衰减全反射红外光谱技术(ATR-FTIR)在琥珀检测与研究中的应用

红外光谱分析是矿物材料研究中常用的一种表征手段,而衰减全反射红外光谱(ATR-FTIR) 由于其快速、无损且能够进行微区检测等优势在而被广泛使用。以不同产地琥珀、柯巴树脂和覆膜处理琥珀为研究对象,通过BRUKER LUMOS独立式红外显微镜对样品的ATR-FTIR光谱进行测试与分析。结果表明：ν(CC)伸缩振动在1 643 cm-1和δ(芳C—H)弯曲振动在889 cm-1两处的红外吸收谱带均出现在多米尼加和俄罗斯琥珀中;由ν(C—O)伸缩振动在1 300～925 cm-1范围内的红外吸收谱带对于琥珀的产地具有一定的指示意义;ν_as(CH₂)不对称伸缩振动在3 080,1 643和887 cm-1三处的红外吸收谱带为柯巴树脂所特有,具有重要的鉴定意义;覆膜琥珀显示琥珀和人工树脂混合红外光谱,除琥珀特有的红外光谱之外,760和702 cm-1红外吸收谱带为人工树脂中γ(芳C—H)面外弯曲振动所致。ATR-FTIR在琥珀的成因、产地及优化处理品种的检测具有重要的意义。     

厚朴酚近红外光谱的2D-COS解析及其在藿香正气口服液模型中应用

以氘代氯仿为溶剂,以中药化学标准品厚朴酚为载体,采用二维相关光谱(Tow-dimensional correlation spectroscopy, 2D-COS)技术,采集近红外光谱(near infrared spectroscopy, NIR),由氘代氯仿纯溶剂与厚朴酚原始光谱的二维相关同步谱可知,厚朴酚在1 365～1 455, 1 600～1 720, 2 000～2 181和2 275～2 465 nm处有特征吸收,其中1 440 nm为酚基O—H伸缩振动基频的一级倍频谱带,1 679 nm为芳基C—H及与芳基相连的甲基C—H伸缩振动一级倍频谱带,2 117, 2 304, 2 339和2 370 nm为芳基C—H伸缩振动、弯曲振动和变形振动的组合频,2 445 nm为芳基相连的甲基C—H弯曲振动基频二级倍频谱带,这些波段为厚朴酚的特征归属。以藿香正气口服液复杂体系为载体,以厚朴酚光谱解析的特征波段与间隔偏最小二乘(interval partial least squares, iPLS)和组合间隔偏最小二乘(synergy interval partial least squares, SiPLS)筛选的特征波段分别建立偏最小二乘(partial least squares, PLS)定量模型,模型的决定系数R2_cal 和R2_pre均大于0.99,校正均方根误差(root mean of square error of calibration, RMSEC),交叉验证均方根误差(root mean of square error of cross validation, RMSECV)和预测均方根误差(root mean of square error of prediction, RMSEP)均较小。结果表明,2D-COS技术解析厚朴酚所得波段建立的定量模型与iPLS和SiPLS波段筛选的模型均相对稳定,这使定量模型的波段选择更具有解释性。该研究为中药化学成分NIR光谱解析特征波段的归属提供方法参考,同时为NIR建模波段筛选提供借鉴和指导。     

293～563 K下甲醇结构的研究

利用金刚石压腔和拉曼光谱,研究了甲醇从室温到563 K下的结构特征。结果表明：随着温度的升高,体系压力也在不断增大;ν_CH区伸缩振动和ν_OH区伸缩振动同时受到温度和压力的影响,但两种作用相反。由于压力效应大于温度效应,随温度压力的增大,ν_CH区伸缩振动的拉曼位移向高频方向移动,说明C—H键键能在增大;而O—H伸缩振动峰的相对面积随温度压力的增大而增大,说明对C—H键而言,O—H键总强度是增加的,由此推测在地质条件下,压力可能阻碍或延长了干酪根的降解生烃过程。     

