近红外基础知识

振动能级水平
8
A
不同的振动形式
对称伸缩振动
9
A
非对称伸缩振动
摇摆振动
不同的振动形式
摇摆振动
10
A
弯曲振动
剪切振动
Molecular vibration modes
H
H
Asym-stretching
Sym-stretching
O
Bending
11
A
3756 cm-1 3657 cm-1 1595 cm-1
检测器
样品
Near-IR Reflectance (NIR) 漫射式
检测器
光源
单色器或干涉仪
样品
检测器
Near-IR Trans-Reflectance (NITR) 透漫射式
18
A
散射与穿透深度的变化
低散射
散射增强
高散射
透射深度 = 厘米
吸收 全反射
absorption
specula reflectance
透射
transmittance
漫(反)射
Diffuse
散射
scattering
reflectance
17
A
近红外的采样方法
光源
单色器或干涉仪
样品
检测器
Near-IR Transmittance (NIT) 透射式
光源
单色器或干涉仪
4
A
近红外光谱的信号特征
1、近红外光的产生：近红外光源一般用卤素灯 2、近红外光的检测：近红外光的检测材料是半导体材料，如
Si、PbS、 InAs、Ge、InGaAs等 3、光学材料：可以使用耐水和便于维护的材料，如：低OH
石英、石英和火石玻璃、CaF等。
5
A
中红外光谱的信号特征
1、中红外光的产生：中红外光源一般用硅碳棒 2、中红外光的检测：中红外光的检测材料是半导体材料，如
n
3290
3040
2n
1693
5907
3n
1154
8666
4n
882
11338
5n
724
13831
e x tin c tio n c o e ffic ie n t [c m 2 m o l-1]
25000 1620
48
1 ,7
0 ,1 5
13
A
近红外与中红外的区别
聚丙烯的近红外/中红外光谱
14
A
• 进入90年代，近红外分析技术逐步受到分析化学家的重视， 应用逐步扩展到石油化工、医药、生物化学、烟草、纺织品等 领域。
• 近红外现已发展成为一种独立的分析技术活跃在光谱分析领 域
• 发达国家已经将近红外做为质量控制、品质分析和在线分析 的主要手段，部分方法已经成为USP、EP、PASG、EMEA、 AOAC、AACC、ICC的标准。
理论背景
1
A
什么是近红外/中红外光？
近红外： 12,800 cm-1 (780 nm) 中红外：4,000 cm -1 (2,500 nm)
4,000 cm -1 (2,500 nm) 400 cm -1 (25,000 nm)
wk.baidu.com
108
107
Wavelength (cm-1)
-射线
X – 射线
106
Absorbance Units 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6
近红外与中红外光谱的差异
CHCl3 在MIR & NIR的吸收光谱
MIR & NIR (d = 25 µm) NIR (d = 1 mm)
combination band
3nCH)
2n(CH)
n(CH)
10000
12
A
8000
6000
4000
Wavenumber / cm-1
2000
O v e rto n e s o f th e n (C H ) v ib ra tio n o f C H C l3
b a n d p o s itio n [n m ]
b a n d p o s itio n [c m -1]
紫外
105
104
103
102
101
1
10-1
10-2
10-3
近红 外
可见
中红外 红外
远红外
电子自旋振动
核磁振 动
微波
Radio, TV 无线电波
Region
Interaction
原子核转变
内层电 子的跃
迁
外层电子的跃迁
分子振动
分子转动
电磁转动
Wavelength (m)
10-10
10-9
10-8
10-7
10-6
10-5
10-4
10-3
10-2
10-1
1
101
2
A
近红外的发现和应用发展里程
• 1800年近红外电磁波被发现，光谱的复杂性使其“沉睡”了一个 半世纪
• 20世纪70年代国外的农业分析学家综合计算机技术、光谱分 析技术、仪器技术和现代数学方法，首先把近红外分析技术 应用于农产品和食品的品质分析
MCT、DTGS等 3、光学材料：可以使用“怕水”的材料如：KBr、NaCl，耐水
材料CaF、ZnSe、Si等。
6
A
红外光谱振动的基本原理
hn
低能量
7
A
高能量
红外光振动模式的能级图
谐波振动Harmonic Oscillation 非谐波振动Anharmonic Oscillation
3rd Overtone 三級倍頻 2nd Overtone 二級倍頻 1st Overtone 一級倍頻 Fundamental 振動基頻
C-H, N-H, O-H, S-H, C=O, C=C
近红外的合频振动的吸收系数比中红外基频振动吸收弱 15个数量级.
Absorbance
Water Spectrum
5
4
3
2
MIR
NIR
1
0 9000
8000
7000
6000
5000
4000
3000
2000
Wavenumber cm-1
16
A
近紅外光与物质的相互作用
3
A
红外波长表示的度量单位
近红外区一般用波长（纳米 nm)或（波数cm-1）来表示
纳米与波数的换算关系：nm= 107/cm-1 或 cm-1 = 107/ nm 因为：1cm=107nm
1,250nm处，用波数表示： 107/ 1,250=8,000cm -1
中红外区一般用波长（微米 μm)或（波数cm -1 ）来表示 微米与波数的换算关系：nm= 104/cm -1 或 cm-1 = 104/ nm 因为：1cm=104 μ m 5μ m处，用波数表示： 104/ 5=2,000cm -1
1、近红外是基频振动的合频 与倍频振动信息。 中红外是基频振动的信息。
2、近红外的谱峰重叠严重， 难以肉眼识别分析。 中红外谱峰分别好。很容 易肉眼识别分析。
3、近红外吸收弱。 中红外吸收强。
4、近红外制样简单。 中红外制样麻烦。
不同化合物基团在近红外区的吸收谱带
15
A
近红外吸收光谱特征
物质在近红外谱区的吸收主要包括以下基团基频振动的合 频和倍频振动吸收