帶你認識分子光譜F4

前面我們已經分享了包括紫外、紅外、拉曼熒光等光譜，今天就說說分子光譜中最著名的四個分析方法，分子光譜F4!

作為光譜分析的一個重要分支，分子光譜是分析化學工作者常用的一種獲得物質定量和定性信息的手段，因其測試簡單且結構信息豐富，在生產加工和科研中發揮著舉足輕重的作用。前面我們已經分享了包括紫外、紅外、拉曼熒光等光譜，今天就說說分子光譜中最著名的四個分析方法，分子光譜F4!

F1. 紫外-可見光譜法(ultraviolet and visible spectroscopy,UV-vis)

F2. 中紅外光譜法(infrared spectroscopy, IR)

F3. 近紅外光譜法(near infrared spectroscopy, NIR)

F4. 拉曼光譜法(Ramanspectroscopy)

以上即是分子光譜四大帥小伙，下面就讓我們來全面認識他們!

一.定義

F1. 紫外-可見是根據被測物質分子在紫外-可見光區(200-800nm)光的吸收或反射性質來進行定量和定性分析的一種方法。紫外-可見吸收光譜屬于電子光譜。

F2. 中紅外是以連續波長的紅外光為光源照射樣品引起分子振動能級之間躍遷而產生紅外吸收光譜，根據化合物的紅外吸收光譜進行定性、定量的結構分析的方法。

F3. 近紅外是利用近紅外譜區包含的物質信息，一般用于有機物定性、定量分析的一種分析技術。波數范圍約為12000-4000cm-1，波長范圍約為780-2600nm，是介于中紅外區與可見光之間的電磁波。

F4. 拉曼是一種散射光譜，作為一種鑒定物質結構的分析測試手段被廣泛應用。其與紅外光譜在化合物結構鑒定上各有所長，可以相輔相成，提供更多的分子結構分析方面的信息。

二.光譜性質

F1. 紫外-可見產生于價電子和分子軌道上的電子在電子能級間的躍遷。其中，200-400nm為紫外光譜區，400-800nm為可見光譜區。適用于分子中具有不飽和結構的有機化合物的分析。

F2. 中紅外一般情況下基頻峰的位置規律性比較強且強度比較大，在紅外光譜上較容易識別。因為紅外線能引起分子振動能級的躍遷，而振動能級躍遷的同時又伴隨許多轉動能級的躍遷，故紅外光譜也稱為振-轉光譜。由分子偶極矩的變化產生。C=O雙鍵，C-O單鍵等強極性官能團的信息豐富。光譜范圍4000-400cm-1，基頻的吸收強度較強。

F3. 近紅外反映的是分子化學鍵振動的倍頻和組合頻信息，由分子偶極矩的變化即非諧性產生，主要反映的是含氫官能團的信息，如 C-H、N-H、O-H等。光譜范圍為12000-4000 cm-1，倍頻和組合頻的信號強度較弱。

F4. 拉曼反映的是分子鍵振動的基頻信息，由分子極化率的變化產生，非極性或弱極性官能團的信息豐富，如C=C雙鍵，C≡N三鍵等，光譜范圍為4000-50cm-1，拉曼散射光的強度很弱。

三.儀器

F1. 紫外-可見商品儀器的類型很多，主要有掃描光柵型和固定光柵型兩類。性能差別懸殊，儀器價格相對低廉，操作簡便，易于普及，歷史也較長久。

F2. 中紅外以傅里葉變換型儀器為主，由于其具有分辨率高、掃描速度快、結構簡單、體積小、重量輕等優點使得其應用日益廣泛，對環境有一定的要求。另外還有光柵式紅外光譜儀，但無法實現色譜-紅外光譜聯用。

F3. 近紅外按單色器分類，市場上的NIR光譜儀可分為濾光片型、光柵色散型、傅里葉變換型(FT)、聲光可調濾光器型(AOTF)型四類。除采用單色器分光外，也有儀器采用多個不同波長的發光二極管作為光源，即LED型NIR光譜儀。此類儀器耐用性好，信噪比高。由于譜帶較寬，通常對儀器分辨率的要求不高。

F4. 拉曼根據分光系統和檢測器的不同，拉曼光譜儀可分為濾光片型、傳統掃描型、CCD 型(紫外可見拉曼光譜儀)和傅里葉變換型(近紅外拉曼光譜儀)儀器，儀器的信噪比相對較差。其中研究級拉曼光譜儀主要是CCD型和傅里葉變換型兩類。

四.實驗技術

F1. 紫外-可見對于不同的樣品類型，可采用透射、漫反射或ATR測量方式。因多用于液體樣品測量，故透射測量方式采用較多。ATR方法的使用尚不廣泛，但可能是未來的一種發展趨勢。

F2. 中紅外除部分樣品類型可采用 ATR附件測量外，多數樣品需要制樣(如研磨、脫水和壓片等)，采用透射方式進行測量。可采用顯微鏡紅外光譜測量微量的樣品。

F3. 近紅外對于不同的測量對象和樣品類型，可采用不同類型的儀器和附件，可選用透射、漫反射或漫透射測量方式。通常不需要樣品預處理。測試技術選擇的原則是獲得的光譜重復性要盡可能好、噪聲盡可能低。

