使用光谱分析法的优点

光谱分析法是当前用于物质检测的重要方法，其不仅可检测液体，在气体、固体成分及结构检测方面也起到重要作用。光谱分析法是以分子和原子的光谱学为基础而建立起的分析方法，主要根据物质的光谱来鉴别物质及确定其化学组成和相对含量。光谱分析法主要包含三个过程：①光源提供能量；②光与被测物质相互作用；③产生被检测信号。光谱分析法根据光的作用过程可以分为很多种类：①根据物质粒子对光的吸收现象而建立的分析方法，称为吸收光谱法，如紫外-可见吸收光谱法、红外吸收光谱法和原子吸收光谱法等；②利用发射现象建立的分析方法，称为发射光谱法，如原子发射光谱法和荧光发射光谱法等；③利用散射现象建立的分析方法，称为散射光谱法，如非弹性散射法（拉曼光谱法）。由于不同物质的原子、离子和分子的能级分布是特定的，因此相应物质吸收光子和发射光子的能量也是特定的。以光的波长或波数为横坐标，以物质对不同波长光的吸收或发射的强度为纵坐标，所描绘的图像称为吸收光谱或发射光谱。利用物质在不同光谱分析法中的特征光谱可对其进行定性分析，根据光谱强度可对其进行定量分析。

1.傅里叶变换红外光谱法

傅里叶变换红外光谱法（Fourier transform infrared spectroscopy，FTIR）是一种将傅里叶变换的数学处理技术与红外吸收光谱相结合的分析表征方法。其检测装置主要由光学探测部分和计算机部分组成。当样品放在干涉仪光路中，由于样品吸收了某些频率的能量，因此所得的干涉图强度曲线相应地产生一些变化，通过傅里叶变换计算，可将干涉图上的每个频率转变为相应的光强，从而得到整个红外光谱图。根据光谱图的不同特征，可检定未知物的官能团，从而测定物质的化学结构，观察化学反应历程，区别同分异构体，分析物质的纯度等。

红外光谱是分子基本振动引起的光的吸收的结果，其本质是能量与物质相互作用。当红外辐射与分子振动偶极矩相互作用时，红外辐射的吸收与分子振动偶极矩的变化相对应。其基本工作原理是将一束不同波长的红外射线照射到物质的分子上，某些特定波长的红外射线被吸收，形成这一分子的红外吸收光谱，通过解析该吸收光谱，即可知道该物质中的相应分子结构。一般来说，不同的官能团对应不同的红外光谱成分，因此，光谱特征可以用于结构分析。红外区域按波长范围分为三个区域：近红外（780～2500 nm或4000～12800 cm-1）、中红外（2500～25000 nm或400～4000 cm-1）和远红外（25000～1000000 nm或10～400 cm-1）。中红外分析用于研究基本振动和相关结构，而近红外分析提供分子倍频和振动组合的信息。近红外光谱中一个有趣的特征是倍频，它由许多振动波段的组合组成。即使是一些基本振动模式很少的简单分子，根据不同的组合，在近红外光谱中也可以显示许多倍频或和频峰。例如，氯仿有6个基本模态，但有34个倍频或和频模态。虽然近红外光谱看起来很复杂，但它们不是随机混合的，这使得用化学计量技术分析结构信息成为可能。近红外光谱一般用于快速检测，中红外光谱一般用于分子结构研究。目前，在基础理论研究中，中红外光谱应用范围更为广泛。FTIR是探测生物油中官能团的有力工具。作为一种无损分析工具，它可以识别由吸收红外辐射而引起的分子振动（包括拉伸和弯曲）。拉伸振动的能量一般对应于波数在1200～4000 cm-1的红外辐射，而弯曲振动的能量一般对应于波数在500～1200 cm-1的红外辐射。基团在这些波长下具有特征性和不变的吸收峰，使得红外光谱的这一部分对于检测官能团的存在特别有用。

红外光谱检测系统的组成部分通常包括透镜、辐射源、滤光片、探测器和数据处理单元。滤光片用于确定波长范围，是该系统的重要组成部分。过滤器则通常可分为固定过滤器、可变过滤器和倾斜过滤器。红外光谱检测系统通常测量光吸收。而衰减全反射率（ATR）与傅里叶变换红外光谱由于简化了样品的制备，也广泛应用于生物质的结构测量。光的漫反射模式一般用于固体生物质及其焦的检测。

