Transcript 红外光谱分析法
红外光谱分析法 一、概述 二、红外光谱仪 三、红外光谱技术的应用 四、国内外各领域的应用现状 五、专题思考 六、参考文献 一、概述 分子的振动能量比转动能量大，当发生振动能 级跃迁时，不可避免地伴随有转动能级的跃迁，所 以无法测量纯粹的振动光谱，而只能得到 分子的振 动-转动光谱，这种光谱称为红外吸收光谱。 红外吸收光谱也是一种分子吸收光谱光谱 1、红外光区的划分： 红外光谱在可见光区和微波光区之间，波长范围约 为 0.75 ~ 1000µm，根据仪器技术和应用不同，习惯上 又将红外光区分为三个区： 近红外光区（0.75 ~ 2.5µm ） 中红外光区（2.5 ~ 25µm ） 远红外光区 （25 ~ 1000µm ） 2、工作原理： 红外光谱法又称“红外分光光度分析法”，是 分子吸收光谱的一种，他是利用物质对红外光区的 电磁辐射的选择性吸收来进行结构分析及定性和定 量分析的一种方法。被测物质的分子在红外线照射 下，只吸收与其分子振动、转动频率相一致的红外 光谱。对红外光谱进行剖析，可对物质进行定性分 析。化合物分子中存在着许多原子团，各原子团被 激发后，都会产生特征振动，其振动频率也必然反 映在红外吸收光谱上。 3、近红外光谱： 近红外光谱（near—infraredspectroscopy，NIRS)介 于可见光谱区与中红外谱区之间，谱区范围为12 820— 3 959 cm (780～2526 nm)主要是由于分子振动的非谐振 性使分子振动从基态向高能级跃迁时产生的。该谱区 主要是C—H，N—H，O—H等含氢基团的倍频及合频吸 收，特点是谱带较宽、重叠严重，难以用传统的方法 解析图谱，但该谱区包含的信息量极其丰富，随着计 算机技术的提高，多变量统计分析技术的开发以及仪 器制造技术的发展，解决了该谱区解析的困难。 4、近红外光谱的优点和缺点： 优点： • 分析速度快 • 分析效率高 • 分析成本低 • 易于制样和便于测量 • 测试重现性好 • 可实现在线分析 • 非化学性质的测量 缺点： • 测试灵敏度相对较低 • 是一种间接的分析技 术，分析结果的准确 性与模型建立的质量 和模型的合理使用有 很大的关系。 二、红外光谱仪 目前主要有两类红外光谱仪：色散型红外光谱 仪和Fourier（傅立叶）变换红外光谱仪。 1、色散型红外光谱仪： 色散型红外光谱仪的组成部件与紫外-可见分光 光度计相似，但对没一个部件的结构、所用的材料 及性能与 紫外- -可见分光光度计不同。它们的排列 顺序也略有不同，红外光谱仪的样品是放在光源和 单色器之间；而紫外- -可见分光光度计是放在单色 器之后。 色散型红外光谱仪原理示意图： 2、Fou rier变换红外光谱仪（FTIR） Fourier变换 红外光谱仪 没有色散元件，主要由 光源（硅碳棒、高压汞灯）、Michelson干涉仪、检 测器、计算机和记录仪组成。核心部分为Michelson 干涉仪，它将光源来的信号以干涉图的形式送往计 算机进行Fourier变换的数学处理，最后将干涉图还原 成光谱图。它与色散型红外光度计的主要区别在于 干涉仪和电子计算机两部分。 傅里叶变换红外光谱仪工作原理图： Fourier变换红外光谱仪的特点： （1）扫描速度极快 （2）具有很高的分辨率 （3）灵敏度高 除此之外，还有光谱范围宽（1000~10 cm-1 ）； 测量精度高，重复性可达0.1%；杂散光干扰小；样 品不受因红外聚焦而产生的热效应的影响；特别适 合于与气相色谱联机或研究化学反应机理等。 3、试样的处理和制备： 要获得一张高质量红外光谱图，除了仪器本身的因 素外，还必须有合适的样品制备方法。 