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光谱分子学专论(光谱范围):远中近红外光谱的深度解读与区分

承天示优官方账号 2024-03-21 承天新闻 179 views 0

前言:

近期,承天示优的团队正全力以赴,准备迎接即将到来的环境监测大比武活动。在这一背景下,每个部门的成员都积极投身于学习与交流,特别是围绕红外光谱技术的深入探索。作为环境监测领域的重要工具,DX4000中红外光谱仪的应用已经相当广泛,反映了中红外光谱在此领域内的核心地位。然而,科学探究的精神在于不断探索与完善,因此,除了深入了解中红外光谱外,我们也不能忽视远红外和近红外光谱的重要性与应用。今天,就让我们一起来探索这两种光谱技术的奥秘,拓宽我们的知识视野,确保在即将到来的比武中,我们能以更全面、更精准的科学知识,应对各种挑战。这不仅是对科学的严谨态度的体现,也是我们团队学习进步、不断创新的重要体现。

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一、远中近红外光谱的区分

远中近红外光谱的区分主要基于波长范围,这三个区域在电磁光谱中占据连续但不同的波长段。它们的具体区分依据如下:

近红外光谱(NIR):波长范围大约在750 nm到2500 nm(或2.5 μm)之间。这个区域紧接可见光波段,用于分析分子中氢与其他原子(如碳、氮和氧)间的振动过渡。近红外光谱技术常用于农业、食品工业、医药品分析等领域,因为它可以快速、无损地提供有关样品化学组成的信息。

中红外光谱(MIR):波长范围从约2500 nm(2.5 μm)到25000 nm(25 μm)或更宽。中红外区域更适用于检测分子的基本振动模式和它们的特定化学键,如O-H、C-H、N-H等。因此,中红外光谱在化学、石油化工、环境监测和制药研究中有广泛的应用。

远红外光谱(FIR):波长范围通常被定义为从25000 nm(25 μm)到1000000 nm(1000 μm)或更远。远红外区域主要用于研究分子中较低能量的振动模式和转动模式,以及固体材料的晶格振动。远红外光谱在物质的晶体结构分析、低频振动和转动模式研究中尤为重要。

每个区域因其波长范围的不同,使得它们在分子振动和转动分析中具有独特的应用。通过分析样品在这些不同波长下的吸收特性,可以得到有关其分子结构和化学组成的丰富信息。


Q:中红外的应用是否更为广泛?

中红外光谱(MIR)之所以比近红外(NIR)和远红外(FIR)光谱的应用更为广泛,并不主要是因为其波段范围更广,而是因为中红外区域能提供更多关于分子振动和化学键信息的特性。这里有几个关键原因解释了中红外光谱的广泛应用:中红外光谱区域(约2500 nm至25000 nm或2.5 μm至25 μm)能够直接探测分子中的基本振动模式,包括伸缩振动和弯曲振动。这些振动频率与分子中特定类型的化学键(如C-H、N-H、O-H等)直接相关,因此中红外光谱能提供关于分子结构和功能组的详细信息。中红外区域被称为化合物的“指纹区域”,因为几乎每种化合物都有一个独特的中红外吸收光谱,可以用于准确识别和定量分析化合物。这使得中红外光谱成为化学、药物、环境监测、食品科学等众多领域的强大工具。与近红外和远红外相比,中红外光谱提供了更高的光谱解析度和更明显的吸收峰,使得对复杂样品的分析和解释更加准确和简单。中红外光谱技术相对成熟,相关的分析仪器和技术支持广泛可用。这些仪器通常具有良好的灵敏度和选择性,使得它们能够应对各种复杂的分析需求。

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二、各红外光谱范围

既然如此,我们更应了解所谓各红外光谱的底层原理。那么光源的选择是否跟远中近红外有直接关系呢?

中红外光谱应用比近红外和远红外更广泛的原因并不主要是因为其波段范围更广,也不直接由光源的投射力度或光波的振动波动强度决定。实际上,每种红外区域的应用差异主要是由于它们与分子振动能级相互作用的方式不同。以下是对这一现象更详细的解释:

中红外区域(MIR,2.5-25 μm):这个波段对应分子内部振动转动模式的基本频率,使得中红外光谱能够提供关于分子结构和化学键的详细信息。大多数有机化合物和一些无机化合物在中红外区域有强烈的吸收特征,因此这一区域非常适合于化学成分分析、结构表征等应用。中红外光谱的信息含量丰富,能够提供分子水平上的详细指纹,这使得它在化学分析、环境监测、医药开发等领域得到了广泛应用。

