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【光谱】带你认识分子光谱F4!

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2018-08-20 15:31
来源:实验与分析
实验与分析
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前面我们已经分享了包括紫外、红外、拉曼荧光等光谱,今天就说说分子光谱中最著名的四个分析方法,分子光谱F4!

作为光谱分析的一个重要分支,分子光谱是分析化学工作者常用的一种获得物质定量和定性信息的手段,因其测试简单且结构信息丰富,在生产加工和科研中发挥着举足轻重的作用。前面我们已经分享了包括紫外、红外、拉曼荧光等光谱,今天就说说分子光谱中最著名的四个分析方法,分子光谱F4!

F1. 紫外-可见光谱法(ultraviolet and visible spectroscopy,UV-vis)

F2. 中红外光谱法(infrared spectroscopy, IR)

F3. 近红外光谱法(near infrared spectroscopy, NIR)

F4. 拉曼光谱法(Ramanspectroscopy)

以上即是分子光谱四大帅小伙,下面就让我们来全面认识他们!

一.定义

F1. 紫外-可见是根据被测物质分子在紫外-可见光区(200-800nm)光的吸收或反射性质来进行定量和定性分析的一种方法。紫外-可见吸收光谱属于电子光谱。

F2. 中红外是以连续波长的红外光为光源照射样品引起分子振动能级之间跃迁而产生红外吸收光谱,根据化合物的红外吸收光谱进行定性、定量的结构分析的方法。

F3. 近红外是利用近红外谱区包含的物质信息,一般用于有机物定性、定量分析的一种分析技术。波数范围约为12000-4000cm-1,波长范围约为780-2600nm,是介于中红外区与可见光之间的电磁波。

F4. 拉曼是一种散射光谱,作为一种鉴定物质结构的分析测试手段被广泛应用。其与红外光谱在化合物结构鉴定上各有所长,可以相辅相成,提供更多的分子结构分析方面的信息。

二.光谱性质

F1. 紫外-可见产生于价电子和分子轨道上的电子在电子能级间的跃迁。其中,200-400nm为紫外光谱区,400-800nm为可见光谱区。适用于分子中具有不饱和结构的有机化合物的分析。

F2. 中红外一般情况下基频峰的位置规律性比较强且强度比较大,在红外光谱上较容易识别。因为红外线能引起分子振动能级的跃迁,而振动能级跃迁的同时又伴随许多转动能级的跃迁,故红外光谱也称为振-转光谱。由分子偶极矩的变化产生。C=O双键,C-O单键等强极性官能团的信息丰富。光谱范围4000-400cm-1,基频的吸收强度较强。

F3. 近红外反映的是分子化学键振动的倍频和组合频信息,由分子偶极矩的变化即非谐性产生,主要反映的是含氢官能团的信息,如 C-H、N-H、O-H等。光谱范围为12000-4000 cm-1,倍频和组合频的信号强度较弱。

F4. 拉曼反映的是分子键振动的基频信息,由分子极化率的变化产生,非极性或弱极性官能团的信息丰富,如C=C双键,C≡N三键等,光谱范围为4000-50cm-1,拉曼散射光的强度很弱。

三.仪器

F1. 紫外-可见商品仪器的类型很多,主要有扫描光栅型和固定光栅型两类。性能差别悬殊,仪器价格相对低廉,操作简便,易于普及,历史也较长久。

F2. 中红外以傅里叶变换型仪器为主,由于其具有分辨率高、扫描速度快、结构简单、体积小、重量轻等优点使得其应用日益广泛,对环境有一定的要求。另外还有光栅式红外光谱仪,但无法实现色谱-红外光谱联用。

F3. 近红外按单色器分类,市场上的NIR光谱仪可分为滤光片型、光栅色散型、傅里叶变换型(FT)、声光可调滤光器型(AOTF)型四类。除采用单色器分光外,也有仪器采用多个不同波长的发光二极管作为光源,即LED型NIR光谱仪。此类仪器耐用性好,信噪比高。由于谱带较宽,通常对仪器分辨率的要求不高。

F4. 拉曼根据分光系统和检测器的不同,拉曼光谱仪可分为滤光片型、传统扫描型、CCD 型(紫外可见拉曼光谱仪)和傅里叶变换型(近红外拉曼光谱仪)仪器,仪器的信噪比相对较差。其中研究级拉曼光谱仪主要是CCD型和傅里叶变换型两类。

四.实验技术

F1. 紫外-可见对于不同的样品类型,可采用透射、漫反射或ATR测量方式。因多用于液体样品测量,故透射测量方式采用较多。ATR方法的使用尚不广泛,但可能是未来的一种发展趋势。

F2. 中红外除部分样品类型可采用 ATR附件测量外,多数样品需要制样(如研磨、脱水和压片等),采用透射方式进行测量。可采用显微镜红外光谱测量微量的样品。

F3. 近红外对于不同的测量对象和样品类型,可采用不同类型的仪器和附件,可选用透射、漫反射或漫透射测量方式。通常不需要样品预处理。测试技术选择的原则是获得的光谱重复性要尽可能好、噪声尽可能低。

