Prospects of application of the method of modeling absorption band profiles based on the Gaussian function for the analysis of infrared spectra of wood

Mayorova T.L., Kamalova N.S., Matveyev N.N., Lisitsyn V.I., Vnukova S.V., Evsikova N.Y.

For Russian citation (Opticheskii Zhurnal):

Майорова Т.Л., Камалова Н.С., Матвеев Н.Н., Лисицын В.И., Внукова С.В., Евсикова Н.Ю. Перспективы применения метода моделирования профилей полос поглощения на основе функции Гаусса для анализа инфракрасных спектров древесины // Оптический журнал. 2026. Т. 93. № 7. С. 101–109. DOI: 10.17586/1023-5086-2026-93-07-101-109

Mayorova T.L., Kamalova N.S., Matveev N.N., Lisitsyn V.I., Vnukova S.V., Evsikova N.Yu. Prospects of application of the method of modeling absorption band profiles based on the Gaussian function for the analysis of infrared spectra of wood [in Russian] // Opticheskii Zhurnal. 2026. V. 93. № 7. P. 101–109. DOI: 10.17586/1023-5086-2026-93-07-101-109

For citation (Journal of Optical Technology):

Abstract:

Scope of research. The possibilities of the method of formalized modeling of absorption band profiles based on the Gaussian function for the interpretation of infrared spectra of micro-sections of pine wood of different moisture content. The purpose of the work. Development of a physico-mathematical method for absorption bands that enables unambiguous interpretation of infrared spectra of complex composition materials. Method. The absorption band profiles of the samples are modeled by the Gaussian function. The parameters of the Gaussian curves are determined by optimizing the Nash–Sutcliffe efficiency criterion. The modeling results are compared with literature data for pine wood. Main results. The proposed method was used to analyze the infrared spectra of micro-sections of pine wood with varying moisture content in the region of hydroxyl groups. This method allows determining all parameters of elementary absorption bands regardless of their overlap. It has been quantitatively shown that during the drying of the sample, the absorption band of valence vibrations of hydroxyl groups decreases in width and shifts toward lower values of the wave number. The change in the relative intensity of the band with decreasing sample moisture content indicates a redistribution of vibrational energy among different functional groups. Practical significance. The developed method for modeling absorption band profiles is a promising tool for obtaining information on the degree of humidity influence on the redistribution of vibrational energy in the wood microstructure and can be adapted to analyze other types of biocomposites.

Keywords:

infrared spectra, absorption, Gaussian curves method, pine wood microstructure

Acknowledgements:

this work was supported by the local grant of Voronezh State Forest Engineering University named after G. F. Morozov

OCIS codes: 070.4790, 300.6340, 160.4890, 300.1030

References:

1. Новиков А.И., Саушкин В.В. Исследование спектрометрических параметров семенной кожуры сосны обыкновенной в ИК-диапазоне // Лесотехнический журнал. 2018. Т. 8. № 3(31). С. 6–15. DOI: 10.12737/article_5b97a164e41782.20107217

Novikov A.I., Saushkin V.V. Study of spectrometric parameters of Scots pine seed coat in the IR range [in Russian] // Forestry J. 2018. V. 8. № 3(31). P. 6–15. DOI: 10.12737/article_5b97a164e41782.20107217

2. Popescu M.-C., Popescu C.-M., Lisa G., et al. Evaluation of morphological and chemical aspects of different wood species by spectroscopy and thermal methods // J. Mol. Struct. 2011. V. 988. № 1–3. P. 65–72. DOI: 10.1016/j.molstruc.2010.12.004

3. Dongliang Zh., Haibiao Yu, Xiuchun B., et al. Effects of removal of extractives on the chemical composition and mechanical properties of wood // BioResourses. 2020. V. 15. № 4. P. 8631–8647. DOI: 10.15376/biores.15.4.8631-8647

4. Шишелова Т.И., Колодезникова А.Н., Шульга В.В. Метод ИК-спектроскопии как метод оценки сортности минерального сырья // Фундаментальные исследования. 2015. Т. 15. № 2. С. 3294–3298.

