是一種分子吸收光譜光譜一、概述分子的振動(dòng)能量比轉(zhuǎn)動(dòng)能量大，當(dāng)發(fā)生振371、紅外光區(qū)的劃分：

紅外光譜在可見光區(qū)和微波光區(qū)之間，波長范圍約為0.75~1000μm，根據(jù)儀器技術(shù)和應(yīng)用不同，習(xí)慣上又將紅外光區(qū)分為三個(gè)區(qū)：

近紅外光區(qū)（0.75~2.5μm）

中紅外光區(qū)（2.5~25μm）

遠(yuǎn)紅外光區(qū)（25~1000μm）1、紅外光區(qū)的劃分：

紅外光譜在可見光區(qū)和微波382、工作原理：

紅外光譜法又稱“紅外分光光度分析法”，是分子吸收光譜的一種，他是利用物質(zhì)對(duì)紅外光區(qū)的電磁輻射的選擇性吸收來進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析及定性和定量分析的一種方法。被測(cè)物質(zhì)的分子在紅外線照射下，只吸收與其分子振動(dòng)、轉(zhuǎn)動(dòng)頻率相一致的紅外光譜。對(duì)紅外光譜進(jìn)行剖析，可對(duì)物質(zhì)進(jìn)行定性分析。化合物分子中存在著許多原子團(tuán)，各原子團(tuán)被激發(fā)后，都會(huì)產(chǎn)生特征振動(dòng)，其振動(dòng)頻率也必然反映在紅外吸收光譜上。2、工作原理：紅外光譜法又稱“紅外分光光度分析法393、近紅外光譜：近紅外光譜（near—infraredspectroscopy，NIRS)介于可見光譜區(qū)與中紅外譜區(qū)之間，譜區(qū)范圍為12820—3959cm(780～2526nm)主要是由于分子振動(dòng)的非諧振性使分子振動(dòng)從基態(tài)向高能級(jí)躍遷時(shí)產(chǎn)生的。該譜區(qū)主要是C—H，N—H，O—H等含氫基團(tuán)的倍頻及合頻吸收，特點(diǎn)是譜帶較寬、重疊嚴(yán)重，難以用傳統(tǒng)的方法解析圖譜，但該譜區(qū)包含的信息量極其豐富，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的提高，多變量統(tǒng)計(jì)分析技術(shù)的開發(fā)以及儀器制造技術(shù)的發(fā)展，解決了該譜區(qū)解析的困難。3、近紅外光譜：近紅外光譜（near—inf404、近紅外光譜的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：分析速度快分析效率高分析成本低易于制樣和便于測(cè)量測(cè)試重現(xiàn)性好可實(shí)現(xiàn)在線分析非化學(xué)性質(zhì)的測(cè)量缺點(diǎn)：測(cè)試靈敏度相對(duì)較低是一種間接的分析技術(shù)，分析結(jié)果的準(zhǔn)確性與模型建立的質(zhì)量和模型的合理使用有很大的關(guān)系。4、近紅外光譜的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：缺點(diǎn)：41二、紅外光譜儀目前主要有兩類紅外光譜儀：色散型紅外光譜儀和Fourier（傅立葉）變換紅外光譜儀。1、色散型紅外光譜儀：色散型紅外光譜儀的組成部件與紫外-可見分光光度計(jì)相似，但對(duì)沒一個(gè)部件的結(jié)構(gòu)、所用的材料及性能與紫外--可見分光光度計(jì)不同。它們的排列順序也略有不同，紅外光譜儀的樣品是放在光源和單色器之間；而紫外--可見分光光度計(jì)是放在單色器之后。二、紅外光譜儀目前主要有兩類紅外光譜儀：色42色散型紅外光譜儀原理示意圖：色散型紅外光譜儀原理示意圖：432、Fourier變換紅外光譜儀（FTIR）Fourier變換紅外光譜儀沒有色散元件，主要由光源（硅碳棒、高壓汞燈）、Michelson干涉儀、檢測(cè)器、計(jì)算機(jī)和記錄儀組成。核心部分為Michelson干涉儀，它將光源來的信號(hào)以干涉圖的形式送往計(jì)算機(jī)進(jìn)行Fourier變換的數(shù)學(xué)處理，最后將干涉圖還原成光譜圖。它與色散型紅外光度計(jì)的主要區(qū)別在于干涉儀和電子計(jì)算機(jī)兩部分。2、Fourier變換紅外光譜儀（FTIR）44傅里葉變換紅外光譜儀工作原理圖：傅里葉變換紅外光譜儀工作原理圖：45

（1）掃描速度極快

（2）具有很高的分辨率

（3）靈敏度高

除此之外，還有光譜范圍寬（1000~10cm-1）；測(cè)量精度高，重復(fù)性可達(dá)0.1%；雜散光干擾??；樣品不受因紅外聚焦而產(chǎn)生的熱效應(yīng)的影響；特別適合于與氣相色譜聯(lián)機(jī)或研究化學(xué)反應(yīng)機(jī)理等。Fourier變換紅外光譜儀的特點(diǎn)：

（1）掃描速度極快

（2）具有很高的分辨率

（3）靈敏46

要獲得一張高質(zhì)量紅外光譜圖，除了儀器本身的因素外，還必須有合適的樣品制備方法。

紅外光譜法對(duì)試樣的要求：

（1）試樣應(yīng)該是單一組份的純物質(zhì)，純度應(yīng)>98%或符合商業(yè)規(guī)格，才便于與純物質(zhì)的標(biāo)準(zhǔn)光譜進(jìn)行對(duì)照。多組份試樣應(yīng)在測(cè)定前盡量預(yù)先用分餾、萃取、重結(jié)晶或色譜法進(jìn)行分離提純，否則各組份光譜相互重疊，難于判斷。

（2）試樣中不應(yīng)含有游離水。水本身有紅外吸收，會(huì)嚴(yán)重干擾樣品譜，而且會(huì)侵蝕吸收池的鹽窗。

（3）試樣的濃度和測(cè)試厚度應(yīng)選擇適當(dāng)，以使光譜圖中的大多數(shù)吸收峰的透射比處于10%~80%范圍內(nèi)。3、試樣的處理和制備：

要獲得一張高質(zhì)量紅外光譜圖，除了儀器本身的47制樣的方法：

1.氣體樣品

氣態(tài)樣品可在玻璃氣槽內(nèi)進(jìn)行測(cè)定，它的兩端粘有紅外透光的NaCl或KBr窗片。先將氣槽抽真空，再將試樣注入。

2.液體和溶液試樣

（1）液體池法

（2）液膜法

3.固體試樣

（1）壓片法

（3）薄膜法

（2）石蠟糊法

制樣的方法：

1.氣體樣品

氣態(tài)樣品可48

近紅外光譜技術(shù)是一種現(xiàn)代高新分析測(cè)試技術(shù)，主要包括近紅外光譜儀、化學(xué)計(jì)量學(xué)軟件和應(yīng)用模型3個(gè)部分，具有分析速度快、樣品處理簡單、無需試劑、無污染、多組分檢測(cè)等特點(diǎn)。近紅外光譜法在藥學(xué)領(lǐng)域中的應(yīng)用范圍相當(dāng)廣泛，它不僅適用于藥物的多種不同狀態(tài)如原料、片劑、膠囊以及液體等制劑的分析檢測(cè)，還可用于不同類型的藥品，如蛋白質(zhì)、中藥、抗生素等藥物的分析。

近紅外光譜分析技術(shù)在藥物分析中的應(yīng)用包括定性分析和定量分析。三、紅外光譜技術(shù)的應(yīng)用近紅外光譜技術(shù)是一種現(xiàn)代高新分析測(cè)試技術(shù)，主要包括近49

（一）定性分析：1、定性分析方法：1）相關(guān)系數(shù)法：是最廣泛使用的相似性判別方法，它是己知的平均光譜與樣品光譜特征值之間的夾角余弦。理論上，若兩個(gè)譜圖完全相同，則相關(guān)系數(shù)為1；但由于測(cè)量誤差和噪音的影響，相關(guān)系數(shù)總是接近于1。2）主成分分析法(PCA)：是通過主成分得分構(gòu)筑的主成分空間進(jìn)行樣品定性判斷。在多維空間中，某一類物質(zhì)的主成分得分會(huì)聚成一族。3）馬氏距離法(MD)：是通過多波長下的光譜距離定量描述出測(cè)量樣本離校正集樣本的位置，因而在光譜匹配異常點(diǎn)檢測(cè)和模型外推方面都很有用。

502、已知物的鑒定

將試樣的譜圖與標(biāo)準(zhǔn)的譜圖進(jìn)行對(duì)照，或者與文獻(xiàn)上的譜圖進(jìn)行對(duì)照。如果兩張譜圖各吸收峰的位置和形狀完全相同，峰的相對(duì)強(qiáng)度一樣，就可以認(rèn)為樣品是該種標(biāo)準(zhǔn)物。如果兩張譜圖不一樣，或峰位不一致，則說明兩者不為同一化合物，或樣品有雜質(zhì)。如用計(jì)算機(jī)譜圖檢索，則采用相似度來判別。使用文獻(xiàn)上的譜圖應(yīng)當(dāng)注意試樣的物態(tài)、結(jié)晶狀態(tài)、溶劑、測(cè)定條件以及所用儀器類型均應(yīng)與標(biāo)準(zhǔn)譜圖相同。2、已知物的鑒定

