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拉曼光谱技术的工业应用实例

放大字体  缩小字体 发布日期:2018-01-13
  【中国仪器网 行业应用】工业各部门都面临不断改进产品质量的要求,特别在流程工业的过程控制中,传统的在线测量与控制的变量往往仅限于温度、压力和流量等,对过程中化学成分和许多物性变量仍不能进行有效的连续测量,这些却是表征生产状况重要的,甚至是决定性的指标参数,因而严重影响了成品的质量和产率。
 
  1928年印度物理学家Raman发现拉曼散射效应后,由于散射光强度弱以及激发光源能量低等困难,在相当长的一段时间内未能成为实用性的工具。60年代激光问世后,拉曼光谱仪开始成为一种商业化仪器。通过拉曼光谱可检测出物质的结构成分及其相关的性质。
 
  目前,拉曼光谱仪已走出了实验室研究,在材料加工、化工、石油、高分子、生化反应工程等领域的过程实时检测和控制中,发挥着重要作用。
 
  工业应用实例
 
  反应过程的实时监测
 
  拉曼光谱分析技术以检测速度快,并能实时获取详细的化学信息等特点,越来越多地被用于连续或间歇反应过程控制。随光纤技术的引入,使测试人员远离危险工作现场,实现远距离取样分析。Dao等的实验室展示了拉曼光纤探针方法用于远程、在位多成分检测的可能性。生化反应过程中,离线检测信息通常具有滞后性,不能准确描述反应的实时过程,而且繁琐的取样分离过程使结果产生误差。Lee等利用拉曼光谱仪在生化反应器中同时测定了葡萄糖、醋酸纤维素、甲酸盐和苯基丙氨酸等多组分浓度。
 
  高分子聚合过程及材料科学
 
  全世界大约有10 %~15 %的高分子产品都采用乳液聚合的方法合成,包括工业中广泛应用的ABS工程塑料,聚乙烯和多乙酸乙烯酯等。这些都是由高浓度的固体悬浊液制成,其中的主要成分中含有不饱和碳碳双键。对这类反应体系的实时监测成为了一些光谱分析的难题(如NIR),而拉曼光谱分析技术却适用于此。Bauer等运用FT-Raman光谱和非接触式光纤探针结合的测量系统,测定了苯乙烯单体在乳液聚合反应中的浓度变化情况。Wenz研究了用拉曼光谱分析技术监测ABS生产的接枝共聚过程,确定了恰当的反应终点。McCaffery讨论了低分辨率拉曼光谱仪直接对小批量生产的间歇乳液聚合反应监测的应用。
 
  石油化工的在线分析
 
  采用Raman光谱结合化学计量学方法快速测定油品的物化参数的研究几乎与NIR方法同期进行,如汽油的辛烷值、蒸气压、苯含量、氧含量和密度,柴油的十六烷值和十六烷值指数,重油的API度,石脑油中的族组成和密度、以及芳烃抽提中的BTEX和二甲苯异构体含量等,因拉曼光谱通常对芳烃族化合物有较强的吸收,且能够分辨出不同分子的精细结构,因此,Raman测定二甲苯异构体含量的精度要优于NIR光谱方法,除重油因荧光干扰外,其他轻质油品各参数的测定结果与NIR方法相当。
 
  拉曼光谱具有在线分析油品主要性质参数的潜力。迄今为止,有文献报道成功采用CCD色散拉曼光谱仪在C8芳烃分离过程中进行实时监测。
 
  制药工业
 
  药物粉末混合过程监测是制药过程质量控制的一个重要研究内容,传统的通过人工采样并分离组分的实验室方法不但效率低,而且容易引入杂质污染,这类过程需要应用现场光谱的无损伤检测技术。与近红外光谱类似,拉曼光谱在制药过程控制分析的重要应用包括混合度和活性成分含量,颗粒度控制及包衣过程中膜的厚度测量,但由于拉曼光谱图中尖锐的峰形,可用此特性进行识别(MSD方法),以减轻使用化学计量学工具校正的负担。
 
  食品生产行业
 
  食品行业中,拉曼光谱在糖类、蛋白质、脂肪、维生素和色素等生产的在线快速检测和质量控制方面发挥着重要的作用。
 
  目前,拉曼光谱仪的进展和工业应用的需要使之在过程分析和质量控制中的应用成为企业和研究工作者共同关注的热点,特别是表面增强拉曼散射(SERS)效应极大推动了拉曼光谱技术在众多领域的应用。随激光技术的发展和检测装置的改进,用于在线监测的拉曼光谱分析技术必将在现代工业生产中得到越来越广泛的应用。
 
 
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