CN1932480A - 一种利用红外光谱测定原麻胶质含量的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种利用红外光谱测定原麻胶质含量的方法。该方法是将红外光谱应用于胶质的定量分析，本发明是将原麻或精干麻磨成粉末状，再将其制作成样片。用红外线照射该样片，得到该样片的吸收光谱图，再对光谱图进行分析和对比，从而得到原麻样片中各胶质的相对含量。本发明的红外光谱测试方法通过用红外光对样片进行照射，能更好地反映纤维内部物质的结构，从而对其进行定量分析，本发明的测试方法使用简便、测试快速、数据准确。

Description

一种利用红外光谱测定原麻胶质含量的方法

技术领域

本发明涉及一种利用红外光谱测定原麻胶质含量的方法。

背景技术

原麻纤维主要由纤维素、半纤维素、木质素和果胶等组成，除了纤维素外，其他物质统称为胶质。由于纺织工业所需要的是其中的纤维素成分，非纤维素成分(胶质)是一些无定形的结壳物质，它们将纤维粘结在一起使纤维变得坚硬。要对原麻中的纤维素进行纺织加工，就必须在不损伤纤维的前提下促使高聚物状态的胶质降解，原麻脱胶是使韧皮原麻在化学作用后脱除胶质取得可纺纤维的关键工序。纤维脱胶程度直接影响后道所有工序的技术经济指标。

如目前原麻胶质含量的测定方法主要有“GB5889-86原麻化学成分定量分析方法”和“FZ/T30001-92原麻主要化学成分定量分析系统”。GB5889-86原麻化学分析成分定量分析方法是称取试样，依次进行果胶提取，半纤维素稀酸水解、纤维素浓酸水解，选用特效显色剂，分别显色半乳糖醛糖，还原糖和葡萄糖，应用分光光度法比色定量，依次换算为果胶，半纤维素和纤维素含量，再由浓酸不溶组分测定木质素含量。但存在测定数据的重现性和规律性差，而且存在着测试周期长与效率低的问题。

应用纺织标准FZ/T30001-92技术，寻找与选择高度灵敏和高度特异的显色剂是个难题，且外界的条件对此技术影响也甚大。

基于干涉调频分光的FT-IR傅立叶变换红外分光光度计可输出与样品材料中所含特征基团相关的红外光谱图，红外光谱图的坐标中纵坐标为透射率T或吸光度A，透射率为红外光透过样品的光强I与入射光强I₀的比值，T＝I、I₀；吸光度为百分吸收率的对数，A＝Lg(I/T)。横坐标为波数v(cm^-1)或波长λ(μm)，其中v＝104/λ。依据经典的朗-比尔(Beer-Lambert)定律：

                        A＝LgI₀/I＝kCb

式中，k为吸光度系数，C为物质的浓度，b为样品厚度。

发明内容

针对上述存在的问题，本发明的目的在于提供一种简单、快速、准确的测定原麻胶质含量的方法，其技术解决方案为：

一种利用红外光谱测定原麻胶质含量的方法，测试方法按以下步骤进行：

a.样片准备：即在室温条件下，将原麻原麻样品碾成粉体，粉体的粒径为3-5微米，再将粉体放置在干燥器中干燥30分钟，取出1-3mg粉体放入玛瑙研钵中，添加干燥溴化钾，粉体与溴化钾比例为1∶200，混合均匀并研磨，然后将研磨好的粉体置入压片机中，在高压下制成样片，样片的直径需与光谱仪中的样品池大小相配，样片的厚度为0.2毫米。

b.样片测试：将样片置入光谱仪的样品池中，用红外光进行照射，得到该样片的吸收光谱图。

c.光谱图处理：利用原麻中不同胶质所含特征基团各异的固有特性对样片的光谱图进行分析，首先用基线法确定样片光谱图中特征谱带的波长范围，然后采用面积积分法，求得相应特征谱带的面积，以此作为某一特征基团所对应的吸收峰的吸光度，其积分公式为：

由于采用了上述技术方案：本发明的红外光谱测试方法能通过用红外光对样片进行照射，能更好地反映纤维内部物质的结构，从而对其进行定量分析。本发明的测试方法使用简便、测试快速、数据准确。

附图说明

图1为本发明样片测试的红外光谱图

图2为样片各特征峰区域积分面积的示意图

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明作进一步详细描述：

见图1图2

一种利用红外光谱测定原麻胶质含量的方法，本发明的测试方法步骤如下：

a.样片准备：即在室温条件下，将原麻原麻样品碾成粉体，粉体的粒径为3-5微米，再将粉体放置在干燥器中干燥30分钟，取出1-3mg粉体放入玛瑙研钵中，添加干燥的溴化钾，粉体与溴化钾比例为1∶200，混合均匀并研磨，然后将研磨好的粉体置入压片机中，在高压下制成样片，样片的直径需与光谱仪中的样品池大小相配，样片的厚度为0.2毫米。

b.样片测试：将样片置入光谱仪的样品池中，用红外光进行照射，得到该样片的吸收光谱图。

c.光谱图处理：利用原麻中不同胶质所含特征基团各异的固有特性对样片的光谱图进行分析，首先用基线法确定样片光谱图中特征谱带的波长范围，然后采用面积积分法，求得相应特征谱带的面积，以此作为某一特征基团所对应的吸收峰的吸光度，其积分公式为：

