生物质和生物质炭分子结构表征方法优化

目前，生物质及生物质炭的分子结构的表征方法主要是光谱法，既可对原样直接进行光谱检测，也可对生物质及生物质炭逐级提取后再进行光谱分析，以获得生物质及生物质炭中的移动相及固定相组分结构。光谱法主要包括红外法、X射线衍射法、拉曼光谱法、核磁共振法等。其中红外法测固体组分结构与测液体组分结构相似，这里不赘述。下面主要介绍X射线衍射法、拉曼光谱法和核磁共振法。

1.X射线衍射法

X射线衍射法（X-ray diffractometry，XRD）利用X射线在晶体中的衍射现象来获得衍射后X射线信号特征，经过处理得到衍射谱图，利用谱图信息不仅可以确定物相，而且能观察晶体内部是否存在缺陷（位错）和晶格缺陷等。

X射线与物质作用时，就其能量转换而言，一般分为三部分，一部分被散射，一部分被吸收，一部分通过物质继续沿原来方向传播。散射的X射线与入射X射线波长相同时，对晶体将产生衍射现象，即晶面间距产生的光程差为波长的整数倍。将每种晶体物质特有的衍射花样与标准衍射花样对比，利用三强峰原则，即可鉴定出样品中存在的物相。

布拉格方程所反映的是衍射线方向与晶体结构之间的关系。对于某一特定晶体而言，只有满足布拉格方程的入射线角度才能够产生干涉增强，才会表现出衍射条纹，这是XRD谱图的根本意义。典型生物质炭的XRD谱图如图9-17所示。X射线衍射法主要可用于分析晶体的晶格大小、缺陷情况等。

图9-17　典型生物质炭的XRD谱图

2.拉曼光谱法

拉曼（Raman）光谱是一种散射光谱，由C.V.Raman于1928年在实验过程中发现。拉曼散射的机制如图9-18所示，当激发光照射到物质上时，激发光作用在物质结构内的分子上，导致电子跃迁到高能级的虚态，处于高能级虚态的电子由于不稳定会立即跃迁到低能级而发出光，即为散射光。当散射光频率与入射光频率相等时，散射光为弹性散射光，即瑞利线；而当散射光频率不等于入射光频率时，则散射光为非弹性散射光，即拉曼散射光。当拉曼散射光频率小于入射光频率时，散射光称为斯托克斯线；当拉曼散射光频率大于入射光频率时，散射光称为反斯托克斯线。一般而言，斯托克斯线与反斯托克斯线对称分布，斯托克斯线光强度相对较大，而反斯托克斯线光强相对较小，因此，一般主要采用斯托克斯线进行拉曼光谱分析。

图9-18　拉曼散射机制

拉曼散射效应是光子撞击分子产生极化而形成的，这种极化是分子内核外电子云的变形，只有能引起分子极化率改变的振动才是拉曼活性振动。拉曼光谱强度与原子在通过平衡位置前后电子云形状的变化大小有关，其强度正比于诱导偶极矩的变化。由于拉曼光谱是物质内分子与入射光之间的相互作用所导致的散射光频率的改变而产生的，且特定的原子结构对应着特定的散射光频率，因此拉曼光谱特征峰峰位是物质分子层面的结构特征参数，能反映物质内部的分子结构信息。而拉曼光谱的峰宽、峰强等信息能揭示具体结构的有序度及相对含量。因此，物质的拉曼光谱图可以反映其特定化学结构信息。

在测试方法上，拉曼光谱法具有无接触式测试特点，无须复杂制样，且测试光谱成像快速、简便，分辨率高。在样品选择上，拉曼光谱法适用于黑色样品。此外，由于水分的拉曼光谱较弱，因此拉曼光谱法可用于含水物质的分析。因此，拉曼光谱法非常适合用于生物质及生物质炭结构的检测。

拉曼光谱反映散射光频率的改变，而散射光频率的改变代表着分子的能级变化，这与另一常用的分析测试方法——红外吸收光谱法非常相似。对于某一给定的化合物，某些峰的红外吸收波数与拉曼位移完全相同，两者均能反映分子振动的变化。一般而言，高度对称的分子振动具有拉曼活性，如一些非极性基团和碳骨架C=C等的对称振动均是强的拉曼谱带；而高度非对称的振动具有红外活性，如一些强极性基团的不对称振动具有强的红外谱带。因此，拉曼光谱与红外光谱常常被认为是互补的，红外光谱更适用于基团的测定，而拉曼光谱更适用于分子骨架的测定。在生物质及生物质炭结构的众多研究中，红外光谱由于可揭示生物质及生物质炭中具体基团结构而被广泛运用，但是红外光谱难以检测生物质炭中的碳骨架结构，因此红外光谱对生物质炭的骨架结构信息揭示有限，对基团结构有限而骨架结构更有序的生物质炭的结构表征就更加有局限性。

此外，在生物质炭的研究过程中，X射线衍射法由于对生物质炭中碳的晶体结构比较敏感，因此也常常用于生物质炭结构的表征。与X射线衍射法相比，拉曼光谱法具有如下特点：(www.xing528.com)

