《红外线光谱6.红外分峰技术其应用ppt课件》由会员分享，可在线阅读，更多相关《红外线光谱6.红外分峰技术其应用ppt课件（31页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、红外分峰技术及其应用红外分峰技术及其应用:与分峰有关的与分峰有关的 *- 红外光谱的谱带交叠是常见現象- 叠加谱带和隐蔽肩峰的分峰是必需的 : 定性: 有利于峰指认; 分子结构鉴定; 比对确认 定量: 有利于峰测量; 排除干拢, 提高精度- 谱带叠加的主要原因 : 样品不纯,或几种不同晶型(构型)共存,致使谱带相互交叠. 凝聚态样品的谱带半宽较大又相互靠近- 仪器分辨率 : 仪器分辨率不能改变谱带的半宽 . 提高仪器分辨率能使二个相邻的,半宽互不交叠的谱带显得更 明晰,但不能分离二个半宽交叠的谱带.:一一, 分峰处理的技术方法分峰处理的技术方法凡是数字化的光谱都可做分峰数据处理.A. 从付里叶
2、变换红外光谱仪测得的光谱,是真实光谱与仪器线型函数卷积的结果.对这一结果(光潽)的分峰处理可用 Self Deconvolution 法(自去卷积法,解卷积法,FSD法). FSD法分峰得到的峰位是真实可靠的,且谱带的定量信息仍被保留.这一技术是由加拿大国家委员会(NRCC)的一个机构在1981年首先发表,並由D.w.Vidrine首先配用在Nicolet公司的FTIR系统.B.谱带拟合(Band Fit)法,或称曲线拟合(Curve Fit)法适用于所有数字光谱(包括由光栅仪器釆集的数字光谱).这是一种可脱开(采集光谱的)仪器,独立运祘的纯数学处理的通用方法. 某些高端的光栅红外光谱仪还配有
3、根据这一原理编制的專用分峰程序( 例如:Perkin-Elmer公司983G型仪器ENHANCE程序) .:二二,付里叶变換自付里叶变換自-去卷积法去卷积法(FSD法法)原理原理 : 这是一种付里叶变換光潽的解卷积数学处理这是一种付里叶变換光潽的解卷积数学处理方法方法. 从付里叶变換红外光谱仪测得的光谱是真实从付里叶变換红外光谱仪测得的光谱是真实光谱与仪器线型函数卷积的结果光谱与仪器线型函数卷积的结果.由于这个卷积由于这个卷积使光谱的分辨率降低使光谱的分辨率降低(谱峰半高宽加大谱峰半高宽加大),造成谱造成谱峰交叠加剧峰交叠加剧. 欲使交叠的谱峰分离欲使交叠的谱峰分离,必需首先作必需首先作付里叶
4、反变換付里叶反变換,去除原来的变迹函数去除原来的变迹函数,变回干涉谱变回干涉谱.然后选用一个更合适的变迹函数与之卷积然后选用一个更合适的变迹函数与之卷积,再作再作付里叶変换付里叶変换,变回分离度提高的光谱图变回分离度提高的光谱图.:参数与操作步骤参数与操作步骤 FSD法在实施中有二个参数必须在执行前输入: (1)处理后的谱峰半高宽估值 (2)分辨增强因子K. K= K是处理前原谱带的半高宽值与处理后新谱带半高宽估值之比,此估值不能超过测量该谱的仪器分辨率值. 自-去卷积程序中有多种变迹函数可供使用. 指定光谱区域,送入参数和指定变迹函数后程序开始执行. 执行过程是计祘机自动寻优运祘,直到分辨率
5、,旁瓣满足要求,显示图谱並列出最终的上述二个参数值.A,B二谱是半高宽8cm-1的洛仑兹重叠谱带. FSD处理后K=5.3 峰半宽为1.5cm-1. 谱带分离度分别为6和2cm-1. 0N:与与FSD法相关的技术因素法相关的技术因素(1).原始谱带的质量原始谱带的质量 S/N: 必需具备较高的信噪比必需具备较高的信噪比.故应适当增加采集次数故应适当增加采集次数以以 消除噪声引起的毛刺拢动.必要时也可使用低级别的平滑功能消除毛刺.分辨率分辨率:建议使用建议使用2cm-1(或更优的或更优的)分辨率分辨率,以给分辨増强因子以给分辨増强因子(K)取值留有空间.空气干拢空气干拢: 原始谱带的波段如有水蒸