近红外区域(NIR,0.75-2.5 μm):近红外光谱主要涉及分子振动的泛音和组合频率。虽然其提供的信息不如中红外区域那样详细,但近红外光谱具有渗透性强、样品准备简单、快速无损等优点,常用于农业、食品、纺织品等领域的在线或现场分析。

远红外区域(FIR,25-1000 μm):远红外光谱主要用于研究分子的低能量振动和固体材料的晶格振动。虽然在特定研究如固态物理、材料科学等领域非常有用,但其应用范围相对较窄,这是因为许多分子在远红外区域的吸收较弱,且需要特殊的光源和探测器。

中红外光谱之所以应用更广泛,主要是因为它能够提供关于分子结构和化学组成的丰富信息,适用于各种类型的样品分析。这并不是因为光源投射的力度或是光波的振动波动的强度,而是因为中红外波段恰好与分子内部振动的基频相匹配,能够直接探测到分子的“指纹”信息。


三、光源选择

在现实中,针对远、中、近红外光谱分析的光源选择确实有特定的讲究,不同光源的特性使它们在不同的红外区域表现各异。这些光源并不总是可以互换使用,主要由于它们的发光效率、波长范围和稳定性在不同的红外区域内有所差异。以下是一些基本的指导原则:

近红外区域(NIR):通常使用卤素灯、钨灯或LED作为光源。这些光源能够覆盖近红外区域的波长范围,提供足够的光强和较宽的波长覆盖,适合于大多数近红外光谱分析。

中红外区域(MIR):通常采用格洛巴尔灯(一种特制的白炽灯)或量子级联激光(QCL)作为光源。格洛巴尔灯提供连续的中红外光谱,适合宽波长范围的探测;而量子级联激光则可用于更精确的波长选择和高灵敏度测量。

远红外区域(FIR):通常使用特殊的黑体辐射源,如硅碳棒(SiC)加热器,或者特殊的远红外激光和太赫兹光源。这些光源能够提供远红外区域所需的特定波长光谱。

虽然某些光源可能在不同红外区域有一定的重叠使用,但为了获得最佳的光谱分析性能,通常会根据被分析的红外区域选择最合适的光源。选择光源时要考虑的因素包括所需的波长范围、光源的稳定性、发射光谱的连续性以及与光谱仪器的兼容性。因此,在具体应用中,通常不建议混用不同红外区域的光源,以确保获取高质量的光谱数据。


四、常见物质

我们知道了影响中远近红外的检测主要是靠物质划分的,那么我列举一些常见的红外检测的组分。各种物质和分子的特定振动和转动模式会产生特征吸收,这使得红外光谱成为了分析化学和物质鉴定的重要工具。下面列出的是各个红外区域常见的物质和分子类型,以及它们的一些特征吸收。


近红外区域(NIR,0.75-2.5 μm)

近红外区域主要探测分子振动的泛音和组合振动模式。常见的有:

水(H₂O):在近红外区有强烈的吸收,特别是与O-H键振动相关的吸收。

碳氢化合物(C-H):例如烷烃、脂肪和油类物质,它们的C-H键在近红外区域有特征吸收。

醇、酚和氨基酸:它们含有O-H和N-H键,这些键在近红外区域也有吸收。


中红外区域(MIR,2.5-25 μm)

中红外区域能够提供更多关于分子结构的信息,因为在这个区域,分子内部振动和转动模式的基频吸收较为丰富。常见的有:

CO₂(二氧化碳):有强烈的特征吸收峰,常用于环境监测。

N-H,O-H,C=O(氨基、羟基、酮和酸):这些官能团在中红外区域有明显的吸收峰,用于有机化合物和生物分子的分析。

指纹区:1400-600 cm⁻¹的范围被称为指纹区,几乎所有的有机化合物在这个区域都有独特的吸收特征,可用于物质鉴定。以承天示优DX4000,4055为例,那么所能测得的中红外光谱范围则在900-4200,这是一个比较正常的所能检测的红外光谱区间。


远红外区域(FIR,25-1000 μm)

远红外区域主要涉及分子的低频振动和固体材料的晶格振动。常见的有:

无机盐和矿物:例如硫酸盐、磷酸盐和碳酸盐,它们在远红外区域有特征晶格振动模式。

高分子和聚合物:远红外光谱可以揭示聚合物链间的相互作用和晶格结构信息。

固体材料的晶格振动:许多固体材料,如陶瓷和半导体,它们的晶格振动在远红外区域有明显的吸收。

不同红外区域的这种区别使得红外光谱能够广泛应用于化学分析、材料科学、环境监测、医药研究等多个领域。


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