高温高压下NaCl-CaCl2-H2O体系Raman光谱的定量研究

三元体系NaCl-CaCl₂-H₂O是一种重要的天然水-盐体系。然而,研究人员在过去只研究了低温下该体系的相变,但在高温高压条件下拉曼位移和物理参数之间的定量关系却并没有被报道。利用利用热液金刚石压腔(HDAC)和石英压标,对高温高压下三元体系NaCl-CaCl₂-H₂O的拉曼光谱特征进行了系统的研究,并获得了水的O—H伸缩振动谱带的拉曼位移、溶质质量分数和压力之间的定量关系。其中盐的质量分数相等(NaCl与CaCl₂),分别为4.0 mass％,8.0 mass％和12.0 mass％。实验结果表明,当盐的质量分数和体系的压力保持不变时,O—H伸缩振动的标准拉曼位移差(Δν_(O—H))伴随着温度的升高而增大。当温度和压力恒定时,Δν_(O—H)随盐的质量分数的增加而增大。对于这个三元体系,其Δν_(O—H)与压力近似为线性关系,且不同盐度条件下的关系斜率相近。Δν_(O—H)与温度(T)、压力(P)、溶质质量分数(M)之间的定量关系为P＝-31.892Δν_(O—H)+10.131T+222.816M-3 183.567,其中该方程的有效PTM范围为200 MPa≤P≤1 700 MPa, 273 K≤T≤539 K 以及M≤12 mass%。该公式可以用来作为地质压力计,用于研究等盐度条件下在NaCl-CaCl₂-H₂O体系流体包裹体。该方法作为一种直观的地质探测技术,具有潜在的应用价值。     

高温高压下文石和方解石的拉曼光谱研究

利用金刚石压腔结合拉曼光谱分析技术,研究了文石在18～388 ℃,71～2 014 MPa,以及方解石在19～351 ℃,96～1 823 MPa条件下的拉曼光谱特征,并得到文石和方解石的拉曼位移与温度、 压力三者之间的关系式。研究结果表明,文石和方解石的拉曼位移随温度压力的变化规律相似,都随压力升高向高频移动,除文石的704 cm-1外均随温度升高向低频移动。二者的晶格振动ν_i/T值均大于[CO₃]基团内振动的值,说明CaO₆八面体的热膨胀性大于[CO₃]基团的热膨胀性。二者的对称伸缩振动ν/T及ν/P值不同,由于该振动拉曼位移和C—O键的键长有关,方解石的C—O键的热膨胀性比文石小而可压缩性比文石大。另外升温升压过程中文石和方解石可以相互转化,伴随该过程发生的[CO₃]基团旋转变形等动力学因素也可以造成二者ν_i/T和ν_i/P值差异。     

绿松石的激光拉曼光谱研究

对湖北、安徽地区绿松石进行了激光拉曼光谱测试分析。结果表明,绿松石中H₂O,OH-及PO3-₄的基团振动是导致其激光拉曼光谱形成的主要原因。3 510～3 440 cm-1的谱峰是由ν(OH)伸缩振动所致,其中ν(OH)振动导致的强拉曼特征谱峰在3 470 cm-1附近,ν(H₂O)伸缩振动致拉曼谱峰位于3 290～3 070 cm-1附近的较为宽缓的弱谱峰处;由ν₃(PO₄)伸缩振动致强拉曼特征谱峰在1 200～1 030 cm-1之间,其中ν₃(PO₄)振动导致的强拉曼特征谱峰在1 039 cm-1附近,ν₄(PO₄)弯曲振动位于650～540 cm-1范围,ν₂(PO₄)的弯曲振动谱峰位于500～410 cm-1处;不同产地、不同结晶类型的绿松石表现出的拉曼谱峰特征基本一致。     