6、气等的干拢吸收原始谱带的波段如有水蒸气等的干拢吸收,应采取措应采取措施(干噪光路;N2吹扫;釆样小车自动交替釆集等)排除.(2).原始谱带的强度应埪制在吸收值原始谱带的强度应埪制在吸收值1.0以下以下.谱带二侧最好谱带二侧最好带有带有一段基线,以便观察噪声水平.(3). FSD法中不需指定隐蔽峰的波数位置法中不需指定隐蔽峰的波数位置.重卷积后的新谱重卷积后的新谱带位带位置是正确可靠的.: (4).在FSD法中分辨率提高受三个因素限制:(a).数字化计祘中的截断和切趾函数选用.(b).原始光谱的信噪比. (c).原始光谱釆集时的仪器分辨率. (5).解卷积总是在改善分辨和抑制噪声这二方面调和折中
7、解卷积总是在改善分辨和抑制噪声这二方面调和折中,循优渐循优渐进. 在解卷积中要求原始光谱有尽可能低的噪声, 因为在FSD处理中,若分辨提高二倍, 则噪声将会增加十倍 .(6).谱带定量信息将在解卷积中被保留谱带定量信息将在解卷积中被保留! 这是这是FSD法的重法的重要特点要特点.在分辨提高的解卷积光谱中,还将获得可用于定量计祘的信息.付里叶解卷积技术是一种从重叠的谱带中付里叶解卷积技术是一种从重叠的谱带中获取隐含的定性获取隐含的定性,定量信息的有效方法定量信息的有效方法 !:当前当前FTIR仪器的解卷积处理都是自动寻优仪器的解卷积处理都是自动寻优並显示最终结果和参数並显示最终结果和参数,无法看
8、到中间过程无法看到中间过程.为了了解二个参数的作用为了了解二个参数的作用,现特将早期发表现特将早期发表的资料介绍如下的资料介绍如下D.W.Vidrine,FTIR spectral Lines Nicolet Corp.,4(1).3(1982) (a).原谱,要求SN, 1000:1以上.谱段二侧有一段基线. 谱峰強度A 3%T (太强的谱带不能处理. 二个参数二个参数:Width(平滑函数宽度): 缺省值4, 増大不限.Factor(分辨提高因子): 缺省徝1, 最大为3.用用width键将谱带強度増加到最強键将谱带強度増加到最強.再用再用Factor键去减小谱带宽度键去减小谱带宽度,並使
9、隐蔽的肩峰显现並使隐蔽的肩峰显现.交替使用这二个键交替使用这二个键,最终使肩峰凸现最终使肩峰凸现,强峰清强峰清晰晰,噪声适当噪声适当.:应用实例应用实例筆者曾参与有机所的降解塑料研究,对PP和PE的降解过程進行连续跟踪,並用分峰技术对降解产生的复合羰基谱带,用ENHANCE程序进行数据处理.:聚丙烯是聚烯烃高分子材料中最容易降解的材料聚丙烯是聚烯烃高分子材料中最容易降解的材料.下图是含有下图是含有光敏剂的聚丙烯光敏剂的聚丙烯RPP-18材料嚗露试验红外光谱跟踪测试结果材料嚗露试验红外光谱跟踪测试结果(地点地点:上海上海 ,时间时间: 2019年年8-9月月) .:左图是聚丙烯光敏降解产物羰基谱
10、段左图是聚丙烯光敏降解产物羰基谱段.原始材料原始材料(0天天)中並无降解中並无降解产物的羰基吸收峰产物的羰基吸收峰,图中只有酰胺类光敏剂的微弱吸收图中只有酰胺类光敏剂的微弱吸收(1675cm-10.5%).右图为降解主产物脂肪族羧酸右图为降解主产物脂肪族羧酸,以及酮以及酮,酯酯,内酯和过氧化羰内酯和过氧化羰基化合物的分峰谱基化合物的分峰谱.:四四.曲线拟合法分峰曲线拟合法分峰这个分峰方法与这个分峰方法与FTIR豪无关系豪无关系,它是一种纯数学处理方它是一种纯数学处理方法法原理原理:曲线拟合法的数学基礎是曲线拟合法的数学基礎是:任何谱峰旳曲线分布都是符合洛任何谱峰旳曲线分布都是符合洛伦伦兹兹(L