红外光谱法对试样的要求： （1）试样应该是单一组份的纯物质，纯度应>98%或符 合商业规格，才便于与纯物质的标准光谱进行对照。多 组份试样应在测定前尽量预先用分馏、萃取、重结晶或 色谱法进行分离提纯，否则各组份光谱相互重叠，难于 判断。 （2）试样中不应含有游离水。水本身有红外吸收，会 严重干扰样品谱，而且会侵蚀吸收池的盐窗。 （3）试样的浓度和测试厚度应选择适当，以使光谱图 中的大多数吸收峰的透射比处于10%~80%范围内。 制样的方法： 1 .气体样品 气态样品可在玻璃气槽内进行测定，它的两端粘 有红外透光的NaCl或KBr窗片。先将气槽抽真空，再将 试样注入。 2 . 液体和溶液试样 （1）液体池法 （2）液膜法 3 . 固体试样 （1）压片法 （3）薄膜法 （2）石蜡糊法 三、红外光谱技术的应用 近红外光谱技术是一种现代高新分析测试技术 ，主要包括近红外光谱仪、化学计量学软件和应用 模型3个部分，具有分析速度快、样品处理简单、无 需试剂、无污染、多组分检测等特点。近红外光谱 法在药学领域中的应用范围相当广泛，它不仅适用 于药物的多种不同状态如原料、片剂、胶囊以及液 体等制剂的分析检测，还可用于不同类型的药品， 如蛋白质、中药、抗生素等药物的分析。 近红外光谱分析技术在药物分析中的应用包括 定性分析和定量分析。 （一）定性分析： 1 、定性分析方法 ： 1）相关系数法：是最广泛使用的相似性判别方法，它 是己知的平均光谱与样品光谱特征值之间的夹角余弦 。理论上，若两个谱图完全相同，则相关系数为1； 但由于测量误差和噪音的影响，相关系数总是接近于 1。 2） 主成分分析法(PCA)：是通过主成分得分构筑的主成 分空间进行样品定性判断。在多维空间中，某一类物 质的主成分得分会聚成一族。 3）马氏距离法(MD)：是通过多波长下的光谱距离定量 描述出测量样本离校正集样本的位置，因而在光谱匹 配异常点检测和模型外推方面都很有用。 2、已知物的鉴定 将试样的谱图与标准的谱图进行对照，或者 与文献上的谱图进行对照。如果两张谱图各吸收峰 的位置和形状完全相同，峰的相对强度一样，就可 以认为样品是该种标准物。如果两张谱图不一样， 或峰位不一致，则说明两者不为同一化合物，或样 品有杂质。如用计算机谱图检索，则采用相似度来 判别。使用文献上的谱图应当注意试样的物态、结 晶状态、溶剂、测定条件以及所用仪器类型均应与 标准谱图相同。 3、测定未知物的结构 红外光谱法定性分析的一个重要用途。如果 未知物不是新化合物，可以通过两种方式利用标准 谱图进行查对： （1）查阅标准谱图的谱带索引，与寻找试样光谱吸 收带相同的标准谱图； 2）进行光谱解析，判断试样的可能结构，然后在由 化学分类索引查找标准谱图对照核实。 在对光谱图进行解析之前，应收集样品的有关 资料和数据。了解试样的来源、以估计其可能是哪 类化合物；测定试样的物理常数，如熔点、沸点、 溶解度、折光率等，作为定性分析的旁证 （二）定量分析： 1、定量分析方法： 1）主成分回归法(PCR)的原理与PCA相同，PCR在解 释光谱数据时起着重要作用，从主成分权重图中 能够确定主成分与哪个组份有关。 2）偏最小二乘法(PLS)：是一种全光谱分析方法， 充分利用多个波长下的有用信息，不需刻意的选 择波长，并能滤去原始数据噪音，提高信噪比， 解决交互影响的非线性问题，很合适在NIR中使用 3）逐步回归分析(SLR)法：是从对因变量有影响的许 多变量中，选择一些变量作为自变量建立“最优”回 归方程，对因变量进行预报和控制。 2、红外光谱定量分析是通过对特征吸收谱带强度的 测量来求出组份含量。其理论依据是朗伯-比耳定律。 