红外光谱发展简介
红外光的发现可以追溯到1800年英国天文学家威廉·赫歇尔(William Herschel),在分析领域,红外光谱习惯被分为近红外光谱、中红外光谱和远红外光谱三段谱区,物质对红外光的吸收是由分子振动-转动能级跃迁产生的,红外光谱是分子结构的指纹信息。红外光谱由红外光谱仪测定获得,最早的红外光谱仪设计在1913年由英国科学家查尔斯·巴内特(Charles A. Barnett)提出,1952年由英国科学家H. E. Sponer最早制造了光栅型红外光谱仪。从1950年代开始,尤其是1970年代傅里叶变换型红外光谱仪(FTIR)开始商业化及计算机普及以后,红外光谱技术作为一种重要的分析技术得到了广泛的应用。红外光谱的分子结构特征丰富,几乎所有有机、无机成分均有红外吸收,气体、液体、固体均可直接测定,是全能型分析技术;尽管有了质谱、核磁等各种分析手段,但是红外光谱技术依然是一种主流的分析技术,是许多分析测试中的首选甚至是唯一的技术。
红外光谱应用概览
中红外光谱技术是有机和无机化合物的分子表征和定量分析的常规方法。近年来,随着微型仪器、显微红外仪器、遥测光谱仪器、真空红外仪器、增强红外和联用仪器(TGA-FTIR/GC-MS、EC-FTIR、AFM-FTIR等)等新仪器不断涌现,原位红外、基体隔离技术、在线分析、现场分析也取得了重要进展,丰富的测试附件使得红外测试变得简便快速,红外光谱技术越来越广泛应用于科研、生产、监管等方面,具体应用领域:
(1)工业生产过程分析与质量保证:生产过程分析,原料质量和产品质量一致性;
(2)材料分析与质量表征:新材料表征、杂质分析、相变过程、材料生产过程分析,产品质量一致性;
(3)环境监测:大气、水、土壤中污染物检测,气体成分检测、微塑料颗粒检测等;
(4)地质矿产鉴定:矿石鉴定、珠宝鉴定、地质勘探;
(5)医学与制药:疾病诊断、伤口愈合诊断、药物分析、医用材料鉴定;
(6)半导体与芯片:芯片材料纯度分析、材料缺陷或杂质、材料能带测定、芯片制造原附料质量保证;
(7)公共安全和物证鉴定:毒品、危化品鉴定、通关货物检查、物证分析鉴定、爆炸物分析、毒物分析;
(8)文物鉴定:材料(纸张、涂料、颜料、织物)鉴定、艺术品真伪和年代鉴定;
(9)石油:石油录井、炼油工艺、石油调合、油品成分;
(10)新能源:电池材料表征、能源转换过程表征;
近红外光谱技术也是有机和部分无机物的分子表征和定量分析方法,通常用于样品的快速、无损、无需样品制备的现场在线分析,主要是品质指标表征和主要成分测定,以及产品保真性溯源(品种、产地、部位、收获期等)。近年来,从手持仪器、袖珍仪器到微型仪器,不同类型的微型仪器不断涌现,以及机器学习、大数据与人工智能的发展,近红外光谱技术在产业中现场、在线分析应用成为热点,具体应用领域:
(1)农业投入品质量保证:种子、化肥、地膜、农药质量保证;
(2)农产品品质分析:品质现场检测与评价、果品自动分拣;
(3)粮油质量分析:营养成分(蛋白、脂肪、淀粉、纤维素、氨基酸、维生素、矿物质等)与功能性成分分析,面粉加工特性分析(面筋、沉降值等)、大米品质测定、玉米赖氨酸测定;
(4)饲料:生产过程分析与原料质量(水分、蛋白质、脂肪、纤维等)保证;
(5)食品(酒类、乳制品、肉制品)质量控制:液态奶品质、乳制品品质、肉品新鲜度、肉品品质、肉类掺假鉴定、酒类风味成分分析,发酵工艺控制、啤酒原料质量保证、麦汁原浓含量测定;
(6)工业:化工、制造过程分析与质量保;
(7)医学检验:药物成分含量与纯度、成品药均匀性、非侵入式体内药物浓度检测;
(8)制药过程分析:活性成分、混合过程、生产工艺、药物质量保证;
(9)材料:生产过程分析、工艺分析控制、产品质量分析与一致性保证;
(10)地质矿产与珠宝鉴定。
红外光谱技术已经从常规实验室走向现场实时在线分析,在提高产品质量、提升企业生产效率、发展新质生产力具有无限的潜力。
作者简介
闵顺耕 教授
毕业于清华大学,博士,中国农业大学理学院应用化学系教授、博士生导师。
现任中国仪器仪表学会分析仪器学会常务理事,中国仪器仪表学会分析农业应用仪器学会常务理事,北京市农产品质量与安全学会常务理事,《现代仪器》杂志副主编。
创刊介绍
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