11、orentzian)或高斯或高斯(Gaussian)函数的正态分布函数的正态分布.任何叠合的谱带,都可以分解为若干个正态分布函数的曲线,这些曲线呈现的子峰之和,可拟合成原始叠合的谱带形状.洛伦兹函数和高斯函数都是正态分布函数.二者差异在于前者函数形态较肥胖,后者偏于细高.子峰函数可用这二种函数,或这二种函数之和来表征.:方法方法: 用洛伦兹函数与高斯函数的组合来表征各个子峰用洛伦兹函数与高斯函数的组合来表征各个子峰.将若干个子峰加合起来拟合成一个谱带,並将其与原谱带比较,计算出二者之间的方差和, 经过计算机对各子峰参数自动寻优,多次迭代计祘,使二者方差和之值趋向最小,二者谱线重合.叠合的原始谱
12、带有几个子峰这是必需确认的叠合的原始谱带有几个子峰这是必需确认的. 确认峰位的方法确认峰位的方法有二个有二个: (1) 导数光谱法导数光谱法 (2) FSD 法法正确的峰位(波数值)和子峰的个数是拟合结果正确的保障 !最小二乘算法是一种加权的比较算法,它将样品谱与参比谱的吸光度值逐点比较,差值较大的数据点,经平方后权重加大: MSQ = ni=1( Si Ri）:四个参数四个参数 :在正式啓动拟合计祘程序前在正式啓动拟合计祘程序前,必需先瑜入子峰的四个参数必需先瑜入子峰的四个参数的初始值的初始值. : 峰位峰位 (波数值波数值)h : 峰高峰高 (A值值)W : 峰半高宽峰半高宽(波数值波数值
13、)G : 高斯函数的百分数高斯函数的百分数0:曲线拟合应用实例曲线拟合应用实例 (一一)蛋白质蛋白质FTIR光谱的曲线拟合技木光谱的曲线拟合技木 (Nicolet应用报告 AN9587)样品样品 : 核糖核酸酶核糖核酸酶A溶液溶液(10% w/v),重氢交換重氢交換,62 C,30分钟后冷却到室温分钟后冷却到室温.H-D交換完全后的溶液样品交換完全后的溶液样品,放入二片放入二片BaF2窗片之间窗片之间(约约15微米厚度微米厚度).仪器仪器 : Nicolet Magna-IR ;32次次,4Cm-1分辨率分辨率;用样品穿梭附件交替采集样品用样品穿梭附件交替采集样品和本底光谱和本底光谱,每隔每隔
14、4次交換次交換,直至直至32次次; 用氮气吹净光路和样品艙用氮气吹净光路和样品艙.左图A是样品原始谱图的酰胺谱带段. B是重水谱. C是扣除重水后的样品谱.右图是C谙与它的二阶导数谱,共有6个峰: 1681,1672,1663,1652,1646和1632 Cm-1:曲线泤合曲线泤合 : 送入用二阶导数法找到的送入用二阶导数法找到的6个峰位个峰位;曲线形状曲线形状(用洛伦兹用洛伦兹,高斯高斯,或它们或它们的混合表示);峰高和宽度进行分峰拟合.程序自动优化,不断调整高度和宽度参数,使拟合结果最佳.左图显示左图显示1700 - 1620Cm-1段的段的6个分离峰个分离峰.它们的峰位它们的峰位,高度
15、高度,宽度宽度,面积的数面积的数据据及蛋白质二级结构构型的指定列于右表及蛋白质二级结构构型的指定列于右表.表中的曲线拟合结果与表中的曲线拟合结果与X射线衍射分析结果相一致射线衍射分析结果相一致(22%a-螺旋螺旋;46% - 折叠和折叠和 32% 其他其他).:曲线拟合应用实例曲线拟合应用实例 (二二)聚对苯二甲酸乙二酯聚对苯二甲酸乙二酯(PET)的结晶状态与其脂肪链的构象分析的结晶状态与其脂肪链的构象分析中科院化学所沈德言等人对PET的晶区和非晶区中的脂肪链构象(反式,左右式)谱带进行分峰,指认和定量测定. 光谱学与光谱分析,5(4),19(1985) 红外光谱是表征结晶高聚物的有效手段,但
16、通常只能识别PET的左右式和反式 构造,不能区别晶区和非晶区中的反式构象,而后者对了解PET的结晶过程极为重要 .脂肪链的左右式构象(G)只存在于PET的非晶态区中.高结晶度PET中主要是晶区的反式构象(Tc)以及G构象. 非晶区的反式构象(TA)很少 .Koenig等polym.phys.Ed.,14,1731(1976) 利用结晶度不同的PET样品做差谱处理,得到了晶区和非晶区的光谱. 沈德言等对十八个结晶状态不同的PET样品的1020cm-1 谱带(该谱带形状对结晶度最敏感),进行谱带分离的曲线拟合处理, 结果如下:对对PET 样品样品 1020 cm-1谱带分峰处理的结果谱带分峰处理的
