2025年大學(xué)《化學(xué)測(cè)量學(xué)與技術(shù)》專業(yè)題庫——紅外光譜分析在化學(xué)測(cè)量中的應(yīng)用考試時(shí)間：______分鐘總分：______分姓名：______一、填空題（每空2分，共20分）1.分子振動(dòng)頻率主要取決于連接原子的______和______。2.紅外光譜中，反對(duì)稱伸縮振動(dòng)比對(duì)稱伸縮振動(dòng)具有______的紅外吸收強(qiáng)度。3.傅里葉變換紅外光譜儀（FTIR）主要利用______原理進(jìn)行信號(hào)探測(cè)。4.KBr壓片法適用于分析______的紅外光譜。5.紅外光譜中，官能團(tuán)區(qū)的典型吸收頻率范圍是______cm?1。6.在紅外定量分析中，使用內(nèi)標(biāo)法可以______樣品稱量不準(zhǔn)確帶來的誤差。7.紅外光譜法用于分析液體樣品時(shí)，常用的樣品制備方法有______和______。8.紅外光譜中，指紋區(qū)的吸收峰主要對(duì)應(yīng)于______的振動(dòng)。9.原子質(zhì)量越大，對(duì)應(yīng)的振動(dòng)頻率越______。10.紅外吸收光譜中，峰形受到分子間______和______等因素的影響。二、判斷題（對(duì)的劃“√”，錯(cuò)的劃“×”，每題2分，共20分）1.所有分子的振動(dòng)都能產(chǎn)生紅外吸收。（）2.紅外光譜儀的光源通常是能產(chǎn)生連續(xù)光譜的熾熱體。（）3.ATR法是一種無需預(yù)處理即可直接分析固體樣品的技術(shù)。（）4.紅外光譜的定量分析方法與可見分光光度法完全相同。（）5.相比色散型紅外光譜儀，F(xiàn)TIR具有更高的分辨率和更好的靈敏度。（）6.紅外光譜法可以用于測(cè)定高聚物的分子量。（）7.紅外光譜圖中的吸收峰強(qiáng)度僅與樣品濃度有關(guān)。（）8.基頻峰的強(qiáng)度通常比倍頻峰的強(qiáng)度強(qiáng)。（）9.紅外光譜法是分析氣體污染物常用的在線監(jiān)測(cè)技術(shù)之一。（）10.紅外光譜法能夠有效區(qū)分結(jié)構(gòu)相似的化合物。（）三、簡(jiǎn)答題（每題5分，共25分）1.簡(jiǎn)述紅外光譜法測(cè)定樣品含量的基本原理。2.與KBr壓片法相比，ATR法分析固體樣品有哪些優(yōu)點(diǎn)？3.解釋紅外光譜中官能團(tuán)區(qū)（4000-1500cm?1）和指紋區(qū)（1500-400cm?1）的名稱及其主要吸收特征。4.在進(jìn)行紅外光譜定量分析時(shí)，選擇合適的基準(zhǔn)物或內(nèi)標(biāo)物應(yīng)考慮哪些因素？5.簡(jiǎn)述紅外光譜法在食品安全檢測(cè)中可以應(yīng)用的具體方面。四、計(jì)算題（共15分）某實(shí)驗(yàn)測(cè)定某有機(jī)化合物樣品的紅外光譜，測(cè)得某特征吸收峰的吸光度為0.250，已知該吸收峰對(duì)應(yīng)的摩爾吸光系數(shù)（ε）為1.2×103L/(mol·cm)，樣品溶液的濃度為0.1g/mL，樣品在溶液中的摩爾濃度（M）為0.02mol/L，樣品池光程（b）為1.0cm。請(qǐng)計(jì)算該樣品中該物質(zhì)的含量（以g/100g樣品表示，假設(shè)樣品干燥后質(zhì)量為100g，且該物質(zhì)在樣品中分布均勻）。五、論述題（共20分）結(jié)合你所學(xué)的知識(shí)，論述紅外光譜法在化學(xué)過程分析（PAT）中的應(yīng)用潛力、面臨的主要挑戰(zhàn)以及可能的解決方案。試卷答案一、填空題1.原子質(zhì)量；鍵力常數(shù)2.強(qiáng)3.