式中，L是样品吸收池厚度，C为溶液浓度，a(v)是仪器的光谱狭缝接近于零时的吸收系数，

为真正的积分吸收率

因为，在工作时狭缝总有一定宽度，所以得到的是表现积分吸收率

S为吸收谱带的面积，

$S={\∫}_{v1}^{v2}\log (I_0/I)\mathrm{dv}$

可用求积仪或称重法得到S值，从而可求出表现积分吸收率 它比真正的积分吸收率小，但因测量的是整个吸收谱带的面积，所以其结果比峰高法精确得多。

光谱是电磁波辐射与某运动状态的物质相互作用进行能量交换的信息。当一束红外光照射物质时，被照射物质的分子将吸收一部分相应的光能，转变为分子的振动和转动能量，使分子固有的振动和转动能级跃迁到较高的能级，光谱上即出现吸收谱带。通常以波长(μm)或波数(cm^-1)为横坐标，吸收度A或百分透过率为纵坐标。将这种吸收情况以吸收曲线的形式记录下来，得到该物质的红外吸收光谱(infrared absorption spectra)，简称红外光谱(infrared spectra，IR)，

分子的总能量由平动、振动、转动和电子能量四部分组成。其中振动能级的能量差约为8.01×10^-21--1.6×10^-19J，与红外光的能量相对应。若以连续波长的红外光线照射样品，所得的吸收光谱即为红外吸收光谱。红外区一般可分为三个波段^{[10、11、12]}

    近红外区：0.75--2.5μm            13300--4000cm^-1，

    中红外区：2.5--15.4μm            4000--650cm^-1

    远红外区：15.4--1000μm           650--Icm^-1

其中，中红外区为分子的基本振动-转动区，该区的吸收主要是分子的振动能级和转动能级跃迁引起，故红外吸收光谱又称振动光谱。

当红外光照射样品分子时，只有入射红外光的能量同分子振动或转动的能级差相同时，此频率的红外光才能被吸收，即物质选择性地吸收红外光。各种物质都有各自特征的振动-转动能级图，而红外光谱实际上就是分子内部振动-转动的能级图。因此每一物质的红外吸收光谱具有高度的特征性或称“指纹性”，利用红外吸收光谱法鉴定化合物是相当可靠的。虽然红外吸收光谱是整个分子的特征吸收，分子中某种基团的吸收频率出现的确切位置与它在分子中所处的环境有关，即受到体系中其它部分的影响，但在不同的化合物中，同一种基团或化学键的红外吸收谱带的位置总是相对稳定地出现在某一范围，例如：CH₃-NH₂中NH₂基团具有一定的吸收频率，而很多含有NH₂化合物在此频率附近(3500-3100cm^-1)也出现吸收峰。不同的组成和结构对应不同的红外光谱，因此可利用红外光谱研究纤维分子的组成和结构。

在红外光谱中，4000--1300cm^-1称为官能团区，在该区每一红外吸收峰都和一定的官能团相对应：1300--650cm^-1称为指纹区，该区的红外吸收峰较复杂，灵敏度高，可以反应高聚物结构上的细微变化。一般，官能团区主要用于分析聚合物存在的官能团，指纹区用于分析结构。用红外光谱研究纤维结构时，首先观察谱图的官能团区和指纹区，然后根据谱带的位置，形状和特征谱带的变化情况分析纤维的结构。

傅立叶变换显微红外光谱仪属于透射光谱方法，在测量样品的透射光谱时，应尽可能保证红外光束全部通过样品，不能留有“间隙”，使光未经样品吸收而直接射至检测器。另外薄膜或压片的厚度要一致，颗粒要小而均匀，否则将引起严重的散射。

吸光度的分析方法有两种：基线法和积分强度法，基线法是在谱带的最大吸收位置处测量吸光度。基线法可以消除散射和反射的光能损失，以及其它组分的背景吸收，不仅可用于溶液，而且可用于固体样品，

