碳酸鈣三級紅外光譜研究

張 彬，肖 霄，韓蕓嬌，張媛媛，于宏偉

（石家莊學院化工學院，河北石家莊050035）

碳酸鈣（CaCO3，CAS 471-34-1）是一類常見的無機鹽［1-3］，可作為食品添加劑廣泛應用于食品工程各個領域［4-7］。碳酸鈣的廣泛應用與其特殊的碳酸鹽結構有關。傳統的紅外（IR）光譜法主要應用于碳酸鈣的結構研究［8-10］，但由于IR 光譜分辨能力不高，所提供的光譜信息有限。變溫紅外（TD-IR）光譜［11-14］和二維紅外（2D-IR）光譜［15-18］是一類較為新型的IR 光譜技術，不但可以研究溫度變化對于碳酸鈣結構的改變，還可以進一步研究熱擾動因素下，碳酸鈣主要官能團對熱敏感程度及變化快慢的順序，進而提供更加豐富的光譜信息。因此本文以碳酸鈣為研究對象，分別開展了碳酸鈣三級IR 光譜（包括：IR 光譜，TD-IR 光譜和2D-IR 光譜）研究，為碳酸鈣的改性及其在食品工程中的應用提供了有意義的科學借鑒。

1 材料與方法

1.1 材料與試劑

碳酸鈣（分析純）。

1.2 儀器與設備

Spectrum 100 型傅里葉紅外光譜儀；Golden Gate型單次內反射ATR-FTIR 變溫附件和WEST 6100+型變溫控件。

1.3 實驗方法

紅外光譜實驗以空氣為背景，每次對于信號進行8 次掃描累加；測溫范圍為293～393 K（變溫步長為10 K）。碳酸鈣的IR 及TD-IR 光譜數據的獲得采用Spectrum v 6.3.5 操作軟件。碳酸鈣的2D-IR 光譜數據的獲得采用清華大學TD Versin 4.2 軟件。

2 結果與分析

2.1 碳酸鈣IR 光譜研究

IR 光譜包括一維IR 光譜和二階導數IR 光譜。首先開展了碳酸鈣的一維IR 光譜研究（圖1a）。其中1 795.3 cm-1頻率處的吸收峰歸屬于碳酸鈣C=O伸縮振動模式（νC=O-碳酸鈣-一維），1 388.0 cm-1頻率處的吸收峰歸屬于碳酸鈣C—O 不對稱伸縮振動模式（νasC-O-碳酸鈣-一維），1 071.0 cm-1頻率處的較弱吸收峰歸屬于碳酸鈣C—O 對稱伸縮振動模式（νsC-O-碳酸鈣-一維），871.0 cm-1和847.9 cm-1頻率處的吸收峰歸屬于碳酸鈣C—O 面內彎曲振動模式（βC-O-碳酸鈣-一維），712.1 cm-1頻率處的吸收峰歸屬于碳酸鈣C—O 面外彎曲振動模式（rC-O-碳酸鈣-一維），而2512.0 cm-1處的吸收峰是碳酸鈣1 795.3 cm-1（νC=O-碳酸鈣-一維）和碳酸鈣712.1 cm-1（rC-O-碳酸鈣-一維）的合頻。進一步開展了碳酸鈣二階導數IR 光譜（圖1b）的研究，相關光譜數據見表1。

圖1 碳酸鈣的紅外光譜

表1 碳酸鈣IR 光譜數據（293 K）

二階導數IR光譜是一維IR 光譜基于一定的數學模型假設計算而來，研究發現二階導數IR 光譜并不能增加原譜圖的分辨能力。

2.2 碳酸鈣TD-IR 光譜研究

碳酸鈣TD-IR 光譜包括：一維TD-IR 光譜和二階導數TD-IR 光譜。

2.2.1 碳酸鈣一維TD-IR 光譜研究

在293～393 K 的溫度范圍內，首先采用一維TD-IR 光譜研究了溫度變化對于碳酸鈣化學結構的影響（見圖2），相關光譜數據見表2。

圖2 碳酸鈣的一維TD-IR 光譜（293～393 K）

表2 碳酸鈣的一維TD-IR 光譜數據（293～393 K）

在293～393 K 的溫度范圍內，碳酸鈣的結構通常認為是穩定的。由表2 數據可知，隨著測定溫度的升高，碳酸鈣（νC=O-碳酸鈣+rC-O-碳酸鈣、νsC-O-碳酸鈣、βC-O-碳酸鈣和rC-O-碳酸鈣）對應的吸收頻率出現了紅移，而碳酸鈣（νasC-O-碳酸鈣和νC=O-碳酸鈣）對應的吸收頻率沒有規律性改變。隨著測定溫度的升高，碳酸鈣主要官能團（νC=O-碳酸鈣+rC-O-碳酸鈣、βC-O-碳酸鈣、rC-O-碳酸鈣、νasC-O-碳酸鈣和νC=O-碳酸鈣）相應的吸收強度略有增加。實驗證明，在293～393 K 的溫度范圍內，碳酸鈣的微觀結構是有一定改變的，而其熱穩定性有一定的降低。

