傅里葉變換紅外光譜技術(shù)的應(yīng)用及進(jìn)展

摘要傅里葉變換紅外光譜技術(shù)（FTIR）具有掃描速度快、分辨率和靈敏度較高的優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于機(jī)理研究、性能表征、成分檢測(cè)等研究領(lǐng)域。根據(jù)不同的檢測(cè)需求，研究者們?cè)谑褂酶道锶~變換紅外光譜技術(shù)時(shí)也作了相應(yīng)的調(diào)整和優(yōu)化。本文簡(jiǎn)單介紹了傅里葉變換紅外光譜技術(shù)的原理，重點(diǎn)總結(jié)了近年來(lái)FTIR技術(shù)在各研究領(lǐng)域的應(yīng)用現(xiàn)狀。并指出與其他分析技術(shù)聯(lián)用、建立數(shù)學(xué)模型以及標(biāo)準(zhǔn)化是除提升儀器自身精度外，提高FTIR測(cè)量準(zhǔn)確度的發(fā)展趨勢(shì)，這為FTIR在相關(guān)領(lǐng)域的研究和應(yīng)用提供了參考。引言傅里葉變換紅外光譜技術(shù)（FTIR）主要是把干涉條紋的圖像信息轉(zhuǎn)換為離散的數(shù)字量，再進(jìn)行傅里葉變換得到被檢測(cè)樣品的紅外光譜的技術(shù)。光源發(fā)出的光被分束器分為兩束,一束經(jīng)透射到達(dá)動(dòng)鏡，另一束經(jīng)反射到達(dá)定鏡，兩束光被反射回分束器。因?yàn)閯?dòng)鏡做恒速直線運(yùn)動(dòng)，兩束光形成光程差后產(chǎn)生干涉。通過(guò)樣品池后，含有樣品信息的干涉光到達(dá)檢測(cè)器，通過(guò)傅里葉變換對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理后得到紅外光譜圖。與其他技術(shù)相比，傅里葉變換紅外光譜技術(shù)（FTIR）具有較高的檢測(cè)靈敏度和分辨率、測(cè)量速度較快、散光低以及波段寬等優(yōu)點(diǎn)。在不損壞樣品的情況下，能同時(shí)對(duì)多種物質(zhì)進(jìn)行定性定量分析，被廣泛應(yīng)用于機(jī)理研究，性能表征，成分檢測(cè)等眾多研究領(lǐng)域。目前已經(jīng)有很多文獻(xiàn)對(duì)FTIR技術(shù)在生化、食品、材料和地質(zhì)礦物等研究領(lǐng)域的應(yīng)用進(jìn)展作了總結(jié)?？偨Y(jié)了FTIR技術(shù)結(jié)合化學(xué)計(jì)量學(xué)在分析流體中生物分子的應(yīng)用進(jìn)展，表明FTIR技術(shù)是一種能夠快速識(shí)別特定生物分子的變化篩選疾病的方法，在臨床醫(yī)學(xué)中有巨大的應(yīng)用潛能?？偨Y(jié)了FTIR技術(shù)在分析白血病細(xì)胞的生化特征中的應(yīng)用，凸顯了FTIR技術(shù)在鑒定白血病細(xì)胞以及收集白血病細(xì)胞光譜信息的研究中的卓越性能。陳佳等[5]綜述了近年來(lái)FTIR技術(shù)在食用油質(zhì)量檢測(cè)中的研究進(jìn)展，重點(diǎn)總結(jié)了數(shù)據(jù)處理、消除背景效應(yīng)等操作在譜圖分析中的應(yīng)用，為FTIR技術(shù)在食用油質(zhì)量檢測(cè)方面的應(yīng)用提供參考。討論了熱重-傅里葉變換紅外光譜聯(lián)用技術(shù)（TG-FTIR）在高能材料表征中的應(yīng)用，與常規(guī)技術(shù)相比，聯(lián)用技術(shù)能夠獲取更全面的信息，具有更好的可重復(fù)性，表明TG-FTIR技術(shù)在研究高能材料特性的應(yīng)用中極具優(yōu)越性。在FTIR技術(shù)的綜述中表明在表征建筑材料時(shí)便攜式傅里葉變換紅外光譜儀比X射線熒光（XRF）技術(shù)具有更高的準(zhǔn)確性和安全性?？偨Y(jié)了FTIR技術(shù)在地質(zhì)科學(xué)領(lǐng)域的最新應(yīng)用，綜述表明FTIR成像技術(shù)具備可視化地質(zhì)樣品中微米級(jí)有機(jī)物和礦物分布的能力，為增進(jìn)對(duì)富含有機(jī)碳的煤和頁(yè)巖的了解提供了技術(shù)支持?？梢钥闯?，F(xiàn)TIR技術(shù)在眾多領(lǐng)域的研究工作中貢獻(xiàn)卓著。在應(yīng)用FTIR技術(shù)時(shí)，為了滿足不同的檢測(cè)需求，常把傅里葉變換紅外光譜技術(shù)同其他分析技術(shù)聯(lián)用獲取被分析物質(zhì)的綜合信息，也常結(jié)合數(shù)學(xué)計(jì)算模型提高FTIR譜圖分析的準(zhǔn)確度。此前的綜述大多針對(duì)較為單一的研究領(lǐng)域中的應(yīng)用，較難突出技術(shù)聯(lián)用、結(jié)合數(shù)學(xué)模型在各研究領(lǐng)域應(yīng)用FTIR技術(shù)時(shí)的優(yōu)勢(shì)?；诖耍疚木徒陙?lái)FTIR技術(shù)在機(jī)理研究、性能表征、成分檢測(cè)等較為全面的研究領(lǐng)域的應(yīng)用進(jìn)展作了總結(jié)，以便為不同研究領(lǐng)域的工作者更好地利用FTIR技術(shù)提供參考意見(jiàn)。

