近红外光谱在含酰胺基团聚合物研究中的应用

近红外光谱在含酰胺基团聚合物研究中的应用

摘要：近红外光谱(near-infrared spectroscopy, NIR)是一种常用的无损表征手段，但谱带强度弱、交叠情况严重等缺点局限了它的应用范围。本文介绍了几种常见的改善近红外光谱技术的方法，如二阶导数法、二维相关光谱法和化学计量法等，并举例阐述了近红外光谱在研究含酰胺基团聚合物的结构和含量等方面的应用。这些方法对近红外光谱的定性定量分析起到很好的辅助作用，有效地拓宽了近红外光谱技术的应用领域。 关键词：近红外光谱技术；含酰胺基团聚合物；二阶导数；二维相关光谱；化学计量法

Application of Near- Infrared Spectroscopy in the Study of

Protein and Polymers with Amide Group

Abstract: Near-infrared spectroscopy is a widely-used nondestructive analytical tool, but the disadvantages of weakband intensities and greatly overlapped bands have limited its application. In this review, several methods to overcomethe drawbacks of NIR spectroscopy, such

as

second-derivative

spectrum,

two-dimensional

correlation

spectroscopy

andchemometrics, are introduced.The applications of NIR spectroscopy in the studies of the structures and contents of polymers with amide groups are discussed. All these show that the methods help a lot of in the qualitativeand quantitative analysis of near-infrared spectroscopy and broaden the potential application of NIR spectroscopy.

Key words:near-infrared spectroscopy; polymer with amide group; second-derivative; two-dimensionalcorrelation spectroscopy; chemometrics

1 近红外光谱分析

近红外光谱分析是20世纪80年代发展起来的一项可以实现无损检测的测试技术。近红外(nearinfrared,NIR)光是指介于可见光与中红外之间的电磁波，谱区范围是12500~4000cm-1。与中红外相比，该区域主要是XH(X=C,O,N,…)等含氢基团或C=O基团振动光谱的倍频及合频吸收[1]，谱带宽，重叠较严重；而且吸收信号弱，信息解析复杂，所以尽管该谱区被发现较早，但分析价值一直未能得到足够的重视[2]。近年来，随

着计算机与化学统计学软件的发展，近红外光谱已逐渐发展为一种定性定量分析的有效手段。

近红外光谱分析技术拥有许多独到之处，样品制备简单，测试过程耗时短且不破坏样品原有状态。近红外区域的谱带对于水合作用和氢键作用的变化相对于中红外区域更为敏感，因此在研究酰胺结构的水合和氢键作用方面尤为有效[3]。但是近红外分析方法也存在不足之处。首先，NIR谱区为分子倍频与合频的振动光谱，信号弱，谱峰重叠严重，需要对谱图进行一定的处理才能获得有用的信息；其次，它是一种间接的定量分析技术，需要通过收集大量具有代表性的标准样品，通过严格细致的化学分析测出必要的数据，再通过计算机建立数学模型，才能预测未知样品的结果。因此，建立可靠的校正模型是利用近红外实现成功定量分析的关键。

本文将主要介绍近红外光谱在含酰胺基团聚合物的应用，这些工作涵盖了该类物质的结构和含量方面的研究，反映了近红外光谱在该领域的应用价值和前景。

2 近红外光谱在含酰胺基团的聚合物研究中的应用

聚酰胺中的氢键是红外光谱研究的热点，很多学者致力于利用近红外光谱研究氢键对聚合物结构和性质所起的作用。虽然聚酰胺中氢键的光谱研究多数集中在中红外区域(4000~400cm-1)，但是目前近红外光谱(12500~4000cm-1)已被证明是研究酰胺基团上氢键作用的一个非常有效的手段[4]。因为在中红外区域，自由N-H伸缩振动的强度非常弱，并且经常被有氢键相互作用的N-H伸缩振动峰覆盖[5]；而在近红外区域，二者分得很清楚，这样就可以较为精确地观察到前者的强度变化。

2.1 以二维相关光谱研究变温情况下含酰胺基团的聚合物的结构变化

Ozaki小组在利用二维相关光谱研究蛋白质二级结构[2]之余，也以同样的方法研究了聚酰胺的结构。不同之处在于前者是以浓度作为外扰，后者则以温度作为研究变量。

尼龙12是一种半结晶聚合物，随着温度的升高，分子链的活动性增加，链段发生松弛。预熔化过程(即温度在其熔点170℃以下的升温过程)中，分子间和分子内的相互

作用逐渐削弱，分子链的有序度下降。将这一过程用近红外光谱记录下来，运用二维相关光谱技术提高谱图分辨率，可以达到结构分析和机理推测的目的。

图1为4%浓度的尼龙12浇铸膜在30~150℃温度区间内的近红外光谱，全谱可以分为4个区域：CH2伸缩振动的第二倍频、CH2伸缩振动的合频、自由的或形成氢键的NH基团的第一倍频和CH2伸缩振动的第一倍频。由于近红外区域的谱带强度较弱，仅由图1很难获得有效的信息，因此Ozaki等采用了二维相关光谱技术，根据以上的4个区域划分，得到了相应的二维相关谱图。

图1 尼龙12在30~150℃温度区间内的近红外光谱

图2即为CH2伸缩振动的第一倍频区域的相关谱图。由图可推断，5770cm-1谱带代表的是有序亚甲基的伸缩振动，而5840cm-1、5680cm-1和5640cm-1三处的谱带归属于相对无序的亚甲基结构。并且，后三处谱带在前者消失之前就已出现，意味着它们可能是预熔化行为的先兆。

图2 尼龙12在30~150℃温度区间内的二维近红外(a)同步谱图和(b)异步谱图

同样的分析也应用于6900~6100cm-1区域(如图3所示)，这一区域提供了尼龙12酰胺基团的信息。Ozaki等把6750cm-1处的谱带归属于自由的NH基团，实际上，尼龙12中存在着两种自由NH的结构(图4中的结构A和结构B)。相应地，6380~6100cm-1区域的谱带由结构D产生；6500~6400cm-1区域的谱带归属于结构C，并且结构C存在有序和无序两种不同的形式。异步谱指出，随着温度的升高，首先是结构C的强度增长，紧跟着结构A和结构B发生变化，最后是结构D的强度减小，说明自由NH基团并非是形成氢键的NH基团被破坏后才形成的产物。

除了同区域的二维相关分析，他们还对不同的区域进行了异谱相关分析，不过相对于图2和图3来讲，异谱相关的谱带就复杂得多，尤其是异步谱图。他们得到的主要结论是，结构A和结构B是在预熔化过程中形成的，并且尼龙12内存在着大量不同状态的碳氢结构。

图3 尼龙12在30~150℃温度区间内的 二维近红外(a)同步谱图和(b)异步谱图

图4 尼龙12中形成氢键的酰胺基团

Wu小组[6]同样在含酰胺基团聚合物的变温二维相关光谱方面做了很多的工作，其中既包括常规的尼龙，也包括温敏性的聚合物聚异丙基丙烯酰胺(PNIPAM)。这里主要介绍一下后者的研究情况。

PNIPAM(结构如图5所示)在最低临界溶液温度(LCST)32℃时会发生一个由coil向globule的转变过程[7]，这一行为已有不少研究者用红外光谱进行分析，但是这方面的近红外光谱研究却仍是一个空白。该文就是借助二维相关光谱来研究PNIPAM的近红外光谱，对其谱带进行归属。