17、结果晶区反式构象(Tc): 1024非晶区反式构象(TA): 1021.5非晶区左右式构象(G): 1018 左图为PET薄膜在240C退火三小时后的 1020 cm-1谙带分峰的结果. 实线是原谱带,点线是拟合谱带,虛线是三种构象分离的谱带,据此可测量这三种构象的舍量 .:曲线拟合应用实例曲线拟合应用实例 (三三)农科院蜜蜂所吴黎明等用付里叶红外光谱的去卷积,二阶导数和曲线拟合技木,对蜂王浆蛋白质的二级结构进行研究光谱学与光谙分析.2021.29(1);82 结果证明:隨着贮存时间増加和温度升高,蜂王浆蛋白质二级结构的a-螺旋显著 减少,B-折叠显著增加, B-转角也有增加.这说明蜂王浆的整
18、个分子构象从有序向无序转化,出現了蛋白质的聚合沉淀. 在攝氐28度的条件下,测试数据证明B-折叠 结构的含量增加很快,说明在较高温度下,B-折叠结构以很强旳氢键相互作用使蛋白出现了不可逆聚合的变化.文章的实验数据得出的最后结论是 :红外光谱的去卷积红外光谱的去卷积, 二阶导数和曲线拟合技术是评价蜂王浆二阶导数和曲线拟合技术是评价蜂王浆品质和新鮮度的有效方法品质和新鮮度的有效方法 .:样品样品 : 2019年年11月茶花期蜂王浆月茶花期蜂王浆. 釆集后分成小份釆集后分成小份,立即保存在立即保存在 -18 , 4 , 16 和 28摄氐度下. 且分别在釆集后第1 , 7 , 17 , 28 , 3
19、8和 60天测 IR谱,每个温度测 5 个样品 . 样品的酰胺谱带见左图.右图为它们的二阶导数谱 . 仪器仪器 : P-E公司公司 Spectrum GX 型型. KBr圧片圧片(3mg 样品200mg KBr )混合,烘干后压片 . 4cm-1分辨率, 16次扫描 .:(a) 图为采集当天的鲜王浆红外谱图为采集当天的鲜王浆红外谱(上上:原谱原谱, 中中:去巻积谱去巻积谱,下下:二阶导数谱二阶导数谱 )(b) 图为图为 -18“C保存保存60天的红外谱天的红外谱.去巻积谱去巻积谱 : perkin - Elmer IR Data Manager,参数参数 : Gamma = 1.0 Lengt
20、h = 20%:这二个样品的分峰谱分别列于这二个样品的分峰谱分别列于a,b .曲线拟合使用曲线拟合使用 Origin 7.0 中的中的Peak fit 插件插件 .分峰谱中分峰谱中 1659, 1649 cm-1谱峰为谱峰为 a-螺旋结构螺旋结构. 1691,1679和和1671 cm-1谱峰谱峰为为B-转角结构转角结构. 1639和和1627 cm-1是是B-折叠结构折叠结构. 1609 cm-1峰为氨基酸残基峰为氨基酸残基侧链引起旳吸收侧链引起旳吸收. 这三种二级结构的数据见下表所列这三种二级结构的数据见下表所列:下表列出各种条件下的三种二级结构的数据下表列出各种条件下的三种二级结构的数据
21、. 它们的均方根值它们的均方根值 (RMS) 均均小于小于0.005 .:结语结语分峰技术在红外光谱谱峰处理中有独特的效用分峰技术在红外光谱谱峰处理中有独特的效用.它能有效地它能有效地处理因样品谱峰本身半宽过大而出现的谱带重叠的难题处理因样品谱峰本身半宽过大而出现的谱带重叠的难题.特别特别是大分子是大分子,高分子化合物中高分子化合物中, 由于结晶度由于结晶度,构象的差异构象的差异;生物活生物活性性样品中二级结构的微小差异样品中二级结构的微小差异;以及聚烯烃材料或油品因加热以及聚烯烃材料或油品因加热,摩摩擦擦,长期使用等因素引起的分子降解研究中长期使用等因素引起的分子降解研究中,它都能发揮它都能发揮FTIR仪仪器增大分辨率不能达及的显著作用器增大分辨率不能达及的显著作用.欢迎各位指正欢迎各位指正 ,谢谢大家谢谢大家 !:
