劉玉飛，王方方，黃彩娟，黃 濤，張 凱，于 杰

（1.貴州大學(xué) 材料科學(xué)與冶金工程學(xué)院，貴州 貴陽550025；2.國家復(fù)合改性聚合物材料工程技術(shù)研究中心，貴州 貴陽550014；3.貴州凱科特材料有限公司，貴州 貴陽550014）

0 前言

紅外光譜定量分析無需樣品預(yù)處理，具有精度高、分辨率高、測定波段寬等特點，在預(yù)防醫(yī)學(xué)［1］、石油［2］、藥 物［3］、農(nóng) 業(yè)［4］、石 化［5］、食 品、煙 草、生物［6］等領(lǐng)域，以及聚合物接枝率、交聯(lián)度等方面得到了廣泛應(yīng)用。我國近紅外光譜儀器發(fā)展也取得了諸多成果。

紅外光譜定量分析的計算方法主要基于朗伯-比爾定律：A＝lgI0／I＝εCL。式中：I0和I分別為入射光和透過樣品后的透射光的強(qiáng)度；A為吸光度，與物質(zhì)的濃度C、厚度L成正比；ε為吸光系數(shù)，與基團(tuán)的結(jié)構(gòu)、所處的環(huán)境有關(guān)，取決于基團(tuán)振動時偶極矩的變化率。在紅外光譜定量分析中，可以用峰位吸光度（圖譜中的峰高）和吸收峰面積積分兩種方法表示。利用偏最小二乘回歸法［7］、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等［8］化學(xué)計量法可解決紅外光譜中嚴(yán)重重疊和非線性等問題，對藥品、食物等物質(zhì)定量分析，并可檢測其中有害物質(zhì)和營養(yǎng)成分。作者闡述了紅外光譜定量分析在藥物、食品、有機(jī)合成機(jī)制等中應(yīng)用，以期對同行有所幫助。

1 在藥物分析中應(yīng)用

藥物與人們的身體健康息息相關(guān)，其質(zhì)量檢測至關(guān)重要?；诿糠N分子都有由其組成和結(jié)構(gòu)決定的紅外吸收光譜，因此可以用紅外光譜定量分析的方法對分子結(jié)構(gòu)分析和鑒定。Martí-Aluja Idoia等［9］通過紅外光譜的多元曲線分辨率的交替最小二乘法定量分析齊多夫定、依法韋侖和利托那韋等對胰島素聚合的影響。Nicolle F Robaina等［10］通過傅里葉紅外變換光譜在透過薄膜的傳輸模式中測定制藥配方中的阿奇霉素。

吳笛等［11］利用傅里葉紅外變換光譜定量表征了與柳葉水甘草堿（TAB）作用前后的牛血清白蛋白（BSA）二級結(jié)構(gòu)的變化。與TAB作用前的光譜圖與緩沖液光譜圖差譜得到相互作用前BSA的紅外光譜；與TAB作用后的光譜圖與藥物光譜圖差譜得到相互作用后BSA的紅外光譜圖。將得到的紅外差譜在1 600～1 700cm-1波數(shù)段進(jìn)行傅里葉去卷積處理和線性擬合，獲得各子峰的吸收頻率和峰寬，并對其進(jìn)行多次擬合，使殘差最小。對得到的每一個子峰進(jìn)行歸屬，根據(jù)其積分面積計算各個二級結(jié)構(gòu)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。

朱玉婷等［12］通過紅外光譜特征峰吸光度定量葛仙米多糖硫酸酯的取代度。通過測量吸收峰高度和測量吸收峰面積兩種方法進(jìn)行。其研究結(jié)果與比濁法測定取代度相比，無統(tǒng)計學(xué)誤差，為紅外光譜定量測定多糖取代基種類提供了實驗依據(jù)。

姚羽等［13］建立了傅里葉紅外變換衰減全反射光譜法（FTIR-ATR）測定氨芐西林鈉中二甲硅油的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，并探索二甲硅油與藥物澄清度的相關(guān)性。用峰面積代替朗伯-比爾定律：A＝εCL中的A值進(jìn)行定量分析。利用的是吸收峰的全部信息。其準(zhǔn)確性、重現(xiàn)性都高，所以采用峰面積法定量分析。

趙霞等［14］建立了傅里葉紅外變換衰減全反射光譜法（FTIR-ATR）測定藥用鹵化丁基橡膠塞表面的硅油量。利用二甲基硅油在（1 260±10）cm-1波數(shù)的特征吸收峰峰面積定量測定。結(jié)果表明：該方法靈敏，準(zhǔn)確可靠，可用于藥用鹵化丁基橡膠塞表面殘留硅油的定量測定。