Shishelova T.I., Kolodeznikova A.N., Shulga V.V. The method of IR spectroscopy as a method for assessing the grade of mineral raw materials [in Russian] // Fundamental Research. 2015. V. 15. № 2. P. 3294–3298.

5. Orunbaev A. Применение методов ИК-спектроскопии в медицине // Sci. and Education. 2021. Т. 2. № 4. С. 215–220.

Orunbaev A. Application of IR spectroscopy methods in medicine [in Russian] // Sci. and Education. 2021. V. 2. № 4. P. 215–220.

6. Жданок С.А., Полонина Е.Н., Леонович С.Н. Исследование методом ИК-спектроскопии степени активации углеродных наноматериалов для модифицирования конструкционного бетона // Строительные материалы. 2020. № 7. С. 49–53. DOI: 10.31659/0585-430X-2020-782-7-49-53

Zhdanok S.A., Polonina E.N., Leonovich S.N. Study of the degree of activation of carbon nanomaterials for modifying structural concrete using IR spectroscopy [in Russian] // Construction Materials. 2020. № 7. P. 49–53. DOI: 10.31659/0585-430X-2020-782-7-49-53

7. Казаченко Ал.С., Казаченко А.С., Чаплыгина И.А. и др. Применение ИК-спектроскопии в анализе зерна (обзор) // Вестник КрасГАУ. 2019. № 9(150). С. 134–142.

Kazachenko Al.S., Kazachenko A.S., Chaplygina I.A., et al. Application of IR spectroscopy in grain analysis (review) [in Russian] // Vestnik KrasGau. 2019. № 9(150). P. 134–142.

8. Himmelsbach D.S., Khahili S., Akin D.E. Near-infrared-Fourier-transform-Raman microspectroscopic imaging of flax stems // Vib. Spectrosc. 1999. V. 19. № 2. P. 361–367. DOI: 10.1016/S0924-2031(98)00065-4

9. Gholizadeh H., Naserian A.A., Xin H., et al. Detecting carbohydrate molecular structural makeup in different types of cereal grains and different cultivars within each type of grain grown in semi-arid area using FTIR spectroscopy with uni- and multi-variate molecular spectral analyses // Anim. Feed Sci. Technol. 2014. V. 194. P. 136–144. DOI: 10.1016/j.anifeedsci.2014.05.007

10. Amir R.M., Anjum F.M., Khan M.I., et al. Application of Fourier transform infrared (FTIR) spectroscopy for the identification of wheat varieties // J. Food Sci. Technol. 2013. V. 50. P. 1018–1023. DOI: 10.1007/s13197-011-0424-y

11. Фалёва А.В., Белесов А.В., Кожевников А.Ю. Изучение химической структуры лигнина камнеломки супротивнолистной (Saxifrágaoppositifólia L.) методами ИК- и ЯМР-спектроскопии // Лесной вестник. 2020. Т. 24. № 2. С. 111–118. DOI: 10.18698/2542-1468-2020-2-111-118

Faleva A.V., Belesov A.V., Kozhevnikov A.Yu. Study of the chemical structure of lignin of Saxifragaoppositifólia L. by IR and NMR spectroscopy [in Russian] // Forestry Bulletin. 2020. V. 24. № 2. P. 111–118.

12. Романчук Н.И., Грехова И.В. Использование метода ИК-спектроскопии в исследованиях структуры модифицированного лигнина // Аграрный вестник Урала. 2008. № 6(48). С. 40–42.

Romanchuk N.I., Grekhova I.V. Use of IR spectroscopy method in studies of modified lignin structure [in Russian] // Agrarian Bulletin of the Urals. 2008. № 6(48). P. 40–42.

13. Тютькова Е.А., Лоскутов С.Р., Шестаков Н.П. ИК-спектроскопия древесины индивидуальных годичных слоев larixgmelinii (Rupr.) // Хвойные бореальной зоны. 2017. Т. 35. № 3–4. С. 61–67.

