关于伽马透射技术与拉曼光谱法在溶液浓度定量分析中的比较研究

《Measurement》：A comparative study of the gamma transmission technique and Raman spectroscopic method for quantifying solution concentrations

　　

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  在相同条件下，对伽马射线传输（GT）和拉曼光谱技术进行了对比测试。
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  使用相对误差（RU）和相对偏差（RD）对测量结果的可靠性进行了量化。
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  59.54 keV的光子产生了最可靠的GT测量结果。
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  拉曼光谱技术仅适用于葡萄糖的定量分析。
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  确定了两种方法可靠应用的浓度范围。

引言

准确测量溶液浓度对于各种工业领域的质量控制至关重要。例如，在食品和化学工业中，监测盐和糖等常见成分的浓度对于确保产品一致性和符合生产标准非常重要。因此，需要可靠的分析技术来支持常规过程控制和整体质量评估。

传统上，溶液浓度是通过化学和电分析技术来测定的，每种技术都有其特定的优势和局限性。滴定法在受控条件下具有较高的准确性，适用于多种样品类型，但耗时且需要消耗试剂，同时容易受到操作者影响，这限制了其自动化程度[1],[2]。离子选择性电极电位法可以实时测量离子活性，但严重依赖于校准的准确性和操作条件，由于漂移和污染等因素需要定期维护[3],[4]。电导法是一种快速且低成本的方法，可用于估算总离子含量，但由于缺乏化学选择性且对温度变化敏感，需要补偿才能实现准确定量[5]。因此，尽管这些传统技术仍适用于实验室分析，但它们在完全自动化和非破坏性的过程监测中的应用受到限制，这促使人们探索替代的非破坏性方法。

光谱技术，包括紫外-可见（UV-Vis）、近红外（NIR）和拉曼光谱，被广泛用于无标记、非破坏性的定量分析，样品制备简单，且易于集成到在线分析系统中。UV-Vis光谱依赖于比尔-朗伯定律描述的电子吸收来进行基于校准的分析物定量。然而，许多无机和有机溶质在この波段基本无吸收，通常需要衍生化处理或使用其他方法[6],[7]。相比之下，NIR光谱（约800-2500 nm）可以探测X-H键的倍频和组合振动，能够快速对固体、液体和浆料进行定性和定量评估，尤其是与其他化学计量方法结合使用时[8]。NIR光谱常用于食品和农产品质量检测以及过程监控。但由于NIR吸收的弱性和高度重叠性，其分子特异性有限，因此在对复杂混合物进行准确定量时通常需要仔细的多变量校准[9],[10]。

与UV-Vis和NIR技术相比，拉曼光谱（RS）提供了受水影响最小的独特分子振动特征。这一特性使得在水环境中能够进行更精确的测量，而在水中，中红外吸收会限制UV-Vis方法的使用，后者通常依赖于有色团或需要衍生化处理[11],[12]。在UV-Vis光谱中，浓度估计依赖于电子跃迁，对于非吸收性溶质无效[13]。相比之下，NIR测量来自宽且重叠的倍频和组合带，这些带受基质效应和温度的影响较大，从而增加了分析物识别的复杂性。因此，准确定量严重依赖于多变量化学计量校准，这限制了特异性并妨碍了校准的转移[14]。与这些光谱技术不同，拉曼光谱提供了结构明确的振动带，从而实现了更可靠的定量。单个峰的高度或面积与分析物浓度成正比[15],[16]。一般来说，当溶质具有明显的拉曼特征或在溶剂光谱中引起稳定的、可测量的扰动时，拉曼光谱可以实现无损、无试剂的定量，且样品处理要求较低。因此，在线或过程分析中，特别是在水系统中，拉曼光谱通常比UV-Vis和NIR方法更受欢迎[12]。

除了光谱技术外，使用伽马射线仪也是一种非接触式的解决方案特性表征方法，它利用了人们熟知的光子-物质相互作用。伽马射线系统可以配置为透射或散射测量模式，通过测量透射光子的衰减或康普顿散射光子的强度来确定液体密度或浓度等参数。先前的研究表明，伽马射线透射和散射测量可用于确定液体密度和估计酸浓度（如硫酸）[17],[18],[19]。在光学访问受限或样品透明度较差的情况下，基于伽马射线的测量具有实际优势。然而，伽马射线测量也存在某些实际限制，因为其灵敏度可能不足以检测微小的浓度变化。

之前的研究已经证明，伽马射线透射（GT）和拉曼光谱（RS）都能用于测定液体溶液中的溶质浓度。然而，在相同实验条件下直接比较这两种技术的分析性能仍然缺乏，这使得很难评估它们的相对优势和局限性。此外，伽马射线光子能量对GT定量性能的影响也尚未得到充分研究。为了解决这些问题，本研究在59.54和661.7 keV的光子能量下比较了GT和RS的性能，使用相同的氯化钠和葡萄糖溶液作为测试对象。采用基于测量准确性、不确定性、检测能力和定量能力的统一评估框架，为两种技术提供了定量基准。该研究还探讨了光子能量对GT性能的影响，并帮助确定了每种技术针对所研究溶液的适用性。

章节摘录

测量原理

在GT技术中，溶质浓度是通过光子衰减来推断的，而光子衰减与溶液的质量密度有可预测的依赖关系。浓度的变化会导致密度的相应变化，从而改变光子束在到达探测器之前的衰减程度。探测器处测量的光子强度由主光束和源自小角度康普顿散射的次要成分组成。

实验设置

拉曼光谱是在90°散射配置下使用二极管泵浦的固态（DPSS）激光器（Newport，美国）收集的，激光器工作波长为532 nm，输出功率约为172 mW，如图6a和6b所示。经过两小时的预热并持续风扇冷却后，激光输出稳定下来，功率波动在±1.8%以内。这种配置最小化了背景噪声并抑制了强烈的瑞利散射成分。

GT技术和RS的校准曲线

图10和图11显示了两种光子能量（59.54 keV和661.7 keV）下氯化钠和葡萄糖溶液的lnR拟合结果。在所有情况下，拟合结果都非常吻合，决定系数R2均超过0.997。这些结果强烈支持理论推导，该推导得出了强式方程（9），该方程预测lnR与浓度呈二次方关系。尽管两种校准方法都表现良好，

结论

本研究在相同实验条件下评估了三种技术——GT-59.54、GT-661.7和RS——用于测定氯化钠和葡萄糖溶液的浓度。实验和分析结果表明，59.54 keV的低能量伽马射线传输是一种可靠且稳健的方法，适用于确定这两种溶液的浓度范围。虽然拉曼光谱

CRediT作者贡献声明

Nguyen Thanh Dat： 方法学、调查、正式分析、撰写及审稿编辑。 Tran Trung Nguyen： 正式分析。 Tran Vu Thien An： 正式分析。 Vo Diep Trung Tin： 正式分析。 Nguyen Huynh Duy Khang： 验证。 Huynh Dinh Chuong： 资源协调。 Tran Thien Thanh： 软件开发。 Hoang Thi Kieu Trang： 撰写及审稿编辑。 Hoang Duc Tam： 构思、方法学、正式分析、项目管理、资源协调、初稿撰写及审稿编辑。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能会影响本文的报告内容。

致谢

无。

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