2.2.2 碳酸鈣二階導數TD-IR 光譜研究

在293～393 K 的溫度范圍內，進一步開展了碳酸鈣的二階導數TD-IR 光譜的研究（見圖3），相關光譜數據見表3。由表3 數據可知，隨著測定溫度的升高，碳酸鈣官能團（νC=O-碳酸鈣、νasC-O-碳酸鈣和βC-O-碳酸鈣）對應的紅外吸收頻率發生紅移，碳酸鈣νsC-O-碳酸鈣對應的紅外吸收頻率沒有規律性的改變，而碳酸鈣rC-O-碳酸鈣對應的吸收頻率沒有改變。

圖3 碳酸鈣的二階導數TD-IR 光譜（293～393 K）

表3 碳酸鈣二階導數TD-IR 光譜數據（293～393 K）

2.3 碳酸鈣2D-IR 光譜研究

因為碳酸鈣νasC-O-碳酸鈣、βC-O-碳酸鈣和rC-O-碳酸鈣具有較大的吸收強度，因此進一步開展相關2D-IR 光譜研究，并考察碳酸鈣νasC-O-碳酸鈣、βC-O-碳酸鈣和rC-O-碳酸鈣吸收峰對于溫度變化的敏感程度及變化快慢的順序。

2.3.1 碳酸鈣νasC-O-碳酸鈣-二維的2D-IR 光譜研究

在1 350～1 450 cm-1頻率范圍內，首先開展了碳酸鈣νasC-O-碳酸鈣-二維的同步2D-IR 光譜研究（見圖4）。首先在（1 393，1 393 cm-1）和（1 398，1 398 cm-1）頻率范圍內發現兩個相對強度較大的自動峰，則進一步證明碳酸鈣1 393 cm-1和1 398 cm-1頻率處的官能團對于溫度變化比較敏感。

圖4 碳酸鈣νasC-O-碳酸鈣-二維同步2D-IR 光譜

在1 350～1 450 cm-1頻率范圍內，進一步開展了碳酸鈣νasC-O-碳酸鈣-二維的異步2D-IR 光譜研究（見圖5）。首先在（1 388，1 393 cm-1）、（1 388，1 407 cm-1）、（1 393，1 398 cm-1）和（1 398，1 407 cm-1）頻率范圍內發現4 個相對強度較大的交叉峰。碳酸鈣νasC-O-碳酸鈣-二維的2D-IR 光譜數據證明，其對應的吸收頻率包括：1 407 cm-1（νasC-O-1-碳酸鈣-二維）、1 398 cm-1（νasC-O-2-碳酸鈣-二維）、1 393 cm-1（νasC-O-3-碳酸鈣-二維）和1 388 cm-1（νasC-O-4-碳酸鈣-二維），相關光譜數據見表4。

圖5 碳酸鈣νasC-O-碳酸鈣-二維異步2D-IR 光譜

表4 碳酸鈣νasC-O-碳酸鈣-二維的2D-IR 光譜數據及解釋

根據Noda 規則［15-18］和表4 數據可知，在1 350～1 450 cm-1頻率范圍內，隨著測定溫度的升高，碳酸鈣νasC-O-碳酸鈣-二維對應的吸收峰變化由快到慢的順序為：1 407 cm-1（νasC-O-1-碳酸鈣-二維）、1 393 cm-1（νasC-O-3-碳酸鈣-二維）、1 388 cm-1（νasC-O-4-碳酸鈣-二維）、1 398 cm-1（νasC-O-2-碳酸鈣-二維）。

2.3.2 碳酸鈣βC-O-碳酸鈣-二維的2D-IR 光譜研究

在800～900 cm-1頻率范圍內，首先開展了碳酸鈣βC-O-碳酸鈣-二維的同步2D-IR 光譜研究（見圖6）。首先在（845，845 cm-1）和（865，865 cm-1）頻率范圍內發現兩個相對強度較大的自動峰，而在（845，865 cm-1）頻率附近發現一個相對強度較大的交叉峰，而進一步證明碳酸鈣845 cm-1和865 cm-1頻率處對應的官能團之間存在著較強的分子內或分子間的相互作用。

