陳向標(biāo)+羅永文

摘 要：文章介紹了傅立葉紅外光譜（FTIR）在纖維檢驗(yàn)中的基本原理和常用的紅外光譜技術(shù)，并主要講述了傅立葉紅外光譜技術(shù)在纖維成分檢驗(yàn)中的應(yīng)用進(jìn)展，包括在纖維定性和定量方面中的研究進(jìn)展。

關(guān)鍵詞：紅外光譜；纖維；定性；定量

1 傅立葉紅外光譜（FTIR）在纖維檢驗(yàn)中的基本原理

傅立葉變換紅外光譜儀（簡(jiǎn)稱FTIR）具有掃描速度快、高分辨率、測(cè)定光譜范圍寬等特點(diǎn)，并配備有功能很強(qiáng)的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，已經(jīng)成為最有用的分析手段之一。在紡織品纖維檢驗(yàn)中，當(dāng)連續(xù)波長(zhǎng)的紅外光照射到纖維樣品時(shí)，纖維分子就會(huì)選擇吸收與其所含官能團(tuán)固有振動(dòng)頻率相等的紅外光，發(fā)生能級(jí)的躍遷，從而產(chǎn)生紅外吸收光譜。紅外光譜中的每一個(gè)特征吸收譜帶都包含了試樣分子中基團(tuán)和化學(xué)鍵的信息。不同纖維的官能團(tuán)不同，或單體的連接方式和空間相對(duì)關(guān)系不同，其產(chǎn)生的紅外吸收峰的峰位和強(qiáng)度都會(huì)有所差異，將試樣的紅外光譜與已知紅外光譜進(jìn)行比較從而鑒別出纖維來[1]。

傅立葉變換衰減全反射紅外光譜法（ATR-FTIR）是分析物質(zhì)表層成分結(jié)構(gòu)信息的一種技術(shù)，它具有對(duì)樣品無破壞性、操作方便迅速、靈敏度高等優(yōu)點(diǎn)[2]。ATR-FTIR可以有效地得到聚合材料的紅外圖譜，制樣簡(jiǎn)單、非破壞性、能夠保持樣品原貌進(jìn)行測(cè)定，可以實(shí)現(xiàn)原位、實(shí)時(shí)、無損測(cè)量，這對(duì)于各種纖維成分的定性鑒別特別方便。ATR 光譜法是一種表面取樣技術(shù)， 所獲得的主要是樣品表面層的光譜信息， 因此尤其適合觀測(cè)樣品表面的變化[3]。

2 在纖維成分檢驗(yàn)中常用的紅外光譜技術(shù)

2.1 FTIR透射光譜技術(shù)

常規(guī)FTIR透射光譜分析方法不僅可以鑒定未知纖維的種屬，還可以對(duì)簡(jiǎn)單的混紡樣品進(jìn)行混紡率的定量測(cè)定等，該方法比較成熟，被廣泛地應(yīng)用在纖維檢驗(yàn)實(shí)踐中。透射紅外光譜分析方法，重點(diǎn)是樣品的制樣過程，不同的纖維要選擇不同的制樣方法，否則就會(huì)得不到預(yù)期的效果。制樣方法主要有溴化鉀壓片法和溶解薄膜法、熔融鑄膜法。溴化鉀壓片法適用于可用切片切成粉末的纖維，溶解薄膜法適用于錦綸、醋纖、氯綸等纖維，熔融鑄膜法適用于熱塑性合成纖維。上述制樣方法都存在過程繁瑣的缺點(diǎn)，近年來各種現(xiàn)代化紅外附件的成功應(yīng)用，為FTIR纖維檢測(cè)提供了很大的便利[1]。

2.2 衰減全反射紅外光譜技術(shù)

為克服紅外光譜制樣繁瑣以及某些樣品難以制樣的不足，20 世紀(jì) 60 年代初出現(xiàn)了衰減全反射（ Attenuated Total Refraction，ATR） 紅外附件。80 年代初將 ATR 技術(shù)開始應(yīng)用到傅立葉變換紅外光譜儀上，產(chǎn)生了傅立葉變換衰減全反射紅外光譜儀（ Attenuated Total internal Reflectance Fourier Transform Infraredspectroscopy，簡(jiǎn)稱 ATR-FTIR） [4]。ATR 的應(yīng)用極大地簡(jiǎn)化了測(cè)試的流程，使纖維成分的檢測(cè)變得方便而快捷。ATR技術(shù)對(duì)于分析紡織纖維樣品，分析速度快、對(duì)樣品無損壞、不消耗化學(xué)藥品，結(jié)果準(zhǔn)確可靠。