积分强度法是测量整个吸收带对应的能量，如谱带的起止频率为v1和v2，则它的真正积分吸光度定义为

式中a(v)是仪器的光谱狭缝接近于零时的吸收系数，

为真正的积分吸收率

因为，在工作时狭缝总有一定宽度，所以得到的是表现积分吸收率

S为吸收谱带的面积，

$S={\∫}_{v1}^{v2}\log (I_0/I)\mathrm{dv}$

可用求积仪或称重法得到S值，从而可求出表现积分吸收率 它比真正的积分吸收率小，但因测量的是整个吸收谱带的面积，所以其结果比峰高法精确得多。

用各种胶质的特征峰的面积与纤维素的特征峰的面积相比，从而得出各种胶质在原麻纤维中的相对含量。原麻为纤维素纤维，其中各种胶质成分在前面已有介绍。纤维素的波谱在950cm^-1和2900cm^-1中是不变的所以如果把所有的组分都归为一个整体即：纤维素、木质素、半纤维素、胶质…然后就可能得到木质素和胶质相对纤维素的真正浓度。这样得到的数据和用湿法化学得到的数据一样。根据Rudolf Kossler研究的经验，这样的数据比其它方法要好得多，因为光谱数据可以直接地反映植物的组成，而化学的分析方法是无法反映出纤维的内在物质的。

峰1515cm^-1为木质素苯环基团吸收峰，此峰为苯环上C＝C的伸缩振动；峰1735cm^-1为果胶基团羧基(-COOH)吸收峰。用1515cm^-1和898cm^-1峰的面积比的值来作为木质素的相对含量，其中1515cm^-1峰的起、止峰为865cm^-1、921cm^-1。同样用1735cm^-1和2900cm^-1两峰面积的比值作为果胶物质的相对含量，它们的起、止峰分别为1714cm^-1、1768cm^-1和2776cm^-1、2992cm^-1。

利用Origin 6.0来处理数据，Origin 6.0中包含有积分的程序。积分是指对当前激活的数据曲线用梯形法则进行数值积分。Origin 6.0可对曲线进行数值积分，并自动弹出窗口给出面积积分计算结果。找出图谱中各胶质成份的特征峰，在各特征峰的起、止点范围内积分，

实施例

试样：样品001是正常成熟的苎麻，也就是指收割三季麻中的头麻。首先在室温条件下，将苎麻样品碾成粉体，苎麻粉体的粒径为3-5微米，再将苎麻粉体放置在干燥器中干燥30分钟，取出1-3mg苎麻粉体放入玛瑙研钵中，添加干燥溴化钾，苎麻粉体与溴化钾比例为1∶200，混合均匀并研磨，然后将研磨好的苎麻粉体置入压片机中，并压制成样片，样片的直径需与光谱仪中的样品池大小相配，样片的厚度为0.2毫米。测试仪器采用美国Nicolet公司的傅立叶变换红外及喇曼光谱仪(FT-IR-Raman)，将样片放入傅立叶变换红外及喇曼光谱仪中进行测试，得出样片的光谱测试图，见附图1。再利用基线法和积分强度法找出图谱中各胶质成份的特征峰，确定各特征峰的起、止点范围，见附图2。Origin6.0可对曲线进行数值积分，再利用积分公式：

得出各特征峰的面积。其中cL可作为常数，其值与样片的厚度成线性关系。本发明测试方法的分析结果见表1。

表1是本发明测试方法的分析结果。

表1

001	波数起点	波数止点	面积	比值
					峰898cm-1	863	914	0.940	0.00745
峰1515cm-1	1509	1523	0.007
					峰1735cm-1	1708	1774	0.6585	0.10594
峰2900cm-1	2767	2994	6.216

由红外光谱图得出的数据和由化学定量分析方法得出的数据很相似。在苎麻中，纤维素约占总纤维量的70％左右，木质素的含量占总纤维的0.6％，也就是说，木质素与纤维素的比值约为0.6％/70％即0.00857，这与表2中A1515cm^-1/A898cm^-1的值0.00745很接近。通常果胶的含量为6％-8％。这两个数据差别很大。表2中，果胶的相对含量为0.10594×100％即10.594％，换算成果胶相对纤维素的含量为10.594％×70％即为7.4158％，这在正常成熟的苎麻胶质含量范围内。

Claims (1)

1、一种利用红外光谱测定原麻胶质含量的方法，其特征在于：测试方法按以下步骤进行：

a.样片准备：即在室温条件下，将原麻样品碾成粉体，粉体的粒径为3-5微米，再将粉体放置在干燥器中干燥30分钟，取出1-3mg粉体放入玛瑙研钵中，添加干燥的溴化钾，粉体与溴化钾比例为1∶200，混合均匀并研磨，然后将研磨好的粉体置入压片机中，在高压下制成样片，样片的直径需与光谱仪中的样品池大小相配，样片的厚度为0.2毫米；

b.样片测试：将样片置入光谱仪的样品池中，用红外光进行照射，得到该样片的吸收光谱图；

c.光谱图处理：利用原麻中不同胶质所含特征基团各异的固有特性对样片的光谱图进行分析，首先用基线法确定样片光谱图中特征谱带的波长范围，然后采用面积积分法，求得相应特征谱带的面积，以此作为某一特征基团所对应的吸收峰的吸光度，其积分公式为：

$A_{\mathrm{abs}}=\mathrm{cL}{\∫}_{v1}^{v2}a\left(v\right)\mathrm{dv}=\mathrm{cL}/E$

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