將試樣的譜圖與標(biāo)51

3、測(cè)定未知物的結(jié)構(gòu)

紅外光譜法定性分析的一個(gè)重要用途。如果未知物不是新化合物，可以通過兩種方式利用標(biāo)準(zhǔn)譜圖進(jìn)行查對(duì)：

（1）查閱標(biāo)準(zhǔn)譜圖的譜帶索引，與尋找試樣光譜吸收帶相同的標(biāo)準(zhǔn)譜圖；

2）進(jìn)行光譜解析，判斷試樣的可能結(jié)構(gòu)，然后在由化學(xué)分類索引查找標(biāo)準(zhǔn)譜圖對(duì)照核實(shí)。

在對(duì)光譜圖進(jìn)行解析之前，應(yīng)收集樣品的有關(guān)資料和數(shù)據(jù)。了解試樣的來源、以估計(jì)其可能是哪類化合物；測(cè)定試樣的物理常數(shù)，如熔點(diǎn)、沸點(diǎn)、溶解度、折光率等，作為定性分析的旁證

3、測(cè)定未知物的結(jié)構(gòu)

紅外52

（二）定量分析：1、定量分析方法：1）主成分回歸法(PCR)的原理與PCA相同，PCR在解釋光譜數(shù)據(jù)時(shí)起著重要作用，從主成分權(quán)重圖中能夠確定主成分與哪個(gè)組份有關(guān)。2）偏最小二乘法(PLS)：是一種全光譜分析方法，充分利用多個(gè)波長下的有用信息，不需刻意的選擇波長，并能濾去原始數(shù)據(jù)噪音，提高信噪比，解決交互影響的非線性問題，很合適在NIR中使用3）逐步回歸分析(SLR)法：是從對(duì)因變量有影響的許多變量中，選擇一些變量作為自變量建立“最優(yōu)”回歸方程，對(duì)因變量進(jìn)行預(yù)報(bào)和控制。（二）定量分析：53

2、紅外光譜定量分析是通過對(duì)特征吸收譜帶強(qiáng)度的測(cè)量來求出組份含量。其理論依據(jù)是朗伯-比耳定律?；驹恚海?）選擇吸收帶的原則

1）必須是被測(cè)物質(zhì)的特征吸收帶。例如分析酸、酯、醛、酮時(shí)，必須選擇>C=O基團(tuán)的振動(dòng)有關(guān)的特征吸收帶。2）所選擇的吸收帶的吸收強(qiáng)度應(yīng)與被測(cè)物質(zhì)的濃度有線性關(guān)系。3）所選擇的吸收帶應(yīng)有較大的吸收系數(shù)且周圍盡可能沒有其它吸收帶存在，以免干擾。2、紅外光譜定量分析是通過對(duì)特征吸收譜帶強(qiáng)度的測(cè)量來54（2）吸光度的測(cè)定

1）一點(diǎn)法該法不考慮背景吸收，直接從譜圖中分析波數(shù)處讀取譜圖縱坐標(biāo)的透過率，再由公式lg1/T=A計(jì)算吸光度。實(shí)際上這種背景可以忽略的情況較少，因此多用基線法。2）基線法通過譜帶兩翼透過率最大點(diǎn)作光譜吸收的切線，作為該譜線的基線，則分析波數(shù)處的垂線與基線的交點(diǎn)，與最高吸收峰頂點(diǎn)的距離為峰高，其吸光度A=lg（I0/I）。（2）吸光度的測(cè)定55實(shí)例：紅外光譜法快速鑒別維生素B1維生素Bl(VBl。Thiamine，別名鹽酸硫胺，化學(xué)結(jié)構(gòu)式如圖所示）是人們生活中所必需的營養(yǎng)素之一．具有調(diào)節(jié)和管制新陳代謝過程的生物活性物質(zhì)，與糖代謝有密切關(guān)系。當(dāng)人體缺乏維生素Bl時(shí)，正常的糖代謝受阻，影響機(jī)體能量供應(yīng)．使血、尿和神經(jīng)組織中丙酮酸含量升高，出現(xiàn)感覺神經(jīng)和運(yùn)動(dòng)神經(jīng)均受影響的多發(fā)性神經(jīng)炎，表現(xiàn)為感覺異常、神經(jīng)疼痛、四肢無力，以及肌肉酸痛、萎縮和得腳氣病。維生素Bl在體內(nèi)經(jīng)焦磷酸激酶作用生成的焦磷酸硫胺素(TPP)是多種酶的輔酶，在體內(nèi)糖代謝中發(fā)揮極其重要的作用。實(shí)例：紅外光譜法快速鑒別維生素B1維生素Bl56維生素B1的結(jié)構(gòu)式：維生素B1的結(jié)構(gòu)式：571、儀器設(shè)備和測(cè)試條件