利用真空FTIR比较研究油酸薄膜和油酸包覆粉煤灰分别与臭氧的非均相化学反应动力学

气溶胶老化是目前大气颗粒物物理化学领域的研究热点之一。通过真空型傅里叶红外光谱仪原位观测并对比了油酸(OA)薄膜和油酸包覆粉煤灰两种样品分别与臭氧发生的化学反应动力学,并评估了其中粉煤灰在非均相化学反应中所起到的作用。除了指纹区特征峰的不同,在反应前纯油酸薄膜和纯油酸包覆粉煤灰样品的主要红外特征吸收峰是相似的。当两种样品分别处于20 ppm 臭氧浓度、室温和干燥的反应环境中,=CH的特征吸收峰(3 050 cm-1)强度降低而—OH伸缩振动特征峰(3 430 cm-1)强度增加。此外,随着臭氧氧化反应的进行,处于1 710cm-1的羧酸C=O伸缩振动特征峰强度下降,反之,产物酯类物质的伸缩振动特征峰在1 740 cm-1出现并增强。通过红外光谱的变化趋势能够得到两组样品的OA成分在反应中逐步消耗并转化为含有羟基和酯类官能团的产物。通过位于1 740 cm-1处的C=O特征峰的变化能够得到准一级反应速率常数K_app和摄取系数γ。粉煤灰样品的准一级反应速率常数大体是油酸薄膜反应体系的两倍。对于比表面积,粉煤灰样品要大于油酸薄膜,而两种反应体系的臭氧浓度一致,油酸薄膜和油酸包覆粉煤灰的γ值分别为(2.70±0.11)×10-4和(3.70±0.13)×10-4。较大的催化表面积和较快的催化效率是导致粉煤灰样品较油酸薄膜反应快的原因。由此证明了当粉煤灰与不饱和有机酸结合并处在臭氧氧化环境中时会常易促进二次有机气溶胶的形成。     

航天育种甜椒、番茄品系种子的FTIR分析

采用傅里叶变换红外光谱法(FTIR),分析研究了航天育种甜椒、番茄品系种子与大田生产常用的甜椒品种、系统法选育的番茄品系种子的特征和变异。初步探索了空间效应对甜椒、番茄种子变异的影响。红外吸收光谱表明,四个航天种子产生的共同变异是: 1 160～1 061 cm-1范围峰的吸收都比对照品系增大,表明空间诱变效应使C—O振动增强。特殊变异是：(1)太空甜椒的2 854 cm-1峰(ν_s)增强,表明CH₂的碳氢对称伸缩振动增强;(2)太空小番茄的1 162 cm-1(ν_s)增强显著,可能由碳水化合物的C—O的伸缩振动峰增强引起。可以初步认为,太空甜椒、番茄种子的共同变异受太空微重力的因素影响较大,而其特殊变异则可能主要与太空强辐射的因素相关。     

高光谱技术结合CARS算法的库尔勒香梨可溶性固形物定量测定

由于高光谱数据量大、维数高,光谱噪声明显、散射严重等特征导致光谱建模时关键变量提取较为困难,同时,高光谱图像的获取会受非单色光、杂散光、温度等多种因素的影响,从而使高光谱数据与待测性质之间有一定非线性关系。为此,提出采用正自适应加权算法(CARS)对可见-近红外高光谱高维数据进行关键变量筛选,并与全光谱和经典变量提取方法SPA,MC-UVE,GA和GA-SPA方法进行比较。以200个库尔勒香梨为研究对象,采用SPXY方法将样本划分为校正集和预测集,校正集和预测集分别包含150个和50个样本。基于不同方法筛选的变量,分别建立线性PLS模型及非线性LS-SVM模型,r2,RMSEP和RPD用于模型性能的评估。综合比较发现,GA,GA-SPA和CARS变量筛选方法能够有效地筛选出原始高光谱数据中具有强信息且对外界影响因素不敏感的变量,适用于高光谱数据关键变量的提取,其中CARS变量筛选效果最佳,基于CARS获取的关键变量构建的非线性LS-SVM库尔勒香梨SSC含量预测模型获得了最优的预测结果,r2_pre,RMSEP和RPD分别为0.851 2,0.291 3和2.592 4。研究表明,CARS方法是一种有效的高光谱关键变量筛选方法,利用高光谱数据,非线性LS-SVM模型比线性PLS模型更适合于香梨品质的定量预测。     