正文部分1

FTIR的應(yīng)用現(xiàn)狀1.1

FTIR在機(jī)理研究中的應(yīng)用利用FTIR技術(shù)研究反應(yīng)機(jī)理主要是根據(jù)FTIR光譜中的信息推斷反應(yīng)中生成的過(guò)渡態(tài)分子和產(chǎn)物的結(jié)構(gòu)推斷反應(yīng)的機(jī)理。使用FTIR技術(shù)監(jiān)測(cè)反應(yīng)過(guò)程時(shí)收集的FTIR信號(hào)與反應(yīng)組分的濃度成正比，但并不是定量的。提出了一種利用標(biāo)準(zhǔn)加入法獲得定量FTIR數(shù)據(jù)的方法，該方法快速、準(zhǔn)確、適用于復(fù)雜的矩陣、不需要校準(zhǔn)曲線或離線分析，為定性分析提供了一條新的路徑。使用透射法通過(guò)傅里葉變換紅外顯微技術(shù)監(jiān)測(cè)單個(gè)微晶光系統(tǒng)中的水氧化反應(yīng)，為研究水氧化的反應(yīng)機(jī)理提供了新的策略。由于細(xì)胞尺寸與IR中波長(zhǎng)非常接近，引起的米氏散射造成FTIR譜圖失真。將影響細(xì)胞尺寸的細(xì)胞生物學(xué)因素考慮在內(nèi)提出了一種新的算法，并在13個(gè)不同的細(xì)胞系進(jìn)行驗(yàn)證。結(jié)果表明，校正后的FTIR光譜與相同細(xì)胞的衰減全反射（ATR）光譜符合度達(dá)到97％以上，具有較高的準(zhǔn)確度和可信度。采用焦平面陣列（FPA）和同步加速器傅立葉變換紅外（S-FTIR）顯微光譜技術(shù)研究了白藜蘆醇（RV）、松弛素（RLN）等幾種具有潛在抗哮喘作用的化合物在細(xì)胞內(nèi)的反應(yīng)機(jī)理，該研究突出了FTIR技術(shù)在研究細(xì)胞內(nèi)反應(yīng)機(jī)理的應(yīng)用潛能。1.2

