傅里叶变换红外光谱技术的应用及进展
(1.中国计量科学研究院，北京100029；2.国家气体产品质量监督检验中心，北京100029；3.中计华量环境科技河北有限公司，河北石家庄050000)
摘要
引言 目前已经有很多文献对FTIR技术在生化、食品、材料和地质矿物等研究领域的应用进展作了总结。Abdul等[3]总结了FTIR技术结合化学计量学在分析流体中生物分子的应用进展，表明FTIR技术是一种能够快速识别特定生物分子的变化筛选疾病的方法，在临床医学中有巨大的应用潜能。Leila等[4]总结了FTIR技术在分析白血病细胞的生化特征中的应用，凸显了FTIR技术在鉴定白血病细胞以及收集白血病细胞光谱信息的研究中的卓越性能。陈佳等[5]综述了近年来FTIR技术在食用油质量检测中的研究进展，重点总结了数据处理、消除背景效应等操作在谱图分析中的应用，为FTIR技术在食用油质量检测方面的应用提供参考。Abdenacer等[6]讨论了热重-傅里叶变换红外光谱联用技术（TG-FTIR）在高能材料表征中的应用，与常规技术相比，联用技术能够获取更全面的信息，具有更好的可重复性，表明TG-FTIR技术在研究高能材料特性的应用中极具优越性。Seifollah[7]在FTIR技术的综述中表明在表征建筑材料时便携式傅里叶变换红外光谱仪比X射线荧光（XRF）技术具有更高的准确性和安全性。Muhammad等[8]总结了FTIR技术在地质科学领域的最新应用，综述表明FTIR成像技术具备可视化地质样品中微米级有机物和矿物分布的能力，为增进对富含有机碳的煤和页岩的了解提供了技术支持。可以看出，FTIR技术在众多领域的研究工作中贡献卓著。 在应用FTIR技术时，为了满足不同的检测需求，常把傅里叶变换红外光谱技术同其他分析技术联用获取被分析物质的综合信息[9]，也常结合数学计算模型提高FTIR谱图分析的准确度[10]。此前的综述大多针对较为单一的研究领域中的应用，较难突出技术联用、结合数学模型在各研究领域应用FTIR技术时的优势。基于此，本文就近年来FTIR技术在机理研究、性能表征、成分检测等较为全面的研究领域的应用进展作了总结，以便为不同研究领域的工作者更好地利用FTIR技术提供参考意见。 正文部分 1 FTIR的应用现状 1.1 FTIR在机理研究中的应用 利用FTIR技术研究反应机理主要是根据FTIR光谱中的信息推断反应中生成的过渡态分子和产物的结构推断反应的机理[11]。使用FTIR技术监测反应过程时收集的FTIR信号与反应组分的浓度成正比，但并不是定量的。Hutchinson等[12]提出了一种利用标准加入法获得定量FTIR数据的方法，该方法快速、准确、适用于复杂的矩阵、不需要校准曲线或离线分析，为定性分析提供了一条新的路径。Kato等[13]使用透射法通过傅里叶变换红外显微技术监测单个微晶光系统中的水氧化反应，为研究水氧化的反应机理提供了新的策略。由于细胞尺寸与IR中波长非常接近，引起的米氏散射造成FTIR谱图失真[14]。Hariri等[15]将影响细胞尺寸的细胞生物学因素考虑在内提出了一种新的算法，并在13个不同的细胞系进行验证。结果表明，校正后的FTIR光谱与相同细胞的衰减全反射（ATR）光谱符合度达到97％以上，具有较高的准确度和可信度。Nadia等[16]采用焦平面阵列（FPA）和同步加速器傅立叶变换红外（S-FTIR）显微光谱技术研究了白藜芦醇（RV）、松弛素（RLN）等几种具有潜在抗哮喘作用的化合物在细胞内的反应机理，该研究突出了FTIR技术在研究细胞内反应机理的应用潜能。 1.2 FTIR在性能表征中的应用 傅里叶变换红外光谱技术所需样品量少，常被用来表征食品包装材料、塑料、粘合剂等各种材料的性能[28]。陈茹等[29]采用FTIR技术和差值扫描量热（DSC）技术对以聚乙烯（PE）、聚丙烯（PP）、聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）材质为主的食品接触材料进行检测，结合FTIR和DSC测试结果，可快速分析材料的成分及热性能。黄爱萍等[30]采用ATR-FTIR、DSC、热重分析法（TGA）3种方法对5种PP塑料进行测试。ATR-FTIR结果与热分析的实验数据给出的结果相吻合，这给塑料的鉴别及成分分析提供了一定的技术支撑。 1.3 FTIR在成分检测中的应用 Iman等[39]利用FTIR和XRD技术研究4种食品添加剂（琼脂、藻酸盐、卵磷脂和甘油）在3种不同浓度（0.5%、1%和1.5%）下对食品的影响。FTIR和XRD结果比较表明，琼脂、藻酸盐、卵磷脂和甘油主要是通过影响羟基和氢键的相互作用来改变淀粉结构的长度进而影响食物的质量。刘唤等[40]通过检测FTIR谱图中脂肪官能团、蛋白质官能团以及β糖苷键的特征吸收峰的种类及数量，判断不同品牌和年龄段奶粉的优劣，对奶粉的鉴别和选择有一定意义。 1.4 FTIR在其他方面的应用 除了在评估新鲜度、微生物数量、食品质量与安全等方面的应用[56]，Tsakanikas等[57]已经尝试把FTIR技术应用到食品的分拣工作中。目的是开发一种基于可监督的PLSR和支持向量机（SVM）结合的系统，利用FTIR技术实现生食的自动分类。整个工作借助Python 2.7实现，原始的FTIR数据进行预处理后借助RNV18（Standard Normal Variate17的强化版本）传递来提高数据质量、删除无关波长信息以及消除固有乘性噪声。 2 总结展望 2.1 存在的不足 FTIR技术在各领域的研究工作中做出了很大的贡献，但从现在对FTIR技术的运用中不难发现，如何提高定量分析的准确性依然是无法避免的技术难题。虽然研究者们已经提出了许多有效的策略来解决这一问题，但同时产生了新的误差削弱了FTIR技术的优势。 2.2 改进建议 如本文所述，FTIR技术和数学计算模型的结合已成为成分检测和性能表征的强大工具，因此必须对这种方法进行标准化，提高适用范围的同时保证准确度。为了达到这个目的，可以从提高FTIR技术的精度着手，同步辐射傅里叶变换红外光谱（SR-FTIR）在检测有红外响应分子的精细结构方面的能力优于传统FTIR。 总结
引用本文：周枫然，韩桥，王德发，等.傅里叶变换红外光谱技术的应用及进展[J].化学试剂, 2021, 43(8): 1001-1009.