干涉儀4.對(duì)不透明固體粉末5.40006.消除7.溶液法；薄膜法8.振動(dòng)模式9.低10.振動(dòng)；轉(zhuǎn)動(dòng)二、判斷題1.×2.√3.√4.×5.√6.×7.×8.√9.√10.√三、簡(jiǎn)答題1.解析思路：紅外光譜定量分析基于朗伯-比爾定律（A=εbc）。樣品吸收紅外光的程度（吸光度A）與其濃度（c）成正比。通過測(cè)量樣品的吸光度，利用已知濃度的標(biāo)準(zhǔn)樣品建立工作曲線（吸光度-濃度關(guān)系），或使用內(nèi)標(biāo)法、基準(zhǔn)物法等，可以計(jì)算出未知樣品的濃度或含量。2.解析思路：ATR法無需將樣品制成透明薄片，可直接分析固體、液體甚至粉末樣品，操作簡(jiǎn)便快速；樣品制備過程對(duì)樣品本身影響小，不易引起樣品變性；光程長(zhǎng)，靈敏度高；無需復(fù)雜的樣品前處理。3.解析思路：官能團(tuán)區(qū)（4000-1500cm?1）：包含各種官能團(tuán)的特征振動(dòng)吸收峰，如X-H伸縮振動(dòng)（O-H,N-H,C-H）、三鍵區(qū)的C≡C,C≡N伸縮振動(dòng)、雙鍵區(qū)的C=C伸縮振動(dòng)等，這些峰的位置和強(qiáng)度對(duì)分子結(jié)構(gòu)有明確指示作用，是定性分析的主要依據(jù)。指紋區(qū)（1500-400cm?1）：主要包含鍵合振動(dòng)（如C-H彎曲、C-C彎曲、C-O彎曲等）和部分低頻的伸縮振動(dòng)，由于振動(dòng)頻率相近且相互疊加，譜圖復(fù)雜如“指紋”一樣，對(duì)分子結(jié)構(gòu)具有獨(dú)特的“指紋”識(shí)別功能，常用于確證化合物結(jié)構(gòu)或比較樣品的純度。4.解析思路：選擇基準(zhǔn)物或內(nèi)標(biāo)物應(yīng)考慮：①化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，不與樣品發(fā)生反應(yīng)；②在測(cè)定條件下能保持定量吸收或釋放特征信號(hào)；③其特征吸收峰不與樣品的吸收峰重疊或盡量少重疊；④易于獲得純品，且純度足夠高；⑤摩爾吸光系數(shù)（ε）較大，以保證有足夠的靈敏度；⑥內(nèi)標(biāo)法中，內(nèi)標(biāo)物應(yīng)與樣品在樣品基體中有相似的行為。5.解析思路：紅外光譜法在食品安全檢測(cè)中應(yīng)用廣泛，例如：①農(nóng)藥殘留檢測(cè)（如水果蔬菜中有機(jī)磷、氨基甲酸酯類農(nóng)藥）；②獸藥殘留檢測(cè)（如肉類中抗生素、激素）；③食品添加劑檢測(cè)（如防腐劑、色素、甜味劑）；④食品成分分析（如脂肪、蛋白質(zhì)、淀粉、水分含量估算）；⑤摻假鑒別（如牛奶中是否摻水、蜂蜜中是否摻糖漿）；⑥轉(zhuǎn)基因食品鑒別等。四、計(jì)算題解析思路：1.根據(jù)朗伯-比爾定律A=εbc，先計(jì)算樣品溶液的摩爾濃度M?。A=0.250,ε=1.2×103L/(mol·cm),b=1.0cmM?=A/(εb)=0.250/(1.2×103×1.0)mol/L=2.08×10??mol/L2.已知樣品在溶液中的摩爾濃度M=0.02mol/L，溶液濃度為0.1g/mL。3.計(jì)算樣品溶液的質(zhì)量分?jǐn)?shù)（w）：w=M?×MolarMass×1000/(溶液濃度×V)其中，MolarMass為待測(cè)物質(zhì)摩爾質(zhì)量，V為溶液體積（通常視為1mL，則分母中的V=1mL）。但題目中未給出待測(cè)物質(zhì)的摩爾質(zhì)量。通常這類題目會(huì)隱含該摩爾質(zhì)量，或假設(shè)已知。若題目本身僅要求計(jì)算含量，可能存在簡(jiǎn)化或未給出完整數(shù)據(jù)。