傅里叶变换红外光谱法是检测生物油“全”组分的常用表征方法，但主要用于宏观官能团的定性和半定量分析。由于生物油中同一类官能团在同一红外光谱范围内，因此，可以利用高斯峰分峰拟合算法对光谱进行解析，并根据红外光谱中的峰计算相应官能团的相对含量，实现半定量分析。生物油为液相，可采用液膜法将生物油与异丙醇混合稀释，从而得到生物油浓度与峰面积的线性关系。半定量结果可用于比较分析不同生物油中的官能团，特别是同一范围内的羰基官能团。羰基的类型包括醛羰基、酮羰基、羧基、酯基和与苯环相连的羰基，它们主要来自醛、酮、酸、酯和内酯。羟基振动的波数较高，证明了醇、酚类化合物和水的存在。

傅里叶变换红外光谱法广泛用于生物油分析，目前已找到与其峰位相对应的官能团分配。Lu等人利用傅里叶变换红外光谱法对稻壳热解生物油进行了分析，发现了由C—C、C=C、C—O及N—H组成的不同官能团。傅里叶变换红外光谱法也可用于预测生物油的含水量，含水生物油的光谱图会在3000～3700 cm-1的吸收波长范围内出现一个明显的峰，该峰产生的原因是水分，因此，当标定校准该峰强度与生物油含水量的定量关系后，可通过傅里叶变换红外光谱测定样品含水量。傅里叶变换红外光谱法也可用于监测生物油转换过程。Reyman等人对生物柴油中三烯烃和甲基烯烃含量的预测能帮助监测酯交换过程，并用红外光谱分析验证了甲酯中的甾基糖苷。酯交换的中间体如单酰基甘油酯、二酰基甘油酯和三酰基甘油酯也可通过傅里叶变换红外光谱进行监测。油或脂肪与生物柴油、柴油再生剂和氢化植物油相结合，可用于分析生物柴油的老化。通过傅里叶变换红外光谱分析可以发现，生物柴油的老化与酸的形成有关。一种典型的生物油傅里叶变换红外光谱图如图9-5所示。

图9-5　一种典型的生物油傅里叶变换红外光谱图

2.近红外光谱法

吸收波数超过4000 cm-1的区域被称为近红外区域。近红外分析的吸光范围一般为4000～12820 cm-1。Knothe等人采用近红外和光纤相结合的方法，测定了生物柴油和石油柴油混合物中的柴油混合物。近红外光谱法也可用于分析乙酯和柴油燃料的混合物。Pinzi等人使用近红外光谱对未经预处理的生物柴油样品进行分析，预测生物柴油的甲酯、游离甘油、总甘油、单甘油酯、双甘油酯和甘油三酯含量。近红外光谱和光纤探针结合，可对甲酯含量进行监测，分析酯交换反应过程。利用近红外光谱可以观察到油和生物柴油组成的差异。近红外光谱法是一种较好的生物柴油分析方法。其检测系统操作方便，数据测量速度快，具有较高的准确性和可靠性，也可进一步扩展，用于生物油的组分检测及预测或在线监测。

3.荧光光谱法

物体经过较短波长的光照，把能量储存起来，然后缓慢放出较长波长的光，这种放出的光就称为荧光。如果建立荧光的能量与波长的关系图，那么这个关系图就称为荧光光谱。荧光光谱要通过光谱检测才能获得。荧光光谱包括激发光谱和发射光谱两种。激发光谱是在不同波长的激发光作用下某一波长处的荧光强度的变化情况，也就是不同波长的激发光的相对效率；发射光谱则是在某一固定波长的激发光作用下荧光强度在不同波长处的分布情况，也就是荧光中不同波长的光成分的相对强度。

荧光光谱的主要特点有：①灵敏度高，通常情况下比分光光度计的灵敏度高出2～3个数量级；②选择性强，在鉴定物质时，通过选择波长可使分子荧光分析有多种选择；③试样量少，方法简便；④能提供较多的物理参数，如激发光谱、发射光谱、荧光强度、量子产率、荧光寿命、荧光偏振等，这些参数反映了分子的各种特性，可以给出被检测分子的更多信息。(www.xing528.com)

Kumar和Mishra用荧光光谱法定量了生物柴油的乙醇和脂肪酸烷基酯的浓度。他们还在未进行任何化合物分离的情况下，利用荧光光谱法估算了乙醇浓度。荧光光谱法还可在加油站对样品进行光谱分析，荧光光谱可以记录油和脂肪酸烷基酯黏度的变化。激发波长在350 nm左右时，可以观察到油和脂肪酸烷基酯在370～800 nm波长范围内的荧光。甘油的荧光在400～600 nm范围内可见。采集油、生物柴油及甘油的发射光谱和激发光谱的样品不需要任何稀释处理。图9-6所示为典型的生物油及其分离组分的紫外荧光光谱。

图9-6　典型的生物油及其分离组分的紫外荧光光谱

4.电感耦合等离子体质谱法

电感耦合等离子体质谱（inductively coupled plasma mass spectrometry，ICP-MS）技术是20世纪80年代发展起来的无机元素和同位素分析测试技术，它以独特的接口技术将电感耦合等离子体的高温电离特性与质谱计灵敏、快速扫描的优点相结合，从而形成一种高灵敏度的分析技术。