（1）拉曼光谱法速度更快，可以实现秒级测试，而X射线衍射法的测试速度相对较慢；

（2）拉曼光谱法对样品性质及形貌无特殊要求，而X射线衍射法需要样品平整，且需要制样；

（3）拉曼光谱法既能揭示石墨晶体的结构信息，也对无定形碳的结构非常敏感，还能揭示生物质及生物质炭中部分官能团结构信息，而X射线衍射法主要是对晶体的结构信息比较敏感，对无定形碳的结构信息揭示有限，对具体官能团不敏感。

因此，相较而言，拉曼光谱法在生物质及生物质炭结构的研究中具有特殊的优势。值得指出的是，对于生物质原样及低温热解生物质炭，激光在激发拉曼光谱的过程中同时还会产生荧光，这会对拉曼光谱的分析产生一定的影响，使得常规的拉曼光谱法对生物质原样及低温热解生物质炭的结构分析受到了一定限制。已有许多研究人员使用拉曼光谱来评价生物质炭的官能团、非晶体结构和石墨结构。生物质炭的拉曼光谱及其解析方法示例如图9-19所示。

图9-19　生物质炭的拉曼光谱及其解析方法示例

值得指出的是，目前显微共聚焦拉曼光谱还可实现计算机控制的二维平面程序扫描，这样可实现生物质及生物质炭的二维平面的化学成像分析，图9-20为生物质炭的拉曼光谱成像分析示例。目前，拉曼光谱法属于结构表征中较为先进的方法，值得研究者进一步学习使用。

图9-20　生物质炭的拉曼光谱成像分析示例

3.核磁共振（NMR）法

核磁共振谱来源于原子核能级间的跃迁。只有置于强磁场中的某些原子核能发生能级分裂，当吸收的辐射能量与核能级差相等时，原子核就发生能级跃迁而产生核磁共振信号。用一定频率的电磁波对样品进行照射，可使特定化学结构环境中的原子核实现共振跃迁，在照射扫描中记录发生共振时的信号位置和强度，就可得到核磁共振谱。核磁共振谱上的共振信号位置反映样品分子的局部结构（如官能团、分子构象等），信号强度则往往与原子核在样品中存在的量有关。核磁共振法具有精密、准确、深入物质内部而不破坏被测样品的特点。此外，核磁共振也是目前唯一能够确定生物分子溶液三维结构的实验手段。

核磁共振光谱按照测定对象不同可分为1H谱（测定对象为氢原子核）、13C谱、氟谱、磷谱、氮谱等。根据谱图可确定化合物中不同元素的特征结构。有机化合物、高分子材料都主要由碳、氢组成，所以在材料结构与性能研究中，1H谱和13C谱应用最为广泛。13C和1H谱是确定生物质及生物质炭中结构参数的有效谱图，它是探测核自旋周围微观环境的一种非破坏性分析工具。13C谱是由具有磁矩的碳同位素13C的共振推导而来的，其广泛用于煤、焦等碳基材料的结构研究，其中以煤的结构研究最为广泛。煤被认为是由通过脂肪族桥连基团连接的芳香族簇的基质，与芳香族簇相连的脂肪族和羰基侧链以及称为“流动相”的溶剂可萃取成分组成的。13C核磁共振法已用于定量分析具有12个参数的给定煤的平均碳骨架结构，这些参数描述了煤基质的芳族和脂族结构。根据这些结构参数，结合每个簇的桥头碳和芳族碳之间的经验关系，可以描述煤的晶格结构。由这些分析确定的有用结构参数包括每簇的碳原子数、每簇的桥键和环的数目、平均芳族分子团分子量和平均侧链分子量。由于氢原子对磁共振的敏感性，1H核磁共振检测技术具有光谱易于测量以及仪器便宜等特点，受到广泛关注。

生物质化合物最常用的核磁共振法是1H、13C和31p核磁共振法。例如：核磁共振法可用于分析乙酸衍生物的脂肪族羟基（乙酸信号）、酚羟基和苄醇基。类似地，lH核磁共振法可以确定丙酸衍生物中的总羟基。13C核磁共振法可用于醋酸酯衍生物中的总羟基、仲羟基、苄醇和酚类化合物的测定，这些分析是基于乙酸基团中羰基碳的信号进行的。31p核磁共振法可以选择性地用含磷试剂标记生物质化合物，以分析不同类型的羟基。羰基可以用13C核磁共振法和1H核磁共振法进行分析。不过，由于信号相当宽（特别是在1H核磁共振法中），可能会干扰其他基团的信号。31p核磁共振法可能更适合分析羰基。甲氧基可以用13C核磁共振法分析。在核磁共振光谱中，甲氧基信号与其他信号存在干扰。不过，在一定条件下（乙酸衍生物、毗啶溶液），甲氧基的含量可以粗略估计。

利用核磁共振法可分别获得生物质原料及其热解产物的化学结构以及总氢碳比（H/C）tot、芳香族氢碳比（H/C）ar和脂肪族氢碳比（H/C）al等重要分子参数。随着现代高场核磁共振仪器的信号分辨率和多维技术的发展，精准的信号解析成为可能，这为生物质及其热解所得生物质炭的产物分析提供了较好的技术手段。