當(dāng)二組分混合纖維的混合比在30%～70%范圍內(nèi)時(shí)，多數(shù)混合纖維的ATR譜圖中出現(xiàn)兩種纖維的獨(dú)立特征峰，據(jù)此可以鑒別混紡纖維。少數(shù)難以鑒別的混紡纖維，可以先確定一種纖維，再以其作為參比光譜做差譜分析，從而對(duì)第二組分纖維進(jìn)行定性分析。由于對(duì)光譜差減的次數(shù)越多結(jié)果越不可靠，因而目前運(yùn)用ATR法鑒別混紡織物主要二組分織物和少數(shù)三組分織物，四組分以上的就很困難了。這也是紅外光譜儀不能大量有效應(yīng)用在纖維定性分析上的主要原因之一[5]。

2.3 近紅外漫反射光譜分析

因?yàn)槲矬w對(duì)光的散射率隨波長(zhǎng)的減少而增大，近紅外譜區(qū)光的波長(zhǎng)比中紅外區(qū)短，其散射的效率比中紅外區(qū)高，因此近紅外譜區(qū)適合做漫反射光譜或散射光譜分析，可以得到較高的信噪比和較寬的線性范圍。適用于固態(tài)、液體和氣態(tài)樣品的檢測(cè)。近紅外光譜的信息量豐富、圖譜的穩(wěn)定性高、取得圖譜比較容易，結(jié)合現(xiàn)代數(shù)學(xué)方法和計(jì)算機(jī)技術(shù)，可以從復(fù)雜背景中提取微弱信息[6]。通過將近紅外光譜所反映的樣品基團(tuán)或組成與用參比方法測(cè)得的數(shù)據(jù)采用化學(xué)計(jì)量學(xué)方法建立校正模型，然后通過對(duì)未知樣品光譜的測(cè)定和建立的校正模型來快速預(yù)測(cè)其組成[7]。近紅外漫反射光譜分析是一種極有發(fā)展前途的光譜技術(shù)。

2.4 顯微紅外光譜技術(shù)

傅立葉變換紅外光譜加一個(gè)紅外顯微鏡附件就可進(jìn)行顯微紅外光譜分析，可以進(jìn)行單根纖維的檢測(cè)。顯微傅立葉變換紅外光譜法是一種微量分析技術(shù)，它的特點(diǎn)有：靈敏度高，檢測(cè)限低，極少的樣品（幾納克）就能獲得很好的紅外光譜圖；樣品制備簡(jiǎn)單，對(duì)不透光樣品可直接測(cè)定反射光譜；顯微鏡光路調(diào)節(jié)簡(jiǎn)單，容易實(shí)現(xiàn)顯微鏡對(duì)樣品待分析部位定位；分析過程不會(huì)對(duì)樣品有任何損壞。在纖維檢驗(yàn)中能夠進(jìn)行種類鑒別，同時(shí)能夠鑒別單根雙組分纖維的成分，從而為各種混紡纖維的鑒別提供簡(jiǎn)便有效的方法。

3 紅外光譜技術(shù)在纖維成分檢驗(yàn)中的研究進(jìn)展

3.1 紅外光譜技術(shù)在纖維定性中的應(yīng)用研究

關(guān)于紅外光譜技術(shù)在纖維定性中的應(yīng)用已經(jīng)比較成熟。近來的文獻(xiàn)主要集中在快速檢測(cè)技術(shù)上。煙臺(tái)市產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)所的孫琳琳等人利用傅立葉紅外光譜（ ATR）對(duì)某單位送檢兩件未知纖維樣品進(jìn)行鑒別，并且對(duì)比了傅立葉紅外光譜（ ATR） 法和依據(jù)紡織行業(yè)標(biāo)準(zhǔn) FZ /T 01057. 8—1999 紅外光譜法兩種方法所得纖維樣品的紅外譜圖，所得測(cè)試結(jié)果一致。證明ATR法具有分析速度快、樣品需求量小、對(duì)樣品無損、不消耗檢材、結(jié)果準(zhǔn)確可靠的特點(diǎn)[8]。