F4. 拉曼可测定液体、固体和气体等多种类型的样品,但要选择合适的制样技术和最佳的实验条件。有形式多样的测量技术可供选择,如共振拉曼、表面增强拉曼、共聚焦拉曼等。背散射测量方式,所需的样品量少(µL)通常采用背散射测量方式,可不接触样品。对于不均匀样品,也可采用透射等测量方式。

五.定性分析

F1. 紫外-可见在结构分析中紫外光谱的作用主要是提供有机物共轭体系大小及与共轭体系有关的骨架信息。光谱吸收带的数目不多,不少化合物结构相关悬殊,但只要具有相同的发色团和助色团,吸收光谱就会非常接近,因此,很难独立用于结构解析。

F2. 中红外以有机化合物为主,也可对无机物进行鉴定。红外标准谱库较为齐全,可采用库检索及差谱的方式识别化合物。采用现代模式识别方法可对复杂混合物(如中草药)或生物组织进行聚类或判别分析。

F3. 近红外以含氢基团的混合物(如油品、农产品和药品等)为主,几乎完全采用现代模式识别方法。包括有监督模式识别方法如SIMCA方法、人工神经网络(ANN)等和无监督模式识别方法如系统聚类等。

F4. 拉曼有机物和无机物的拉曼光谱特征都很显著。除样品的分子官能团结构信息外,从拉曼光谱中还可得到结晶度和分子对称性等物理信息。现代模式识别方法也越来越多地用于拉曼光谱,如细胞和癌症的识别等。

六.定量分析

F1. 紫外-可见依据是朗伯-比尔定律以及吸光度的加和性。对单组分进行定量分析时,可选用标准对照法、吸光系数法、标准曲线法等;对多组分混合物的测定,可采用解联立方程法、多波长作图法、导数光谱法等。

F2. 中红外对于一些简单的测量体系,通过特征吸收峰的峰高或峰面积便可建立定量校正曲线。对于复杂体系,需要采用多元校正方法建立校正模型。常用主成分回归法(PCR)、偏最小二乘法(PLS)等。

F3. 近红外由于特征谱带不显著,通常需要多元校正方法建立校正模型。主要有线性校正方法如主成分回归法(PCR)、偏最小二乘法(PLS)和非线性校正方法如支持向量回归方法(SVR)等。其中以PLS法应用最为广泛。

F4. 拉曼可进行微量甚至痕量分析。对于一些简单的测量体系,通过特征峰的强度或峰面积进行定量分析。对于复杂的样品,需要采用多元校正方法建立校正模型。

七.分析特点

F1. 紫外-可见紫外可见吸收光谱应用广泛,因其使用方便、样品用量少、准确程度高,既可做单组分分析又可做多组分分析,因此多用于定量分析,此外还可利用吸收峰的特性进行定性分析和简单的结构分析,对于常量、微量、多组分都可测定。对于那些在紫外或可见光区有高吸收系数的化合物,紫外光谱是最简便的微量定量方法之一。在化工制药、食品、环境监测等诸多领域都是必不可少的测试手段之一。

F2. 中红外普及率高,认可度大,谱图库齐全,指纹性较强。因此,该技术一直在物质结构鉴定、极性官能团的定性方面发挥着重要的作用。但是,中红外光谱仪器对环境的要求相对较高,以及有些样品需要抽样等原因,其应用的领域受到一定限制。因此,大多用于实验室研究,较少用于实际工业生产中。结合化学计量学方法和ATR测量方式,近些年中红外光谱在对复杂样品的快速定性和定量方面有了较大的进展。

F3. 近红外指纹性较差,灵敏度低,很难找到分子结构中独立的官能团的特征吸收峰,因此较少用于分子的结构鉴定。近红外光谱的分析需较大程度地依赖于校正模型,光谱特征并不明显。但由于近红外光谱仪器具有信噪比高、成本低、耐用性强、测试方式灵活简单多样、环境适应力强等诸多优点,近红外光谱常用于现场鉴别分析和快速鉴别分析等领域,尤其是在大型流程工业如石油化工、农业食品、制药等领域,近红外光谱的地位是其他三种技术不可比拟的。但是,该技术不适合于微量物质的分析测定。

F4. 拉曼与红外光谱互相补充,互为佐证,已成为物质结构分析的重要工具。其与红外光谱相比,显著优势是不怕水,可以对水溶液进行直接测量,样品处理较为简单。具有较强的指纹性的宽的波数测量范围,在很多领域应用非常广泛,尤其是在无机材料和生物样品测定方面具有非常大的优势。因指纹性显著,在很多应用领域无需借助化学计量学方法即可获得丰富的定性或定量信息。但拉曼散射的信号非常弱,且易受仪器变动和环境的影响,光谱的重复性较差,噪声较高,这对于复杂混合物的定量分析,是非常不利的。利用共振拉曼和表面增强拉曼射 (surface enhanced raman scattering , SERS)可以提高光谱的灵敏度和选择性。目前,已被广泛应用于材料化工、高分子、生物、环保、地质等领域。

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