基本原理： （1）选择吸收带的原则 1）必须是被测物质的特征吸收带。例如分析酸、酯 、醛、酮时，必须选择>C=O基团的振动有关的特征 吸收带。 2）所选择的吸收带的吸收强度应与被测物质的浓度 有线性关系。 3）所选择的吸收带应有较大的吸收系数且周围尽可 能没有其它吸收带存在，以免干扰。 （2） 吸光度的测定 1）一点法 该法不考虑背景吸收，直接从谱图中分析波数 处读取谱图纵坐标的透过率，再由公式lg1/T=A计 算吸光度。 实际上这种背景可以忽略的情况较少，因此多用 基线法。 2）基线法 通过谱带两翼透过率最大点作光谱吸收的切线 ，作为该谱线的基线，则分析波数处的垂线与基 线的交点，与最高吸收峰顶点的距离为峰高，其 吸光度A=lg（I0/I）。 实例：红外光谱法快速鉴别维生素B1 维生素Bl(VBl。Thiamine，别名盐酸硫胺，化学结构 式如图所示）是人们生活中所必需的营养素之一．具有 调节和管制新陈代谢过程的生物活性物质，与糖代谢有 密切关系。当人体缺乏维生素Bl时，正常的糖代谢受阻 ，影响机体能量供应．使血、尿和神经组织中丙酮酸含 量升高，出现感觉神经和运动神经均受影响的多发性神 经炎，表现为感觉异常、神经疼痛、四肢无力，以及肌 肉酸痛、萎缩和得脚气病。维生素Bl在体内经焦磷酸激 酶作用生成的焦磷酸硫胺素(TPP)是多种酶的辅酶，在体 内糖代谢中发挥极其重要的作用。 维生素B1的结构式： 1、仪器设备和测试条件 采用Nieolet NEXUS670傅里叶变换红外光谱仪，硅 碳棒光源，DTGS检测器．4era—1分辨率，光谱范围为 4000---400cm—l 2、样品制备 维生紊Bl的标准品(天津市光复精细化工研究所， 纯度98．5％)，维生素B，药品分别是天津飞鹰制药有 限公司，成都锦华药业有限责任公司，天津金世制药 有限公司生产。按I：IOO的比例将维生素B，和KBr放 入研钵中磨成细粉，然后压成透明薄片测定。 3、 样品测定 把压好的透明薄片放入采集箱进行信号采集，并 送往计算机光谱数据处理系统进行分析和处理。 3 结果与讨论 《中国药典》采用红外光谱法鉴别药物的依据为： 在规定的相同方法条件下，测得相同物质的红外光谱图 一致。故《中国药典》规定，按照<药品红外光谱集)的 方法测得标准品的红外吸收图谱应与药物维生素BJ图谱 一致。 各产地维生素B1的吸收峰与标准品的吸收峰相似。 但吸收峰强度各异。图谱中很明显看出，各产地的维生 素B。在3 500 c：m-1处有强而宽的吸收峰而标准品的是 没有那么宽的吸收峰。原因是维生素B。片剂含有水分子 ，与其自由羟基进行缔合，形成氢键，使得羟基峰在3 500—3 200吸收变得强而宽。而标准品中没有水分子结 构中的自由羟基，没有缔合。因此在3 500左右有中等强 度的羟基吸收峰。此外，各产地的维生素B1都与标准品 有相同的特征官能团而产生相似的特征吸收峰。 四、国内外各领域的应用现状： 1、近红外光谱技术在饲草中的应用现状 1976年Norris等首次利用NIRS技术对牧草的粗 蛋白进行了测定，随后Alexandrov等和Berardo测定 了苜蓿草的CP、总氮含量。Boever和Villamarin等分 析了青贮饲草样品的CP。GareiaCriado等用近红外光 谱分析法分析不同生长阶段草地植物的CP含量。 Hansen用NIRS法测定了枯萎苜蓿草的可溶性蛋白质 及氮含量。Thiex利用近红外光谱分析测定干草、饲 草、饲料玉米中的水分。Vazquez等利用近红外光谱 分析技术分析饲草样品中灰分含量。 2、近红外光谱技术在烟草中的应用现状 Lo于1995年公布了应用近红外光谱分析技术和神经 网络对烟草混合物进行快速分类和配方分析的最新研 究成果Yamazaki和Kimyo等用已知烟丝、膨胀梗丝和膨 胀烟丝混合比例的配方建立的模型进行配方分析。 