FTIR在性能表征中的應(yīng)用傅里葉變換紅外光譜技術(shù)所需樣品量少，常被用來(lái)表征食品包裝材料、塑料、粘合劑等各種材料的性能[28]。陳茹等[29]采用FTIR技術(shù)和差值掃描量熱（DSC）技術(shù)對(duì)以聚乙烯（PE）、聚丙烯（PP）、聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯（PET）材質(zhì)為主的食品接觸材料進(jìn)行檢測(cè)，結(jié)合FTIR和DSC測(cè)試結(jié)果，可快速分析材料的成分及熱性能。采用ATR-FTIR、DSC、熱重分析法（TGA）3種方法對(duì)5種PP塑料進(jìn)行測(cè)試。ATR-FTIR結(jié)果與熱分析的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)給出的結(jié)果相吻合，這給塑料的鑒別及成分分析提供了一定的技術(shù)支撐。1.3

FTIR在成分檢測(cè)中的應(yīng)用利用FTIR和XRD技術(shù)研究4種食品添加劑（瓊脂、藻酸鹽、卵磷脂和甘油）在3種不同濃度（0.5%、1%和1.5%）下對(duì)食品的影響。FTIR和XRD結(jié)果比較表明，瓊脂、藻酸鹽、卵磷脂和甘油主要是通過(guò)影響羥基和氫鍵的相互作用來(lái)改變淀粉結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)度進(jìn)而影響食物的質(zhì)量。通過(guò)檢測(cè)FTIR譜圖中脂肪官能團(tuán)、蛋白質(zhì)官能團(tuán)以及β糖苷鍵的特征吸收峰的種類及數(shù)量，判斷不同品牌和年齡段奶粉的優(yōu)劣，對(duì)奶粉的鑒別和選擇有一定意義。1.4

FTIR在其他方面的應(yīng)用除了在評(píng)估新鮮度、微生物數(shù)量、食品質(zhì)量與安全等方面的應(yīng)用，已經(jīng)嘗試把FTIR技術(shù)應(yīng)用到食品的分揀工作中。目的是開(kāi)發(fā)一種基于可監(jiān)督的PLSR和支持向量機(jī)（SVM）結(jié)合的系統(tǒng)，利用FTIR技術(shù)實(shí)現(xiàn)生食的自動(dòng)分類。整個(gè)工作借助Python2.7實(shí)現(xiàn)，原始的FTIR數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理后借助RNV18（StandardNormalVariate17的強(qiáng)化版本）傳遞來(lái)提高數(shù)據(jù)質(zhì)量、刪除無(wú)關(guān)波長(zhǎng)信息以及消除固有乘性噪聲。2

總結(jié)展望2.1

存在的不足FTIR技術(shù)在各領(lǐng)域的研究工作中做出了很大的貢獻(xiàn)，但從現(xiàn)在對(duì)FTIR技術(shù)的運(yùn)用中不難發(fā)現(xiàn)，如何提高定量分析的準(zhǔn)確性依然是無(wú)法避免的技術(shù)難題。雖然研究者們已經(jīng)提出了許多有效的策略來(lái)解決這一問(wèn)題，但同時(shí)產(chǎn)生了新的誤差削弱了FTIR技術(shù)的優(yōu)勢(shì)。2.2

改進(jìn)建議如本文所述，F(xiàn)TIR技術(shù)和數(shù)學(xué)計(jì)算模型的結(jié)合已成為成分檢測(cè)和性能表征的強(qiáng)大工具，因此必須對(duì)這種方法進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化，提高適用范圍的同時(shí)保證準(zhǔn)確度。為了達(dá)到這個(gè)目的，可以從提高FTIR技術(shù)的精度著手，同步輻射傅里葉變換紅外光譜（SR-FTIR）在檢測(cè)有紅外響應(yīng)分子的精細(xì)結(jié)構(gòu)方面的能力優(yōu)于傳統(tǒng)FTIR。總結(jié)綜上所述，F(xiàn)TIR技術(shù)不但在機(jī)理研究、性能表征、成分檢測(cè)等眾多領(lǐng)域發(fā)揮著重要的作用，在環(huán)境監(jiān)測(cè)、考古法醫(yī)等研究領(lǐng)域同樣有著非常大的應(yīng)用潛能。多種分析技術(shù)聯(lián)用的發(fā)展在給出全面詳盡精密數(shù)