Yuan Chang-ji等［15］用近紅外光譜法快速測定冬蟲夏草中的腺苷和多糖。近紅外光譜法被用來建立冬蟲夏草菌絲體粉中的腺苷和多糖的定量分析模型；并用多種不同的光譜預(yù)處理方法完成紅外光譜的轉(zhuǎn)變，且最終消除原始光譜的噪聲。測量腺苷和多糖的偏最小二乘法定量分析模型的交叉驗證校正集的最佳均方根值分別是0.759 2和0.009 3，而它的預(yù)測集的均方根值分別是0.672 0和0.008 3。結(jié)果表明：通過建立模型，采用近紅外光譜法測定冬蟲夏草中的腺苷和多糖是可行的。

Abrahamsson Christoffer等［16］用時間分辨的近紅外光譜對藥片定量分析。這項技術(shù)能夠檢測樣品的吸收性能和散射性能，因此，在對樣品的物理參數(shù)的處理中，該技術(shù)比傳統(tǒng)的近紅外投射光譜法更好。實驗使用一個脈沖寶石激光，結(jié)合一個非線性光子晶體光纖作為光源；用一個時間分辨條紋相機(jī)測量通過樣本的光線；并用不同氧化鐵的濃度和不同厚度的藥片作為樣本進(jìn)行實驗；最后用時間分辨技術(shù)傳輸?shù)慕Y(jié)果與用傳統(tǒng)的近紅外光譜傳輸?shù)慕Y(jié)果進(jìn)行比較。用時間分辨技術(shù)測量的數(shù)據(jù)比用傳統(tǒng)的近紅外光譜傳輸技術(shù)測量的數(shù)據(jù)建立的偏最小二乘法模型好。

Michelle C H等［17］用拉普拉曼光聲光譜法和近紅外光譜法定量分析藥片中的多形體雜質(zhì)。在固體劑型的制造和分析中，原料藥中交變多晶型物的檢測和定量是一個關(guān)鍵問題。每一種多晶型物都有其獨特的物理和化學(xué)性質(zhì)。這些性質(zhì)直接影響溶解度和生物藥效率等。近紅外光譜法和拉普拉曼光聲光譜法可以快速地測定固體樣本中多晶型物。在這項研究中建立了兩種賦形劑和質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%的API（吡拉西坦的兩種多晶型物FII和FIII的混合物）的藥片系統(tǒng)模型。用拉普拉曼光聲光譜法和近紅外光譜法可以檢測藥片中的多晶型污染物FII。它的檢測限分別為0.6%和0.7%。

2 在食品中應(yīng)用

食品是人類賴以生存和發(fā)展的最基本的條件。隨著人們生活水平的不斷提高，食品工業(yè)獲得了空前的發(fā)展，食品檢測技術(shù)也顯得至關(guān)重要。用紅外光譜定量分析的方法對食品檢測也越來越普遍。Simon A H等［18］用近紅外光譜法檢測摻雜三聚氰胺的豆粕粉。Bogomolov A等［19］對乳脂和蛋白質(zhì)在400～1 100nm范圍內(nèi)的分散光譜定量分析。Lynch J M等［20］用中紅外光譜法分析牛奶中的成分。

于修燭等［21］通過FTIR-ATR技術(shù)在三臺不同的紅外光譜儀上采集光譜，并用負(fù)二階導(dǎo)法（-2D法）分析光譜。在負(fù)二階導(dǎo)光譜圖中，反式脂肪酸在966～963cm-1的峰高與反式脂肪酸的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，回歸得到紅外定標(biāo)方程。用驗證樣品集對定標(biāo)方程驗證，獲得驗證相關(guān)系數(shù)為0.999 2。結(jié)果表明：-2D分析法在FTIR-ATR技術(shù)測定油脂中反式脂肪酸是可行的；與傳統(tǒng)的方法相比，無需相應(yīng)的基準(zhǔn)油脂作為參考。

倪昕路等［22］采用傅里葉紅外變換光譜法定量分析食品及油脂中反式脂肪酸的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。由峰面積與反式脂肪酸的質(zhì)量分?jǐn)?shù)的線性校準(zhǔn)曲線定量計算反式脂肪酸在油脂中的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。結(jié)果表明：該方法可通過反式雙鍵的特征峰對樣品油脂中的反式脂肪酸準(zhǔn)確定量，具有簡單、快速、準(zhǔn)確等特點，適用于食品營養(yǎng)標(biāo)簽的測定。

王麗杰等［23］利用近紅外（NIR）漫反射光譜（1 100～1 700nm）測量牛奶中脂肪、蛋白質(zhì)和乳糖的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。采用偏最小二乘方（PLS）回歸，建立了測量光譜與牛奶中主要成分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)之間的校正模型，并對其預(yù)測重復(fù)性進(jìn)行了研究；進(jìn)而探討了非線性校正方法徑向基函數(shù)網(wǎng)絡(luò)（RBFN）的可行性，還與PLS線性校正模型對比；探討了如何提高PLS校正模型預(yù)測精度等相關(guān)問題。