磷酸锌水合物的光谱性质及热稳定性

用XRD,Raman,FTIR研究了三种磷酸锌水合物的常温光谱,分析了图谱特征随结晶水的变化;用TG-DTA研究了四水磷酸锌的热稳定性,并确定了磷酸锌水合物的生成温度。结果显示结晶水含量的不同引起了磷酸锌水合物的X衍射2θ特征值和特征峰的变化;FTIR图谱反映了在1 640 cm-1处和3 400～3 550 cm-1范围对应的H—O—H,O—H键的伸缩振动形式和强度的区别;Raman光谱反映P—O键振动模式在400～700 cm-1区间的差异同时揭示了O—H键振动峰宽的差异。四水磷酸锌在90 ℃时开始失水,145 ℃完全脱去两分子结晶水生成二水物,195 ℃时变为一水物,273 ℃时脱去剩余的结晶水成为无水磷酸锌。     

水性涂料施工过程中微观结构的FTIR研究

以市售立邦水性涂料作为研究对象,溶剂水作为变量因子。配制不同水料比的涂料系列样品,分别用FTIR/ATR、FTIR/漫反射光谱表征湿料、涂膜的微观结构特征,湿料抽滤得到的固型物用FTIR/漫反射光谱表征。分析其官能团变化情况,研究施工过程,溶剂对涂膜的影响。结果显示：随着加水量的增加,湿料的FTIR/ATR光谱中,1 727 cm-1对应的羰基吸收峰,逐渐转为肩峰,871 cm-1吸收峰发生蓝移,峰强度逐渐减弱;涂膜的漫反射红外图谱,3 400 cm-1的—OH吸收峰、3 030 cm-1不饱和—CH吸收峰强度逐渐变弱,2 962和2871 cm-1的甲基和亚甲基的吸收峰强度逐渐增强,2 516 cm-1吸收峰位移至2 603 cm-1形成肩峰,1 647 cm-1吸收峰逐渐位移至1 455 cm-1,1 107 cm-1对应的C—O伸缩振动吸收峰发生红移。在水性涂料施工过程中,溶剂水与涂料分子间存在相互作用,对涂层分子中电子云的密度分布有显著的影响,此结果对涂料的生产及施工有参考意义。     

Feature Selection and Interpretation in Infrared Quantitative Models of Liquiritin and Glycyrrhizin in Radix GlycyrrhizaeSCIEI北大核心CSCD

Feature selection can improve the interpretation of the modeling variables to a certain extent by selecting variables from the complex spectra backgrounds. However, the improvement of models interpretation does not mean that the modeling variables have the exact physical or chemical significance. In this paper, We explore the relation between the chemical characteristics of target components and the spectrum variables selected with 3 kinds of variables selection methods which are moving window partial least squares regression (mwPLS), synergy interval partial least squares regression (siPLS) and competitive adaptive reweighted sampling(CARS), and compare the interpretation difference of the variables selected with the above variables selection methods. The results show that the variables selected with mwPLS accord with nu(phi)C=C of liquiritin and delta(CH3) or delta(CH2) of glycyrrhizin, which are the obvious spectra differences between the flavonoids and saponins in Radix Glycyrrhizae, and the variables selected with siPLS are the characteristic intervals combinations of the flavonoids or saponins in Radix Glycyrrhizae, which is the combination of nu(phi) nu(o) o nu(o)(C-H) of flavonoids or the combination of nu c-o nu c H, O-H of saponins while the variables selected with CARS can better accord with most of the characteristic peaks from 1 000 to 4 000 cm(-1) of liquiritin or glycyrrhizin in Radix Glycyrrhizae, and the predict performance of the infrared quantitative model established on the spectroscopic variables selected with CARS can be improved. Therefore, most of the variables selected with CARS can be interpreted by the characteristic peaks in the infrared characteristic region of the target components, which is beneficial to improve the interpretation of the quantitative model.     