HanaM等对产自16个国家的1600多个样品进行了基于 近红外光谱的分类研究。 3、近红外光谱技术在制药过程中的应用 Sekulie等对含10％苯甲酸钠、39％微晶纤维素、 5O％乳糖和1％滑石粉的样品混合过程进行了监测。 Zheng等采用近红外在线分析技术对疫苗的冷冻干燥 过程进行控制。White等选用带光纤探针的近红外光 谱仪通过对终产物水分的检测来实现微波干燥过程终 点的监测。Hans等将近红外反射光谱法用于流化床干 燥制粒，监测喷雾干燥阶段并且测定干燥终点。 Moes等使用带光纤探头的NIR漫反射光谱仪使用PI S模 式对片剂包衣层进行检测。“ 等在湿法制粒过程中采 用近红外光谱技术定量测定甘氨酸的多晶型变化。 MeArdle等采集结晶过程不同阶段的近红外图谱在线 监测结晶过程。 4、近红外光谱技术在乳品分析中应用 Purnomoadi等用近红外光谱技术分析了饲料来源对 牛奶中脂肪和蛋白质含量的影响。Mcqueen 等分别采 用近红外光谱波长为为1740，1935，2108nm 的三个波 段和傅立叶变换中红外衰减全反射对奶酪样品的蛋白 质、脂肪和含水量进行检测，并比较了2种检测方法的 预测结果。Sorensen等用近红外透射方(850～1050nm) 和近红外反射方式(1110～2490nm)对奶酪进行无损检 测。Curda等对加工过的奶酪的干物质、脂肪、粗蛋白 、pH值和流变特性进行测试。0eallaghan．等用近红外 漫反射及近红外透射法等六种在线检测技术对牛奶凝 固进行监控。Nagarajan等在波长800～2500nm．用近 红外漫反射技术快速检测奶粉的湿度。 5、近红外光谱技术在肉品检测中的应用 Leroy等在1200～1300nm波段利用近红外光谱建 立挥发性盐基氮的预测模型，实现了新鲜度的评价 。Alomar等利用近红外技术及PLS分析建模方法高准 确性地鉴别不同品种的牛肉以及牛肉的不同部位的 肌肉。Cozzolino利用PCA及PLS的近红外分析方法来 鉴别不同动物来源肉。Javier利用PLS和PCR分析建模 方法对特定蟹肉品种的真伪和掺假进行了研究。 OrtizSo~ovilla等利用近红外光谱通过分析猪肉香肠的 品质，寻找香肠的NIRS最优分析指标。Ding用近红 外技术研究牛肉汉堡包掺假问题。 五、专题思考 中药在中国有着悠久的历史，近年来，各种影响中药 产业的因素交织在一起，诸如GMP认证、国际化规范、药 品降价、招标采购、同质化竞争等，均影响着中药产业的 发展。目前我国中药产业的发展呈现出以下趋势。 影响中药发展的主要因素就是中药是一个很复杂的 混合物，我们对于中药所含的成分不是很清楚，医生在用 药是完全是凭着经验。我们想如果是利用近红外光谱技术 来检测出中药所含的确定成分，中药产业将会得到大大的 发展。但是目前的红外光谱技术还没完全成熟，而且红外 指纹图谱有限，近红外光谱在中药质量控制中具有很大的 发展空间。 六、参考文献： 1、张正兢等。《药物分析》，化学工业出版社， 2007 年7月 2、徐溢主编。《药物分析》化学工业出版社 2009年4月 3、周庆成 张香芹 车鑫 。《高效近红外光谱分析技术在 药物分析中的应用》中国新技术产品：2009，NO.3 4、周嵩煜。《近红外光谱技术在药物分析中的应用》， 中国药业： 2010年第19卷第l8期 5、石德芝。《近红外光谱分析技术的应用综述》，科技 信息：2009年第33期 6、宝贵荣等。《红外光谱法快速鉴别维生素B1》，阴山 学刊：2008年3月，第22卷第3期