红外光谱技术（三）几种红外技术的介绍及应用

原位红外光谱技术是一种能够在反应过程中对物质进行在线监测的分析方法。该技术利用红外光谱仪对样品进行光谱分析，可以对反应物的结构和化学键进行定性分析，掌握反应物的变化规律，从而研究化学反应的机理。原位红外技术在研究吸附态活性中间体的形成与转化、探讨反应机理方面有着其它技术无法比拟的优越性。

原位红外光谱技术主要应用于研究新型材料及其制备反应的反应机理、动力学参数、过程特征及结构变化，能够探测不同条件下新材料制备过程中产物分布、物质运移、化学键变化、产品结构转化及其演化规律。例如，在纳米材料的制备过程中，可以利用原位红外光谱技术通过观察反应过程中粒子大小及分布变化，从而调控纳米晶体的大小及其分布，控制纳米材料的光电性能、形貌及表面结构，实现材料和器件的优化，提高纳米材料制备的效率和效果。

催化反应研究催化反应研究是原位红外光谱技术的重要热点领域之一。在催化反应中，催化剂对反应体系的一个或多个反应物分子起到活化、激发、转化的作用。使用原位红外光谱技术，可以从催化剂表面反应物的变化中获得重要信息，从而更好的研究催化反应机制以及其他因素的影响。

气相反应研究原位红外光谱技术在气相反应研究中的应用广泛，可对氧化还原反应、脱氢反应以及氧化反应催化机制、反应过程中的产物形成机理以及中间体的反应特性等进行分析。

有机合成反应研究原位红外光谱技术在有机合成反应中的应用相当广泛，特别是在溶液中对于反应的原位监控研究，如发生官能团替换反应、加成反应、环化反应等反应类型。还可以对反应过程中中间体、自由基、离子和中间产物等进行定性分析和定量分析，获得反应物替换率和产物收率等信息。

在红外光谱法中最为常用的是漫反射红外光谱法，电化学红外光谱法和透射红外光谱法等。

漫反射红外光谱法是一种建立在涉及吸收和散射基础上的研究方法，可测量松散的粉末样品，不需要透射红外光谱的压片操作，在当下的催化剂研究中获得了广泛应用。

原位漫反射红外光谱的实验系统一般由漫反射附件、原位池、真空系统、气源、净化与压力装置，加热与温度控制装置、FTIR光谱仪组成。在红外光谱仪样品室加装一个漫反射装置，将装好样品的原位池置于其中，调整漫反射装置，使样品上的漫反射光与主机的光路匹配，以实现漫反射测量。原位池可在高温、高压，高真空状态下工作。

电化学原位红外光谱方法通过电化学工作站和红外光谱仪联用，实现电化学调制和光谱采集同步进行，其实验系统主要由电化学工作站、原位电解池和红外光谱仪组成。

采用傅里叶变换红外光谱仪测试样品的红外光谱时，使用的红外光源是连续波长的光源。当光源照射样品后，样品中的分子会吸收某些波长的红外光。没有被吸收的光到达检测器，检测器将检测到的光信号经过模数转换，再经过傅里叶变换，即可以得到样品的单光束光谱。铜表面原位红外光谱如下图所示。

透射红外光谱法是红外光在穿透整个样品后，再到达检测器，因而包含了样品表层与体相的全部信息。

绝大部分的固体、液体以及气体都可以采用透射的方式来测量。常用的有固体压片、液体涂膜、液体池和气体池等等。

近红外光谱（NIR）分析技术是分析化学领域迅猛发展的高新分析技术，在分析化学领域被誉为分析“巨人”，它的出现可以说带来了又一次分析技术的革命。

近红外光是介于可见光和中红外光之间的电磁波，按 ASTM（美国试验和材料检测协会）定义是指波长在780～2526nm范围内的电磁波，习惯上又将近红外区划分为近红外短波（780~1100nm）和近红外长波（1100~2526nm）两个区域。

近红外光主要是对含氢基团 X－H（X=C、N、O）振动的倍频和合频吸收，其中包含了大多数类型有机化合物的组成和分子结构的信息。

由于不同的有机物含有不同的基团，不同的基团有不同的能级，不同的基团和同一基团在不同物理化学环境中对近红外光的吸收波长都有明显差别，且吸收系数小，发热少，因此近红外光谱可作为获取信息的一种有效的载体。

近红外光照射时，频率相同的光线和基团将发生共振现象，光的能量通过分子偶极矩的变化传递给分子；而近红外光的频率和样品的振动频率不相同，该频率的红外光就不会被吸收。

因此，选用连续改变频率的近红外光照射某样品时，由于试样对不同频率近红外光的选择性吸收，通过试样后的近红外光线在某些波长范围内会变弱，透射出来的红外光线就携带有机物组分和结构的信息。通过检测器分析透射或反射光线的光密度，就可以确定该组分的含量。

简而言之，近红外光谱技术是通过研究近红外光对含氢基团 X-H（X=C、N、O）振动的倍频和合频吸收，从而分析有机物组分和结构的信息、确定组分含量的一项技术。

目前，利用近红外分析技术可以监测脑前叶中的血红蛋白、血糖、甘油三酯与尿素浓度等。另外，近红外分析技术还可以用在药物组分的检测与鉴别中，实现药品品质、生产厂家的快速鉴别。还可以应用在中医药领域，检测中药产品的灰分、有效成分含量。