常温高压下碳酸根离子的拉曼谱峰标定压力初探

在准静水压的条件下,利用碳化硅压腔和显微拉曼光谱原位测量技术,在0～1.7 GPa压力范围测定22 ℃高压下三种不同的H₂O-Na₂CO₃体系(1.5,2.0,2.5 mol·L-1)中CO2-₃的对称伸缩振动ν_{1 066}拉曼谱峰的变化。结果表明,在室温条件下,碳酸根的ν_{1 066}峰的拉曼位移随着压力的增大而线性增加。三种浓度下ν_{1 066}峰的拉曼位移与压力的拟合直线彼此接近,斜率误差小于1%,偏差小于系统误差,因此在实验误差范围内碳酸根浓度对ν_{1 066}峰随压力变化的行为不存在影响。经过数据拟合得到公式：p/MPa=174.13 Δν_{1 066}/cm-1—59.03(Δν_{1 066}=ν_{1 066}-ν_{1 066}0,ν_{1 066}0为体系零压时碳酸根离子ν_{1 066}峰的拉曼位移)。此公式可以用于常温下在含有纯碳酸钠体系中的压力标定。     

陶寺、殷墟白灰面的红外光谱研究

采用傅里叶变换红外光谱(FTIR)对天然石灰石、模拟白灰面以及采自陶寺遗址和殷墟遗址的白灰面进行了分析检测,以探明陶寺和殷墟遗址白灰面所用原料。结果显示,人工烧制石灰碳化后所形成的方解石,其ν₂/ν₄比值高达6.31,明显高于天然石灰石中的方解石,从而表明人工烧制石灰碳化所形成的方解石较之天然石灰石中的方解石具有较高的晶体无序度;随着研磨程度的增加,天然石灰石中的方解石和人工烧制石灰碳化形成的方解石,其ν₂和ν₄值逐渐减小,人工烧制石灰碳化形成方解石的ν₂-ν₄特征趋势线斜率较高,从而为考古出土人工烧制石灰的判定提供了一种简便、有效的方法。根据此判别方法,陶寺和殷墟遗址的白灰面很可能是采用人工烧制石灰所制备的,表明中国古代先民在距今4300多年的新石器时代晚期已掌握了石灰烧制技术。     

常温和0.1～1 400 MPa条件下黄铜矿的拉曼光谱研究

实验利用金刚石压腔装置研究了常温和0.1～1 400 MPa范围内黄铜矿A₁振动模式的原位拉曼光谱特征。结果显示在实验条件范围内,该拉曼振动峰的强度和形态保持稳定,表明晶格内Cu-S和Fe-S间的相互作用没有发生质变。实验发现黄铜矿该拉曼振动的波数随着压力升高连续向高频方向移动,两者的线性关系为：ν₂₉₀＝0.031 2p+290.60(0.1≤p<58.8 MPa)和ν₂₉₀＝0.005 72p+292.10(58.8≤p<1 400 MPa)dν/dp。常温下58.8 MPa是黄铜矿该拉曼波数随压力变化率的一个突变点,低于和高于该压力时分别为31.2和5.72 cm-1·GPa-1,显著的差异表明黄铜矿的结构可能发生了某种改变。     