Tyut’kova E.A., Loskutov S.R., Shestakov N.P. IR spectroscopy of wood of individual annual rings of larixgmelinii (Rupr.) [in Russian] // Conifers of the Boreal Zone. 2017. V. 35. № 3–4. P. 61–67.

14. Закис Г.Ф., Можейко Л.Н., Телышева Г.М. Методы определения функциональных групп лигнина. Рига: Зинатне, 1975. 174 с.

Zakis G.F., Mozheiko L.N., Telysheva G.M. Methods for determining functional groups of lignin [in Russian]. Riga: “Zinatne” Publ., 1975. 174 p.

15. Фенгел Д., Вегенер Г. Древесина (химия, ультраструктура, реакции) / Пер. с англ. Оболенской А.В., Ельницкой 3.П. под ред. Леоновича А.А. М.: Лесная промышленность, 1988. 512 с.

Fengel D., Wegener G. Wood (chemistry, ultrastructure, reactions). Berlin: Walter de Gruyter, 1979. 626 р.

16. Бардин Б.В. Способ деконволюции спектрометрической информации и обнаружения спектральных пиков // Научное приборостроение. 2017. Т. 27. № 2. С. 75–82. DOI: 10.18358/np-27-2-i7582

Bardin B.V. Method for deconvolution of spectrometric information and detection of spectral peaks [in Russian] // Scientific Instrument Making. 2017. V. 27. № 2. P. 75–82.DOI: 10.18358/np-27-2-i7582

17. Sugii S., Fujimoto T., Tsutsumi H., et al. Dynamic behavior of wood chemical components under drying process measured by near infrared spectroscopy // JNIRS. 2017. V. 25. P. 400–406. DOI: 10.1177/0967033517733379

18. Камалова Н.С., Саушкин В.В., Евсикова Н.Ю. Анализ ИК-спектрограмм древесины методом моделирования формы полос поглощения // Сорбционные и хроматографические процессы. 2021. Т. 21. № 1. С. 86–91. DOI: 10.17308/sorpchrom.2021.21/3223

Kamalova N.S., Saushkin V.V., Evsikova N.Yu. Analysis of IR spectrograms of wood by modeling the shape of absorption bands [in Russian] // Sorption and Chromatographic Processes. 2021. V. 21. № 1. P. 86–91. DOI: 10.17308/sorpchrom.2021.21/3223

19. Романов Н.М., Захарова И.Б., Ляхдеранта Е. Диагностика тонких плёнок фуллерен/теллурид кадмия и их стабильности под действием рентгеновского излучения методом ИК спектроскопии // Оптический журнал. 2017. Т. 84. № 12. С. 50–55.

Romanov N.M., Zakharova I.B., Lähderanta E. Characterization of thin fullerene/cadmium telluride films and their stability under X-ray radiation by IR spectroscopy // J. Opt. Technol. 2017. V. 84. № 12. P. 833–837. DOI: 10.1364/JOT.84.000833

20. Пожидаев В.М., Ретивов В.М., Панарина Е.И. и др. Разработка метода идентификации породы древесины в археологических материалах методом ИК-спектроскопии // Журнал аналитической химии. 2019. T. 74. № 12. С. 911–921

Pozhidaev V.M., Retivov V.M., Panarina E.I., et al. Development of a method for identifying wood species in archaeological materials using IR spectroscopy [in Russian] // J. Analyt. Chem. 2019. V. 74. № 12. P. 911–921

21. Nash J.E., Sutcliffe J.V. River flow forecasting through conceptual models part I-A discussion of principles // J. Hydrology. 1970. V. 10. № 3. P. 282–290. DOI: 10.1016/0022-1694(70)90255-6

22. Котлярова И.А. ИК-спектроскопия древесины сосны, березы и дуба, модифицированной моно-этанол-амин (N → B) тригидроксиборатом // Химия растительного сырья. 2019. № 2. С. 43–49. DOI: 10.14258/jcprm.2019024609

Kotlyarova I.A. IR spectroscopy of pine, birch and oak wood modified with monoethanolamine (N → B) trihydroxyborate [in Russian] // Chemistry of Plant Raw Materials. 2019. № 2. P. 43–49.