近红外分析技术可以用来检测水果、蔬菜、粮食作物与土壤成分等，可以检测水果的糖分含量、药物残留、酸度与蔬菜作物的氧吸收量，粮食作物中的氨基酸、粗蛋白、淀粉、粗脂肪、水分与粗灰分的含量 ，花生油的合格率，农作物的霉变状况，特别是储存过程中玉米、稻谷的黄曲霉毒素 B1 的污染情况、花生中的霉菌污染状况以及洋葱茎腐病害情况等，还可以应用在土壤的成分检测中，监测土壤中总氮以及有机质的含量。

酿造食品包括酱油、醋、料酒等生活调味品，是制作美味佳肴的必备品。目前，酿造食品的制作与检测大都是通过化学分析方法实现的，检测过程繁琐，且会对食品产生破坏，而近红外分析技术可以在不破坏产品成分的前提下，快速精准的检测出酿造食品的组分，是酿造企业食品检测的好帮手。

可以在不破坏烟叶样品的前提下，实现对烟叶复烤线烟草常规六项的含量检测，从而帮助工作人员及时获知烟叶质量，在稳定烟草产品品质的同时也可以为卷烟企业烟叶配方提供数据基础。

汽油炼制中辛烷值、芳香烃含量、苯含量、乙醇、蒸馏值、挥发值、添加剂、粘度、闪点、相对密度等的测定；柴油、润滑油的组成及性质分析；高分子加工中单体纯度、残余单体量、聚合度、相对分子质量、交联度、密度等性质指标的测定。 

成像技术按照成像波段及原理的不同可分为：可见光成像技术、近红外成像技术（一般指通过近红外补光的成像技术）和热红外成像技术。其中热红外成像技术包括中红外成像技术（通常指 3μm～5μm 的红外成像技术）和远红外成像技术（简称远红外热成像技术）。

远红外热成像技术亦可理解为通过捕捉肉眼无法实现的绝对零度以上物体发出的红外热能并以人眼可以接受的方式编码成图像被人眼感知的成像技术，以达到拓展人眼的可视光谱波段，使人眼能感应更长的光谱范围。

工业技术和制造业技术的产业化、规模化发展为红外热成像技术在生产制造领域带来了新的应用环节。

红外热成像技术在材料测试领域的成像与检测为保障工业生产和制造业科学化合理化运营提供了有效的技术保障。其利用材料的热导流方向，通过红外热成像的温度差异成像，查看材料内部和表面热导流视频或者图像达到分析材料的是否有内部损伤或者外部缺陷。其应用视图效果如下图所示。

一是无损和无接触材料测试，适用于自动化产线的动态实时监测；二是检测塑料中的层结构和嵌件的稳合程度；三是汽车和航空航天工业的CFRP中检测；四是室内结构研究及其对蜂窝轻质结构的无损探测；五是识别更隐蔽的深层材料缺陷，如塑料部件中的或激光焊缝破裂等。

红外热成像同样在化学领域打造了全新的应用环节。在危险和非危险化学材料行业中，红外热成像可以检测化学过程产生的热流和温度；可以更容易地捕捉反应过程的视频和图像，且可高精度测量温度分布区域或温度变化曲线，为分析整个化学反应工艺链提供可靠依据。更重要的是红外热成像的非侵入性和非接触性保障了使用者在安全距离内完成相关工作，保障了研究人员和操作人员的个人安全。其应用场景视图如下图所示。

红外热成像技术在弱电系统可监测电气装置的工作状态和工作热曲线，以评估设备工作稳定性或评估线路板的工作故障点。在强电系统中其同样扮演着重要防护角色，它不仅可以防止人员与这些系统或高温高压电路直接接触，还可以在不中断设备工作的前提下进行检测设备工作状态和工作性能。

红外热成像技术在医学领域的应用最早起源于韩国，主要用于整容业内观察拉皮或植皮后的皮下组织是否发炎等，以便更好地监控整容后的皮肤恢复程度。随着医学技术和大健康时代的到来，红外热成像技术赋予了医学领域更加广泛的应用范畴。

首先，红外热成像技术被用来帮助更早地检测癌症，定位关节炎的来源，甚至在人体循环问题变得严重之前捕捉到病源部位，达到医疗保健级的早发现早治疗，以减少病发时的痛苦和缩短治疗周期。其次，红外热图像对脊髓损伤的监测也是近些年来医疗领域发展的新方向，解决了脊髓损伤后植物神经功能紊乱所致的皮肤排汗功能障碍及血循环、温差等问题，为科研、临床提供了诊断、随访和疗效的客观依据。红外热成像也能有效检测出心脏疾病或者心脏供压不足等导致毛细血管等流血不畅或堵塞所引起的指端温度降低等综合病症。成像效果如下图所示。

红外热像仪在医学上的应用范围远不止治疗领域上的，随着技术的发展，它的医学用途得到更宽的拓展，如在人体发热领域的快速筛排查。

热活动贯穿于人类生命的全过程，热活动规律是生命活动的基本规律。红外热成像技术的精准热感应能力使其在新冠抗疾过程中演绎着重要身份属性。在新冠疫情期间，其非触式图像精准测温功能配合了先进的可见光人脸识别功能，让防疫手段有“技”可依，有“迹”可寻。