使用拉曼光谱仪快速检测硫酸铵 | 量子荧光|微型光纤光谱仪-ag贵宾会

应用背景

硫酸铵（ammonium sulfate）又名硫铵，其应用极为广泛。在农业上，硫酸铵一种优良的氮肥（俗称肥田粉），适用于一般土壤和作物。在化工领域，硫酸铵能与食盐进行复分解反应制造氯化铵，与硫酸铝作用生成铵明矾以及与硼酸等一起制造耐火材料。在食品和发酵领域，硫酸铵是食品酱色的催化剂，鲜酵母生产中培养酵母菌的氮源，甚至用于啤酒酿造。在印染行业，硫酸铵被用作酸性染料染色助染剂和皮革脱灰剂。在稀土行业，硫酸铵被大量用于稀土元素的离子交换提取。在生化领域，硫酸铵可用于蛋白纯化，因为硫酸铵属于惰性物质，不易与其他生物活性物质发生反应，在纯化过程中能最大程度的保护蛋白活性，另外，硫酸铵的可溶性极好，能形成高盐环境，对于蛋白沉淀与后续的高盐纯化做准备。此外，硫酸铵也是钢铁、煤炭焦化等行业排出的工业废水里的一个检测指标。因此，对于硫酸铵浓度的检测具有重要应用意义。

测试过程与方法

硫酸铵的浓度传统检测方法有比色法，分光光度法和离子色谱法等。这些方法有的不够精确，有的需要添加辅助试剂，且容易受到其他带色成分的干扰有的则存在成本高、时间长的问题。中国江苏的一个科研团队^[1]使用海洋光学qe65000光谱仪测量了一系列不同浓度的硫酸铵样品的拉曼光谱数据。qe65000光谱仪采用高灵敏度的制冷ccd探测器，体积小巧，性能卓越。有关该光谱仪的详细参数请登录海洋光学官方网站上查询。

实验中光谱测量范围是0-2000cm^-1，积分时间为1s，平均20次；激光器中心波长是785nm，采样池为10mm石英比色皿。样品放入比色皿后，激光通过激发光纤到达光纤探头，照射样品后产生拉曼信号，再经过光纤探头收集，经过收集光纤进入光谱仪，信号扣除暗背景后得到样本原始拉曼信号。测试样品为二次去离子水和纯净的硫酸铵，配制等间隔10份溶液，物质的量浓度范围为0.1-1.0 mol/l。

下图展示了用785nm激光激发0.5mol/l硫酸铵溶液所产生的拉曼光谱图，图谱中存在明显的荧光背景信号，但从图中仍可以看出样品溶液的几个典型的拉曼特征峰，分别位于448 cm^-1，616cm^-1，980cm^-1和1104cm^-1处。并且980cm^-1相对峰值最强。硫酸铵是硫酸根与铵根离子结合而成的无机盐类。其中硫酸根又称为硫酸根离子，化学式为so₄²¯。so₄²¯离子呈正四面体结构，硫原子位于正四面体体心，4个氧原子位于正四面体四个顶点。该结构典型的受激拉曼振动模式有三种， o-s-o键弯曲振动，对应的拉曼峰为448 cm^-1和 616cm^-1；s-o键对称伸缩振动，对应的拉曼峰为980cm^-1；和s-o反对称伸缩振动，对应的拉曼峰为1104cm^-1。

图1 硫酸铵样品溶液拉曼光谱图

该科研团队^[1]进一步测试了不同浓度梯度下的980cm^-1峰值强度变化，并分析了峰面积与浓度梯度的关系。下图展示了其各个浓度样品的峰值光强。

图2 不同浓度的硫酸铵拉曼溶液的拉曼光谱图

上图显示硫酸铵溶液在980波数的拉曼特征峰强度随着浓度的增加而增强，得益于海洋光学qe65000光谱仪的宽动态范围和高信噪比，低浓度溶液拉曼信号仍能保持良好的信噪比。扣除基线后，对该拉曼特征峰面积与硫酸铵浓度进行拟合，该科研团队发现两者之间线性关系良好，下图展示了其得到的拟合结果。

图3 硫酸铵溶液的拉曼特征峰面积与浓度的拟合关系曲线

除了峰面积，峰强度与硫酸铵浓度之间也存在良好的线下关系。这意味着我们可以使用这些拉曼特征峰来定量测定硫酸铵溶液的浓度。

结果讨论

基于海洋光学便携式拉曼光谱仪检测硫酸铵溶液，设备体积小，重量轻，原理简单，操作方便。所需样品量很少，也无需添加其他任何辅助试剂，是一种绿色的分析方法，比较适合于现场快速测定，除了应用于现场废水硫酸盐检测，也可以用于化工厂硫酸盐原辅料检验与过程在线监控等。

需要注意的是，硫酸铵溶液的拉曼特征峰来自溶液中硫酸根离子，并且这些峰的位置会受化学环境、温度和压力发生改变。定量测定时，准确的标定是必须的。如果溶液中只存在硫酸铵，则可根据拉曼特征峰直接推算铵根离子浓度，若是几种硫酸盐共存，则测量得到的是总的硫酸根离子浓度。

除了硫酸盐，基于海洋光学qe光谱仪构建的便携式拉曼设备，也可以用来测定含碳酸根、硝酸根等其他无机盐类。

参考文献：

[1]孙松,蔡廷栋,刘莹,王静静,叶勇,陈尚海. 硫酸铵溶液的拉曼光谱特征及其产生机理研究[j]. 光学学报,2014,34(03):323-327. [2017-10-05].