遼寧警官高等?？茖W(xué)校的閻巍等人利用傅立葉紅外光譜（ATR） 法對(duì)不同品牌不同廠家以及同一品牌不同顏色的各組的羊絨、腈綸等纖維樣品進(jìn)行檢測(cè)，其試驗(yàn)可以快速、準(zhǔn)確地鑒定出上述各組纖維[9]。

浙江省紡織測(cè)試研究院的王曉晴等人采用傅立葉衰減全反射紅外光譜技術(shù)（FTIR-ATR）對(duì)新型功能性纖維——海藻纖維進(jìn)行紅外光譜掃描，對(duì)比了散纖維和無紡布兩種外觀形態(tài)下的海藻纖維紅外光譜圖，其分析得出：在3300cm-1左右出現(xiàn)的寬峰、1200 cm-1～1000 cm-1處的較強(qiáng)吸收峰、1610cm-1～1560cm-1和1440cm-1～1360cm-1之間的強(qiáng)吸收尖峰可以一同構(gòu)成鑒別海藻纖維的特征峰。試驗(yàn)結(jié)果表明， 用FTIR-ATR技術(shù)可以快速、有效地鑒別出海藻纖維[10]。

3.2 紅外光譜技術(shù)在纖維定量中的應(yīng)用研究

在紅外光譜技術(shù)中，近紅外光譜在纖維定量分析中應(yīng)用相對(duì)較廣。在混紡纖維含量測(cè)定方面，2010年，呂丹[11]利用近紅外光譜技術(shù)，利用主成分分析法和多元線性回歸方法建立了不同產(chǎn)地羊絨-羊毛混紡纖維的定量分析模型，研究結(jié)果表明：定量分析模型的相關(guān)系數(shù)和預(yù)測(cè)標(biāo)準(zhǔn)偏差達(dá)到了1.2061，能夠?qū)ρ蚪q-羊毛混紡纖維的含量進(jìn)行準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)。

同年，楊萌[12]用46個(gè)棉/氨混紡樣品建立了分析精度較高的近紅外光譜分析模型，用于檢測(cè)棉/氨混紡產(chǎn)品中氨綸含量，模型的相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.99，預(yù)測(cè)結(jié)果證實(shí)了利用近紅外光譜技術(shù)快速檢測(cè)棉/氨混紡產(chǎn)品的可行性。

與近紅外相比，中紅外更多地應(yīng)用到定性分析，隨著紅外光譜研究的不斷深入，中紅外也被應(yīng)用于混合物的定量分析。2010 年陶麗珍等[13] 選取 2900cm-1、1717cm-1、721cm-1特征吸收峰作為定量分析峰，用溴化鉀壓片的制樣方法，對(duì)比分析了運(yùn)用峰面積比測(cè)定滌/棉混紡比的方法，得出結(jié)論是比值法測(cè)試精度更高。

纖維混紡比定量分析主要集中在兩組分混合物的分析。對(duì)于多組分的定量，國(guó)內(nèi)研究并不是很多。陳斌、蔡斌[14]采用信號(hào)分析理論中的相關(guān)分析技術(shù)，將三組分的滌綸-棉-毛樣品與二組分的棉-毛樣品進(jìn)行相關(guān)分析，建立了基于偏最小二乘（PLS）方法的近紅外校正模型，并對(duì)余下樣品進(jìn)行了預(yù)測(cè)分析。結(jié)果表明，借助相關(guān)分析算法，毛含量的預(yù)測(cè)相對(duì)均方差和相關(guān)系數(shù)分別從3.5575、0.9855提高到2.7835、0.9876。試驗(yàn)證明，多組分相關(guān)分析技術(shù)可以在復(fù)雜混合樣品中提取出待測(cè)組分的近紅外光譜信息，為建立較高精度的校正模型創(chuàng)造了條件。

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（作者單位：揭陽市質(zhì)量計(jì)量監(jiān)督檢測(cè)所）