采用NieoletNEXUS670傅里葉變換紅外光譜儀，硅碳棒光源，DTGS檢測(cè)器．4era—1分辨率，光譜范圍為4000---400cm—l

2、樣品制備

維生紊Bl的標(biāo)準(zhǔn)品(天津市光復(fù)精細(xì)化工研究所，純度98．5％)，維生素B，藥品分別是天津飛鷹制藥有限公司，成都錦華藥業(yè)有限責(zé)任公司，天津金世制藥有限公司生產(chǎn)。按I：IOO的比例將維生素B，和KBr放入研缽中磨成細(xì)粉，然后壓成透明薄片測(cè)定。

3、樣品測(cè)定

把壓好的透明薄片放入采集箱進(jìn)行信號(hào)采集，并送往計(jì)算機(jī)光譜數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)進(jìn)行分析和處理。1、儀器設(shè)備和測(cè)試條件

采用Nieolet583結(jié)果與討論

《中國藥典》采用紅外光譜法鑒別藥物的依據(jù)為：在規(guī)定的相同方法條件下，測(cè)得相同物質(zhì)的紅外光譜圖一致。故《中國藥典》規(guī)定，按照<藥品紅外光譜集)的方法測(cè)得標(biāo)準(zhǔn)品的紅外吸收?qǐng)D譜應(yīng)與藥物維生素BJ圖譜一致。

各產(chǎn)地維生素B1的吸收峰與標(biāo)準(zhǔn)品的吸收峰相似。但吸收峰強(qiáng)度各異。圖譜中很明顯看出，各產(chǎn)地的維生素B。在3500c：m-1處有強(qiáng)而寬的吸收峰而標(biāo)準(zhǔn)品的是沒有那么寬的吸收峰。原因是維生素B。片劑含有水分子，與其自由羥基進(jìn)行締合，形成氫鍵，使得羥基峰在3500—3200吸收變得強(qiáng)而寬。而標(biāo)準(zhǔn)品中沒有水分子結(jié)構(gòu)中的自由羥基，沒有締合。因此在3500左右有中等強(qiáng)度的羥基吸收峰。此外，各產(chǎn)地的維生素B1都與標(biāo)準(zhǔn)品有相同的特征官能團(tuán)而產(chǎn)生相似的特征吸收峰。3結(jié)果與討論

《中國藥典》采用紅外光譜法鑒59紅外光譜分析法資料課件60四、國內(nèi)外各領(lǐng)域的應(yīng)用現(xiàn)狀：1、近紅外光譜技術(shù)在飼草中的應(yīng)用現(xiàn)狀1976年Norris等首次利用NIRS技術(shù)對(duì)牧草的粗蛋白進(jìn)行了測(cè)定，隨后Alexandrov等和Berardo測(cè)定了苜蓿草的CP、總氮含量。Boever和Villamarin等分析了青貯飼草樣品的CP。GareiaCriado等用近紅外光譜分析法分析不同生長階段草地植物的CP含量。Hansen用NIRS法測(cè)定了枯萎苜蓿草的可溶性蛋白質(zhì)及氮含量。Thiex利用近紅外光譜分析測(cè)定干草、飼草、飼料玉米中的水分。Vazquez等利用近紅外光譜分析技術(shù)分析飼草樣品中灰分含量。四、國內(nèi)外各領(lǐng)域的應(yīng)用現(xiàn)狀：1、近紅外光譜技術(shù)在飼草中的應(yīng)用612、近紅外光譜技術(shù)在煙草中的應(yīng)用現(xiàn)狀

Lo于1995年公布了應(yīng)用近紅外光譜分析技術(shù)和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)煙草混合物進(jìn)行快速分類和配方分析的最新研究成果Yamazaki和Kimyo等用已知煙絲、膨脹梗絲和膨脹煙絲混合比例的配方建立的模型進(jìn)行配方分析。HanaM等對(duì)產(chǎn)自16個(gè)國家的1600多個(gè)樣品進(jìn)行了基于近紅外光譜的分類研究。2、近紅外光譜技術(shù)在煙草中的應(yīng)用現(xiàn)狀

Lo于19623、近紅外光譜技術(shù)在制藥過程中的應(yīng)用

Sekulie等對(duì)含10％苯甲酸鈉、39％微晶纖維素、5O％乳糖和1％滑石粉的樣品混合過程進(jìn)行了監(jiān)測(cè)。Zheng等采用近紅外在線分析技術(shù)對(duì)疫苗的冷凍干燥過程進(jìn)行控制。White等選用帶光纖探針的近紅外光譜儀通過對(duì)終產(chǎn)物水分的檢測(cè)來實(shí)現(xiàn)微波干燥過程終點(diǎn)的監(jiān)測(cè)。Hans等將近紅外反射光譜法用于流化床干燥制粒，監(jiān)測(cè)噴霧