ICP-MS可用于检测污染环境和影响燃烧设备正常运行的污染物，包括钠、钾、钙、镁、磷和硫等潜在毒性元素及其化合物的分析。生物油及生物柴油中的这些元素可以通过ICPMS进行分析。此外，还可以利用ICP-MS与八极反应体系（ICP-ORS）进行直接无机元素分析。ICP-ORS与光学发射光谱（ICP-OES）结合，可去除基体和等离子体分离干扰，以实现分析物如硫和磷的更高效测量。ICP-MS比原子吸收光谱（AAS）和ICP-AES表现出更强的性能和更广泛的元素覆盖范围。值得指出的是，ICP-ORS在分析干扰以及背景膜中存在氧时，其分析检测存在一定的局限性。

5.紫外-可见分光光度法

紫外-可见分光光度法是在190～800 nm波长范围内测定物质的吸光度，用于物质鉴别、杂质检查和定量测定的方法。当光穿过被测物质溶液时，物质对光的吸收程度随光的波长不同而变化。因此，通过测定物质在不同波长处的吸光度，并绘制其吸光度与波长的关系图，即得被测物质的吸收光谱。从吸收光谱中，可以确定最大吸收波长λmax和最小吸收波长λmin。物质的吸收光谱具有与其结构相关的特征性。因此，可以通过特定波长范围内样品的光谱与对照光谱或对照品光谱的比较，或通过确定最大吸收波长，或通过测量两个特定波长处的吸收比值，从而鉴别物质。用于定量时，在最大吸收波长处测量一定浓度样品溶液的吸光度，并与一定浓度的对照溶液的吸光度进行比较，或采用吸收系数法求出样品溶液的浓度。

紫外-可见分光光度法可表征生物油的氧化稳定性和抗氧化性，可通过紫外光谱的吸收特性来确定化合物的氧化稳定性。此外，生物油的浓度与特定波长下化合物的吸光度成反比，因此，还可用紫外-可见分光光度法估计生物油的浓度。也可采用紫外-可见分光光度法对9，9-二甲氧基芴试剂和PTSA（对甲苯磺酰胺）催化剂反应后的甘油含量进行分析，对生物柴油中甘油的估值限为0.05 w/w%。

6.傅里叶变换离子回旋共振质谱

傅里叶变换离子回旋共振质谱法（Fourier transform ion cyclotron resonance-mass spectrometry，FT-ICR-MS），也称作傅里叶变换质谱分析，是一种根据给定磁场中的离子回旋频率来测量离子质荷比（m/z）的质谱分析方法。此方法具有非常高的析像能力，可以十分精确地测定物质。因此，FT-ICR-MS主要利用其高分辨率检测分子组成。这一检测的理论前提是元素在这一过程中会发生质量损失。此外，FT-ICR-MS通常也被用来研究复杂的混合物。这是由于它所产生的分析图像具有较窄的峰宽，能够将两个质量相近的离子返回的信号（质荷比m/z）区分开来。FT-ICR-MS分析器（或称质谱仪）与其他质谱分析仪器最大的不同点在于，它不是用离子去撞击一个类似电子倍增器的感应装置，只是让离子从感应板附近经过。而且它对物质的测定也不像其他技术手段那样利用时空法，而是根据频率来进行测量。利用象限仪（sector instruments）检测时，不同的离子会在不同的地方被检测出来；利用飞行时间（time-of-flight）法检测时，不同的离子会在不同的时间被检测出来；而利用FT-ICR-MS检测时，离子会在给定的时空条件下被同时检测出来。

FT-ICR-MS是近年来发展起来的一种新的质谱分析方法，它不仅能提供化合物的分子量和元素组成信息，而且能根据杂原子数、碳数和双键等等效参数对被测化合物进行分类。它还能够识别高分子量化合物，对微量的含氮和含硫化合物有更好的分辨率。Smith等人采用FT-ICR-MS对生物油进行分析，共检测出生物油成分800余种，其中GC-MS可鉴定的只有40种，这说明FT-ICR-MS较常规GC-MS具有更好的检出效果。Liu等人使用负离子电喷雾电离（ESI）FT-ICR-MS分析生物油及其溶剂组分，检测分子量范围为150～700 g/mol，其中碳原子数范围为4～39个，氧原子数范围为2～17个。但由于缺乏分析标准，因此该方法还无法准确识别生物油组分的详细化学结构。一种典型的生物油FT-ICR-MS分析图谱如图9-7所示。

图9-7　一种典型的生物油FT-ICR-MS分析图谱