分辨率在中紅外光譜實踐教學(xué)中的應(yīng)用

郭柯馨，蘆小剛，于佳琳，劉 榮，于宏偉，徐元媛*

（1.石家莊學(xué)院 教師教育學(xué)院，河北 石家莊 050035；2.石家莊學(xué)院 化工學(xué)院，河北 石家莊 050035）

0 引 言

分辨率（Resolution） 用物理單位cm-1表示，即分辨率的（單位：cm-1）。分辨率是指分辨兩條相鄰譜線的能力，是中紅外（MIR） 光譜最重要的工作參數(shù)之一。MIR 光譜的分辨率是由干涉儀動鏡移動距離決定的。最高分辨率取決于MIR 光譜的動鏡移動的最長有效距離。所謂動鏡移動的最長有效距離是指從零光程差到采集最高分辨率所需要的最后1 個數(shù)據(jù)點動鏡移動的距離。最長有效距離（單位：cm） 兩倍的倒數(shù)就是這臺MIR 光譜的最高分辨率。也就是最大光程差L 的倒數(shù)就是這臺機器的最高分辨率。分辨率的數(shù)字越小，分辨率越高。MIR 光譜的分辨率越高，其儀器性能越好，相應(yīng)的價格越高。分辨率其數(shù)值檔次有：64 cm-1、32 cm-1、16 cm-1、8.0 cm-1、4.0 cm-1、2.0 cm-1、1.0 cm-1、0.5 cm-1、0.25 cm-1、0.125 cm-1及0.0625 cm-1等。在中紅外光譜實踐教學(xué)中，MIR 光譜的分辨率通常選擇4.0 cm-1，而不同分辨率下，產(chǎn)品最后的譜圖有較大的差異。聚丙烯是一種半結(jié)晶的熱塑性塑料，具有質(zhì)地輕、強度高、彈性好、化學(xué)溫度性好、吸濕率低、耐磨性好、抗靜電性好、抗霉菌等優(yōu)點，廣泛應(yīng)用在針織內(nèi)衣、裝飾布、工業(yè)織物及醫(yī)用無紡布工業(yè)中。MIR 光譜具有方便、快捷的優(yōu)點，廣泛應(yīng)用在聚丙烯結(jié)構(gòu)研究領(lǐng)域。以聚丙烯為研究對象，開展了不同分辨率下聚丙烯結(jié)構(gòu)MIR光譜研究，為以后科學(xué)使用MIR 光譜，提供了重要的技術(shù)參考。

1 實驗方法

1.1 材 料

聚丙烯顆粒（中國石化股份有限公司茂名分公司）。

1.2 儀器與設(shè)備

Spectrum 100 型紅外光譜儀，美國PE 公司；單次內(nèi)反射ATR-FTIR 變溫附件，英國Specac 公司。

2 結(jié)果討論

2.1 不同分辨率下MIR 光譜背景研究

以空氣為背景，選擇不同的分辨率（包括0.5 cm-1、1.0 cm-1、2.0 cm-1、4.0 cm-1、8.0 cm-1、16 cm-1、32 cm-1及64 cm-1），分別開展了背景能量研究，具體分析見圖1。試驗發(fā)現(xiàn)，當(dāng)分辨率達(dá)到最高的0.5 cm-1時（圖1A），背景能量僅為1.5。隨著分辨率的降低，背景的能量逐漸升高。當(dāng)分辨率達(dá)到4.0 cm-1時（圖1D），背景能量達(dá)到最高（約為6），而當(dāng)分辨率繼續(xù)降低時，背景的能量基本不變。

圖1 不同分辨率下MIR光譜背景能量研究Fig.1 Research on MIR spectral background energy at different resolutions

研究發(fā)現(xiàn)，過高的分辨率會導(dǎo)致背景能量降低。選擇4.0 cm-1（圖1D）、8.0 cm-1（圖1E） 和16 cm-1（圖1F） 的分辨率，背景有較高的能量。而分辨率繼續(xù)降低選擇32 cm-1（圖1G） 和64 cm-1（圖1H） 時，背景譜圖質(zhì)量進(jìn)一步降低。因此，開展MIR 光譜背景的研究，分辨率選擇4.0 cm-1、8.0 cm-1和16 cm-1是適合的。

2.2 不同分辨率下聚丙烯結(jié)構(gòu)MIR 光譜研究

采用MIR 光譜進(jìn)一步開展了不同分辨率下聚丙烯結(jié)構(gòu)的研究，聚丙烯結(jié)構(gòu)光譜研究見圖2。

圖2 不同分辨率下聚丙烯結(jié)構(gòu)MIR光譜研究Fig.2 Study on MIR spectra of polypropylene structure at different resolutions

試驗發(fā)現(xiàn)，分辨率為0.5 cm-1和1.0 cm-1（圖2A 和圖2B） 時，聚丙烯結(jié)構(gòu)的MIR 光譜圖的基線噪音很大，而分辨率為32 cm-1和64 cm-1（圖2G和圖2H） 時，分辨率過低，聚丙烯結(jié)構(gòu)的部分紅外吸收峰無法分開，而選擇分辨率2.0 cm-1（圖2C）、4.0 cm-1（圖2D）、8.0 cm-1（圖2E） 和16 cm-1（圖2F），可以得到較高質(zhì)量的光譜圖，相關(guān)數(shù)據(jù)見表1。

表1 不同分辨率下聚丙烯結(jié)構(gòu)MIR 光譜數(shù)據(jù)（303 K）Table 1 MIR spectral data of polypropylene structure at different resolutions(303 K)

研究發(fā)現(xiàn)，不同分辨率下（2.0 cm-1、4.0 cm-1、8.0 cm-1和16 cm-）1聚丙烯同一官能團對應(yīng)的吸收頻率均存在著一定的差異性。而對于本次研究的聚丙烯來說，選擇分辨率（2.0 cm-）1較為適合，因此，在相關(guān)研究報告里，標(biāo)明MIR 光譜的分辨率是必要的，而并不能所有MIR 光譜的分辨率機械的選擇4.0 cm-1。

分辨率2.0 cm-1，聚丙烯主要官能團的紅外吸收頻率及其歸屬見表2。

表2 聚丙烯官能團結(jié)構(gòu)紅外吸收頻率及歸屬解釋（303 K）Table 2 Nfrared absorption frequency and attribution explanation of polypropylene functional group structure(303 K)

此外，1 653.39 cm-1和1 641.43 cm-1處的吸收峰歸屬于的酰胺Ⅰ特征吸收譜帶（νamideⅠ）；1 573.16 cm-1、1 559.13 cm-1和1 535.61 cm-1處的吸收峰歸屬于酰胺Ⅱ特征吸收譜帶（νamideⅡ）。研究認(rèn)為，聚丙烯里含有極少量的酰胺類物質(zhì)（類似尼龍），可能由于聚丙烯造粒加工過程中，作為雜質(zhì)引入。

3 結(jié) 語

選擇不同的分辨率分別開展了聚丙烯的結(jié)構(gòu)研究。

主要結(jié)論如下：

（1） 聚丙烯分子主要官能團的紅外吸收模式主要包括：νasCH3、νasCH2、νsCH3、νsCH2、δasCH3、δsCH3、δ[CH3CH(CH3)]n和δcrystalline。

（2） 不同分辨率下，聚丙烯分子主要官能團的紅外吸收頻率均有一定的差異性。選擇適宜的分辨率，有助于提高聚丙烯結(jié)構(gòu)紅外光譜的分析能力。