Niu Xiaoying等［24］通過傅里葉近紅外變換光譜和化學(xué)計量法，并用高效液相色譜法作為參考方法，研究了定量分析藕粉中的葡萄糖和果糖的質(zhì)量分?jǐn)?shù)的可行性。運用PLSR，F(xiàn)iPLS，BiPLS等線性分析法以及ANN和LS-SVM等非線性分析法對定量模型的性能進(jìn)行評估和比較。結(jié)果表明：近紅外光譜技術(shù)結(jié)合最小二乘支持向量機(jī)可以有效地定量分析藕粉中葡萄糖和果糖的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。

Ji Haiyan等［25］通過人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和近紅外反射光譜的傅里葉系數(shù)定量分析小米中的蛋白質(zhì)。在建立小米中蛋白質(zhì)的定量分析校正模型時，小米的近紅外反射光譜的前幾個傅里葉系數(shù)可以被用作人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入節(jié)點。該方法的優(yōu)點是可以降低普頻，還可以用理想濾波器過濾高頻噪聲。利用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)定量分析模型可獲得更好的結(jié)果。蛋白質(zhì)的相關(guān)系數(shù)和相對標(biāo)準(zhǔn)偏差的校正集分別是 0.971 和 2.40%，預(yù)測集是 0.955和2.96%，取得了較好的成果。

Reis Nádia等［26］利用傅里葉漫反射紅外變換光譜法和化學(xué)計量法定量分析炒咖啡中的多種添加劑。該方法將偏最小二乘回歸法一階導(dǎo)數(shù)的校準(zhǔn)和驗證模型運用到檢測和定量分析人為摻雜的磨碎的炒咖啡中的雜質(zhì)。這些雜質(zhì)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%～66%。對該模型的研究主要應(yīng)用了3 200～2 730cm-1和1 800～700cm-1光譜區(qū)的組合；校準(zhǔn)集和驗證集的回歸系數(shù)分別為0.99和0.98，并且校準(zhǔn)和驗證誤差也很低，分別為1.23%和2.67%。其主要優(yōu)點是，可以避免使用一些有毒溶劑和試劑，而且也不需要高技術(shù)人員在質(zhì)檢實驗室進(jìn)行常規(guī)的程序分析。

3 在其他方面應(yīng)用

紅外光譜定量分析除了檢測藥品、食品成分外，還對高分子合成機(jī)制的探究、產(chǎn)物的產(chǎn)率分析等都有一定的應(yīng)用。

馮書香等［27］利用傅里葉紅外光譜技術(shù)研究了甲基叔丁基醚（MTBE）的紅外光譜特性。在校正集的質(zhì)量分?jǐn)?shù)范圍（0.6%～20%）內(nèi)，質(zhì)量分?jǐn)?shù)與吸光度呈現(xiàn)較好的線性關(guān)系。其線性相關(guān)系數(shù)為0.999，檢測限為0.12%，并結(jié)合經(jīng)典最小二乘法預(yù)測了汽油樣品中MTBE的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。結(jié)果表明：該方法準(zhǔn)確、方便，能夠滿足快速檢測汽油中MTBE的要求。

孫媛等［28］采用傅里葉顯微紅外變換光譜技術(shù)對采自中國3個產(chǎn)地的14片天然IaAB型鉆石進(jìn)行了系統(tǒng)的面掃描分析。根據(jù)顯微紅外光譜譜圖定量計算鉆石中的氮的質(zhì)量分?jǐn)?shù)（1 616個紅外測試數(shù)據(jù)），并進(jìn)行填圖示蹤。顯微紅外光譜面掃描法填圖顯示的雜質(zhì)元素的定量分析數(shù)據(jù)，可以為不同成因環(huán)境，甚至對不同產(chǎn)地的鉆石提供有價值的參考，顯示出顯微紅外光譜技術(shù)在解釋礦物晶體的微觀信息方面具有更大的空間。

張萌萌等［29］采用紅外光譜測試技術(shù)，通過計算羰基特征峰的面積與甲基峰面積之比來表征副反應(yīng)程度。比值愈大，副反應(yīng)愈多。該計算方法得到了核磁共振的驗證。

朱寒等［30］將原位全反射傅里葉紅外光譜技術(shù)應(yīng)用于研究稀土催化Ip配位聚合反應(yīng)過程及聚合反應(yīng)動力學(xué)。根據(jù)特征峰歸屬及吸收峰強(qiáng)度，將特征峰的強(qiáng)度數(shù)據(jù)用于計算單體在聚合過程中的轉(zhuǎn)化率，從而獲得特征峰的強(qiáng)度與單體轉(zhuǎn)化率的關(guān)系。