按常規(guī)，需補(bǔ)充摩爾質(zhì)量。假設(shè)該物質(zhì)的摩爾質(zhì)量為MolarMassg/mol（此為計(jì)算所需，題目未提供）。w=(2.08×10??mol/L)×(MolarMassg/mol)×1000/(0.1g/mL×1mL)w=2.08×MolarMassg/100g樣品4.題目假設(shè)樣品干燥后質(zhì)量為100g，則最終含量即為計(jì)算出的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。含量=2.08×MolarMassg/100g樣品（注：由于題目未提供待測(cè)物的摩爾質(zhì)量，最終結(jié)果以MolarMass表示。實(shí)際考試中必須提供該數(shù)據(jù)才能完成計(jì)算。）五、論述題解析思路：1.應(yīng)用潛力：*過程監(jiān)測(cè)：FTIR結(jié)合ATR等探頭可實(shí)現(xiàn)在線、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)化學(xué)反應(yīng)進(jìn)程，如反應(yīng)物/產(chǎn)物濃度變化、中間體生成、pH變化、熔點(diǎn)變化等，有助于優(yōu)化工藝參數(shù)、提高產(chǎn)品質(zhì)量和收率。*質(zhì)量控制：可在線檢測(cè)原料純度、產(chǎn)品成分、水分含量、有無雜質(zhì)等，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程的自動(dòng)化質(zhì)量控制。*安全與環(huán)境：可用于在線監(jiān)測(cè)排放氣體中的有害物質(zhì)濃度（如VOCs、SOx、NOx），或檢測(cè)泄漏源。*無需標(biāo)定：相比色譜等需要標(biāo)定物的技術(shù)，紅外（特別是ATR）有時(shí)可直接監(jiān)測(cè)純物質(zhì)或與純物質(zhì)響應(yīng)相關(guān)的參數(shù)，減少標(biāo)定工作。*多參數(shù)檢測(cè)：一次測(cè)量可同時(shí)獲得多個(gè)組分的信息（如通過峰高、峰面積、峰位、峰形分析）。2.主要挑戰(zhàn)：*光譜重疊：復(fù)雜體系（如多組分混合物、聚合物）中，吸收峰可能重疊嚴(yán)重，導(dǎo)致定量分析困難或無法進(jìn)行準(zhǔn)確定性。*基質(zhì)效應(yīng)：樣品基體成分對(duì)紅外信號(hào)有干擾，影響分析準(zhǔn)確性。特別是ATR法，樣品表面狀態(tài)和周圍介質(zhì)影響較大。*靈敏度限制：對(duì)于低濃度組分，紅外光譜的靈敏度可能不如色譜-質(zhì)譜聯(lián)用等技術(shù)。*化學(xué)計(jì)量學(xué)復(fù)雜性：從原始光譜數(shù)據(jù)到獲得有用信息需要復(fù)雜的算法和模型（如多元校正），對(duì)分析人員的技術(shù)要求較高。*樣品狀態(tài)依賴：不同的樣品形態(tài)（固體、液體、氣體）需要不同的預(yù)處理或測(cè)量技術(shù)（KBr、ATR、溶液、氣體池），在線應(yīng)用時(shí)樣品狀態(tài)變化可能影響結(jié)果。3.可能的解決方案：*提高分辨率/光譜編輯：使用高分辨率FTIR，或結(jié)合化學(xué)計(jì)量學(xué)方法（如因子分析、主成分回歸）處理光譜，消除部分重疊，提取有用信息。*優(yōu)化樣品接口：對(duì)于ATR法，選擇合適的ATR探頭（金剛石、ZnSe等）和增加光程（如使用衰減全反射ATR）來提高靈敏度，并研究改善表面接觸、減少基質(zhì)效應(yīng)的方法。*發(fā)展新型傳感器：研發(fā)具有更