金色海水养殖珍珠异常的UV-Vis反射与FTIR光谱特征

采用紫外-可见(UV-Vis)反射光谱对天然与改色处理的金色海水养殖珍珠进行了谱图对比性研究,并进一步探究了上述天然与经改色处理金珠中外层的珍珠层及内核中文石型碳酸钙的ν₃,ν₁,ν₂和ν₄特征吸收峰位的频率改变特征。 结果表明：(1)基于金珠样品的UV-Vis反射谱图的测试,天然金珠样品由于表面微结构的差异,同一颗天然金珠的UV-Vis反射光谱存在一定的差异性。 同时,依据改色处理金珠的UV-Vis反射谱图的吸收峰的峰位及其谱图特征,首次将目前较常见的改色处理金珠归纳为四类。 (2)天然的或者经改色处理的金珠的外层珍珠层中的文石ν₂振动频率相对内核中文石的ν₂振动频率而言,前者出现明显的蓝移特征。 但两者中文石的ν₃, ν₁, ν₄振动频率则表现出一致性, 且与合成文石的相关谱带频率一致。 此外,天然与改色处理的金珠珍珠层中文石的红外特征吸收峰峰位一致,结果表明改色处理工艺对珍珠层中文石的晶体结构无直接影响。     

PGNAA-XRF联合检测水溶液中重金属的研究

重金属污染越来越受到人们的关注,迫切需要开发具有高精度的原位检测技术。瞬发伽玛中子活化分析（PGNAA）技术具有原位、无损、快速等优点而被广泛应用于重金属测量,但由于目前原位检测装置中使用的中子源通量相对较低,因此对一些重金属元素分析精度相对不高。为提高测量精度,直接利用PGNAA技术中的瞬发特征γ射线充当传统X荧光光谱分析的激发源,来激发重金属元素的特征X射线荧光（XRF）信息,提出了一种PGNAA-XRF联合检测水溶液中重金属元素的方法,并设计了一套由BGO和带铍窗的NaI组成的双探测器联合检测装置,分别用来探测PGNAA中瞬发特征γ射线和特征X荧光信息。通过MCNP分别模拟研究了Cr,Cd,Hg和Pb的浓度（ｃ_i）对瞬发特征γ射线强度（I_γ）和特征X荧光强度(I_X)的影响,模拟结果表明该装置中Cr,Cd,Hg和Pb元素的I_γ和I_X均与ｃ_i成良好的线性关系,并建立了联合检测方法的经验公式。比较重金属元素特征X射线荧光发现,该联合方法对Hg和Pb等高原子序数重金属的检测较灵敏,最后计算得到该装置对Hg和Pb等重金属元素的检测限分别为17.4和24.2 mg·kg-1。     

山东蒙阴金伯利岩中橄榄石的OH红外光谱研究

山东蒙阴金伯利岩中的橄榄石样品的OH红外光谱研究结果表明,在橄榄石的红外光谱图中,3 800～3 000 cm-1范围内共有60多个ν_OH吸收峰。其中3 800～3 710 cm-1范围内的ν_OH吸收峰主要是由空气中的水蒸气所引起的,并非橄榄石的本质或非本质ν_OH;3 710～3 620 cm-1范围内的ν_OH吸收峰主要归属于蛇纹石、滑石、含镁闪石三种含水蚀变矿物相,是橄榄石的非本质ν_OH。含水矿物相中的H主要是在金伯利岩浆后期侵位期间进入橄榄石的;3 620～3 425 cm-1范围内的ν_OH吸收峰源于H占据橄榄石结构中的Si空位后形成的硅镁石型缺陷,及(或)H占据橄榄石结构中的(Mg,Fe)等阳离子空位后形成的缺陷,因而是橄榄石的本质ν_OH。H主要是在地幔环境中,当橄榄石存在于高温的、富流体的金伯利岩浆中时进入橄榄石的;3 425～3 000 cm-1范围内的ν_OH吸收峰主要是由流体水分子所引起的,是橄榄石的非本质ν_OH。流体水可以在地幔环境中,也可以在金伯利岩浆后期侵位期间进入橄榄石。