圖6 碳酸鈣βC-O-碳酸鈣-二維同步2D-IR 光譜

在800～900 cm-1頻率范圍內，首先開展了碳酸鈣βC-O-碳酸鈣-二維的異步2D-IR 光譜研究（見圖7）。首先在（835，845 cm-1）、（835，868 cm-1）、（845，861 cm-1）和（861，868 cm-1）頻率范圍內發現4 個相對強度較大的交叉峰。碳酸鈣βC-O-碳酸鈣-二維的2D-IR 光譜數據證明，其對應的吸收頻率包括：868 cm-1（βC-O-1-碳酸鈣-二維）、861 cm-1（βC-O-2-碳酸鈣-二維）、845 cm-1（βC-O-3-碳酸鈣-二維）和835 cm-1（βC-O-4-碳酸鈣-二維），相關光譜數據見表5。

圖7 碳酸鈣βC-O-碳酸鈣-二維異步2D-IR 光譜

表5 碳酸鈣βC-O-碳酸鈣-二維的2D-IR 光譜數據及解釋

根據Noda 規則［15-18］和表5 數據可知，在800～900 cm-1的頻率范圍內，隨著測定溫度的升高，碳酸鈣βC-O-碳酸鈣-二維對應的吸收峰變化由快到慢的順序為：835 cm-1（βC-O-4-碳酸鈣-二維）、861 cm-1（βC-O-2-碳酸鈣-二維）、845 cm-1（βC-O-3-碳酸鈣-二維）、868 cm-1（βC-O-1-碳酸鈣-二維）。

2.3.3 碳酸鈣rC-O-碳酸鈣-二維的2D-IR 光譜研究

在700～750 cm-1頻率范圍內，首先開展了碳酸鈣rC-O-碳酸鈣-二維的同步2D-IR 光譜研究（見圖8）。首先在（707，707 cm-1）和（718，718 cm-1）頻率范圍內發現兩個相對強度較大的自動峰，此外在（707，718 cm-1）頻率附近發現一個相對強度較大的交叉峰。

圖8 碳酸鈣rC-O-碳酸鈣-二維同步2D-IR 光譜

在700～750 cm-1頻率范圍內，首先開展了碳酸鈣rC-O-碳酸鈣-二維的異步2D-IR 光譜研究（見圖9）。首先在（702 ，708 cm-1）、（702，716 cm-1）、（708，726 cm-1）和（716，726 cm-1）頻率范圍內發現4 個相對強度較大的交叉峰。碳酸鈣rC-O-碳酸鈣-二維的2D-IR 光譜數據證明，其對應的吸收頻率包括：726 cm-1（rC-O-1-碳酸鈣-二維）、716 cm-1（rC-O-2-碳酸鈣-二維）、708 cm-1（rC-O-3-碳酸鈣-二維）和702 cm-1（rC-O-4-碳酸鈣-二維），相關光譜數據見表6。

圖9 碳酸鈣rC-O-碳酸鈣-二維異步2D-IR 光譜

表6 碳酸鈣rC-O-碳酸鈣-二維的2D-IR 光譜數據及解釋

根據Noda 規則［15-18］和表6 數據可知，在700～750 cm-1的頻率范圍內，隨著測定溫度的升高，碳酸鈣rC-O-碳酸鈣-二維對應的吸收峰變化由快到慢的順序為：702 cm-1（rC-O-4-碳酸鈣-二維）、726 cm-1（rC-O-1-碳酸鈣-二維）、708 cm-1（rC-O-3-碳酸鈣-二維）、716 cm-1（rC-O-2-碳酸鈣-二維）。

碳酸鈣的2D-IR 光譜提供了碳酸鈣主要官能團的吸收峰（νasC-O-碳酸鈣、βC-O-碳酸鈣和rC-O-碳酸鈣）對熱的敏感程度及變化快慢的信息，為碳酸鈣的制備和應用提供了重要的光譜信息。

3 結論

碳酸鈣主要存在著νasCO3-碳酸鈣、νsCO3-碳酸鈣、rCO3-碳酸鈣和βCO3-碳酸鈣4 種紅外吸收模式。在293～393 K 的溫度范圍內，碳酸鈣主要官能團對應的紅外吸收頻率及強度都有一定的改變。而熱擾動因素下，碳酸鈣（νasCO3-碳酸鈣、rCO3-碳酸鈣和βCO3-碳酸鈣） 對應的紅外吸收峰顯示出不同的敏感程度及變化快慢的信息。本文為研究碳酸鈣結構及熱穩定研究建立了一個新的方法學，具有重要的理論研究價值。