趙姜維等［31］將原位全反射傅里葉紅外光譜技術(shù)應(yīng)用于研究稀土催化丁二烯配位聚合反應(yīng)；探討了采集FTIR譜圖的背景，用于定量計算的特征峰的選擇與確定，單體濃度和所確定的特征峰強(qiáng)度的關(guān)系；以及丁二烯溶液聚合反應(yīng)動力學(xué)等。結(jié)果表明：3個特征峰的強(qiáng)度均與丁二烯的濃度成正比關(guān)系，并確定904cm-1處特征峰強(qiáng)度用于定量計算丁二烯聚合反應(yīng)的轉(zhuǎn)化率。丁二烯聚合反應(yīng)速率與單體的濃度呈現(xiàn)一級動力學(xué)關(guān)系。

張匯萌等［32］采用FT-IR跟蹤法研究了雙酚S與環(huán)氧氯丙烷的醚化反應(yīng)；并使用回歸分析法研究了醚化物在FT-IR中的醚鍵特征峰強(qiáng)度與酚羥基轉(zhuǎn)化率之間的關(guān)系。發(fā)現(xiàn)兩者存在良好的二次函數(shù)關(guān)系，建立了FT-IR法測定醚化反應(yīng)中酚羥基轉(zhuǎn)化率的標(biāo)準(zhǔn)工作曲線；并利用該曲線研究了雙酚S與環(huán)氧氯丙烷的醚化反應(yīng)動力學(xué)。結(jié)果表明：在環(huán)氧氯丙烷過量的情況下，醚化反應(yīng)速率與酚羥基的濃度相關(guān)。當(dāng)酚羥基的濃度小于臨界值時，該反應(yīng)為一級反應(yīng)；當(dāng)酚羥基的濃度大于臨界值時，該反應(yīng)為零級反應(yīng)。

吳艷光等［33］利用異佛爾酮二異氰酸酯（IPDI）與聚疊氮縮水甘油醚（GAP）反應(yīng)生成—NCO封端的GAP預(yù)聚物。該預(yù)聚物再與NC中的—OH交聯(lián)形成高分子網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。反應(yīng)過程中—NCO的濃度會逐漸降低，—NCO在2 270cm-1處的FT-IR吸收峰強(qiáng)度逐漸減弱。因此，可通過該峰強(qiáng)度變化，采用2 100cm-1處—N3吸收峰作為測試的內(nèi)標(biāo)峰，定量描述—NCO與—OH的反應(yīng)程度。

尚建麗等［34］通過加速老化試驗，分別對三種常用的外墻涂料進(jìn)行了物理性能的測試。應(yīng)用涂層光澤度、厚度損失率作為涂層老化的評價參數(shù)。在分析紫外光對建筑外飾面涂層的影響及機(jī)制基礎(chǔ)上，采用紅外光譜技術(shù)對其耐久性分析。結(jié)果表明：在該人工模擬環(huán)境中，經(jīng)過多次老化循環(huán)后光澤度損失率和厚度損失率為定值。紅外光譜技術(shù)可以對涂層的老化進(jìn)行定量分析。

豐曉等［35］利用紅外光譜測定了瀝青老化前后羰基吸收峰的紅外光譜；計算了不同老化瀝青的吸光度的比值（光線通過溶液或物質(zhì)前的入射光強(qiáng)度與該光線通過溶液或物質(zhì)后的透射光強(qiáng)度比值的以10為底的對數(shù)），并對其針入度的變化進(jìn)行了對比。結(jié)果發(fā)現(xiàn)：瀝青老化與針入度之間有很好的相關(guān)性。利用紅外光譜法測定瀝青老化前后1 700 cm-1處羰基吸收峰的紅外光譜，并計算其吸光度的比值，可以定量分析瀝青的老化程度。

4 展望

近年來近紅外光譜儀器呈現(xiàn)小型化、便攜化、專用化等趨勢。國產(chǎn)儀器要應(yīng)用于民生檢測領(lǐng)域，才能夠發(fā)掘出巨大市場。飼料、食用油、藥品、食品、紡織、化工等行業(yè)都是近紅外光譜儀器潛在的應(yīng)用領(lǐng)域。紅外光譜檢測技術(shù)雖然已經(jīng)在多個領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，但同樣也存在一些問題和挑戰(zhàn)。例如：中紅外光譜區(qū)集中了太多的信息，使得該區(qū)圖譜復(fù)雜，相鄰峰之間重疊嚴(yán)重，給分析鑒定帶來了一些困難。目前近紅外光譜儀在面料檢測領(lǐng)域的應(yīng)用還不普及，面料檢測精度要求優(yōu)于1%成為推廣中面臨的巨大挑戰(zhàn)。因此，紅外光譜檢測技術(shù)在未來還存在很大的發(fā)展空間。

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