F4. 拉曼可測定液體、固體和氣體等多種類型的樣品，但要選擇合適的制樣技術和最佳的實驗條件。有形式多樣的測量技術可供選擇，如共振拉曼、表面增強拉曼、共聚焦拉曼等。背散射測量方式，所需的樣品量少(μL)通常采用背散射測量方式，可不接觸樣品。對于不均勻樣品，也可采用透射等測量方式。

五.定性分析

F1. 紫外-可見在結構分析中紫外光譜的作用主要是提供有機物共軛體系大小及與共軛體系有關的骨架信息。光譜吸收帶的數目不多，不少化合物結構相關懸殊，但只要具有相同的發色團和助色團，吸收光譜就會非常接近，因此，很難獨立用于結構解析。

F2. 中紅外以有機化合物為主，也可對無機物進行鑒定。紅外標準譜庫較為齊全，可采用庫檢索及差譜的方式識別化合物。采用現代模式識別方法可對復雜混合物(如中草藥)或生物組織進行聚類或判別分析。

F3. 近紅外以含氫基團的混合物(如油品、農產品和藥品等)為主，幾乎完全采用現代模式識別方法。包括有監督模式識別方法如SIMCA方法、人工神經網絡(ANN)等和無監督模式識別方法如系統聚類等。

F4. 拉曼有機物和無機物的拉曼光譜特征都很顯著。除樣品的分子官能團結構信息外，從拉曼光譜中還可得到結晶度和分子對稱性等物理信息。現代模式識別方法也越來越多地用于拉曼光譜，如細胞和癌癥的識別等。

六.定量分析

F1. 紫外-可見依據是朗伯-比爾定律以及吸光度的加和性。對單組分進行定量分析時，可選用標準對照法、吸光系數法、標準曲線法等;對多組分混合物的測定，可采用解聯立方程法、多波長作圖法、導數光譜法等。

F2. 中紅外對于一些簡單的測量體系，通過特征吸收峰的峰高或峰面積便可建立定量校正曲線。對于復雜體系，需要采用多元校正方法建立校正模型。常用主成分回歸法(PCR)、偏最小二乘法(PLS)等。

F3. 近紅外由于特征譜帶不顯著，通常需要多元校正方法建立校正模型。主要有線性校正方法如主成分回歸法(PCR)、偏最小二乘法(PLS)和非線性校正方法如支持向量回歸方法(SVR)等。其中以PLS法應用最為廣泛。

F4. 拉曼可進行微量甚至痕量分析。對于一些簡單的測量體系，通過特征峰的強度或峰面積進行定量分析。對于復雜的樣品，需要采用多元校正方法建立校正模型。

七.分析特點

F1. 紫外-可見紫外可見吸收光譜應用廣泛，因其使用方便、樣品用量少、準確程度高，既可做單組分分析又可做多組分分析，因此多用于定量分析，此外還可利用吸收峰的特性進行定性分析和簡單的結構分析，對于常量、微量、多組分都可測定。對于那些在紫外或可見光區有高吸收系數的化合物，紫外光譜是最簡便的微量定量方法之一。在化工制藥、食品、環境監測等諸多領域都是必不可少的測試手段之一。

F2. 中紅外普及率高，認可度大，譜圖庫齊全，指紋性較強。因此，該技術一直在物質結構鑒定、極性官能團的定性方面發揮著重要的作用。但是，中紅外光譜儀器對環境的要求相對較高，以及有些樣品需要抽樣等原因，其應用的領域受到一定限制。因此，大多用于實驗室研究，較少用于實際工業生產中。結合化學計量學方法和ATR測量方式，近些年中紅外光譜在對復雜樣品的快速定性和定量方面有了較大的進展。

F3. 近紅外指紋性較差，靈敏度低，很難找到分子結構中獨立的官能團的特征吸收峰，因此較少用于分子的結構鑒定。近紅外光譜的分析需較大程度地依賴于校正模型，光譜特征并不明顯。但由于近紅外光譜儀器具有信噪比高、成本低、耐用性強、測試方式靈活簡單多樣、環境適應力強等諸多優點，近紅外光譜常用于現場鑒別分析和快速鑒別分析等領域，尤其是在大型流程工業如石油化工、農業食品、制藥等領域，近紅外光譜的地位是其他三種技術不可比擬的。但是，該技術不適合于微量物質的分析測定。

F4. 拉曼與紅外光譜互相補充，互為佐證，已成為物質結構分析的重要工具。其與紅外光譜相比，顯著優勢是不怕水，可以對水溶液進行直接測量，樣品處理較為簡單。具有較強的指紋性的寬的波數測量范圍，在很多領域應用非常廣泛，尤其是在無機材料和生物樣品測定方面具有非常大的優勢。因指紋性顯著，在很多應用領域無需借助化學計量學方法即可獲得豐富的定性或定量信息。但拉曼散射的信號非常弱，且易受儀器變動和環境的影響，光譜的重復性較差，噪聲較高，這對于復雜混合物的定量分析，是非常不利的。利用共振拉曼和表面增強拉曼射 (surface enhanced raman scattering , SERS)可以提高光譜的靈敏度和選擇性。目前，已被廣泛應用于材料化工、高分子、生物、環保、地質等領域。