二维相关谱技术及其应用

第1章绪论 1.1传统光谱技术 随着光谱检测新器件、新数学手段的不断发展，光谱分析检测技术和光谱仪器以其特有的高灵敏度、高分辨率、高速度、无损伤、无污染、抗干扰、可遥感等优点广泛应用于食品、制药、材料和环境等领域⑴。 在传统的光谱学分析方法中，光谱图通常用平面图形来表征，即通常用波长、波数或频率等为横坐标，研究体系相应于此变量变化的光谱学特性，通常用吸光度、透过率、反射率或发光强度等为纵坐标。由于传统的光谱技术仅能提供研究体系光谱学特性随单变量的变化情况，因此，传统的光谱技术无法对研究体系中微弱变化的、覆盖的、重叠的峰进行特征信息提取，无法表征不同变量下光谱学性质之间的关系，无法对光谱学性质进行有效解析，无法提供研究体系中分子之间的相互作用信息。而对于复杂研究体系，由于与研究体系光谱学性质有关的变化量常常不止一个，当研究体系同时受到多个因素(外扰)影响，且这些因素之间又存在相关性时，传统的光谱技术就显得无能为力了[2]。 1.2二维相关光谱技术 二维相关光谱的概念*早来源于核磁共振波谱分析(nuclear　magnetic　resonance　spectroscopy，NMR)领域，并得到广泛应用。直到1986年，日本化学家Noda对二维NMR技术进行概念性突破，即将核磁实验中多脉冲技术作为一种对研究体系的外部扰动。在此基础上，1989年，Noda在对红外信号时间分辨检测的基础上，首次将该技术应用于红外光谱，提出了二维红外相关谱的概念[3]。1993年，Noda又对原有的理论进行了改进，打破了外扰波形仅可为正弦波形的局限，将其拓展到能引起光谱信号变化的任何外扰，如：温度、浓度、pH值等，并且用Hlbert变换代替了原来的Founer变换，缩短了二维相关计算的时间，提出了广义二维相关光谱理论，自此二维相关光谱技术的应用领域得到了进一步的扩展。近二十年来，Noda多次对二维相关光谱的发展和应用进行综述。 1.2.1二维相关光谱的特点 在二维相关光谱学分析中，相关图谱具有X和两个独立的变量轴，以及表征研究体系相关谱学性质的因变量z轴，所形成的三维光谱图。在相关图谱中这两个独立的变量可以相同，也可以不同，常用的变量有波长、波数或频率、温度、压力等。因此，二维相关光谱可以表征研究体系光谱学性质随两个变量变化的情况，以及两个变量之间的相关性。 与传统的光谱技术相比，二维相关光谱技术将研究体系光谱学信号扩展到第二维上，可提供研究体系中不同组分官能团吸收峰之间的相关信息，可有效地对弱峰、覆盖峰、偏移峰进行解析，具有较高的光谱分辨率。二维相关光谱体现的是研究体系中各组分相应于“特定外扰”的变化情况，以及这些变化之间相互的联系。所谓的“特定外扰”指的是根据研究目标有目的地选择一种方式对光谱进行调制[9]。外扰一研究体系的变化一二维相关光谱是一一对应的。即使是同一种体系，采用不同的“外扰”就会得到不同性质的二维相关图谱。因此，二维相关光谱技术具有较好的选择性，可根据研究的目标，选择合适的“外扰”，以便体现所需的信息。同时，通过同谱或异谱二维相关光谱交叉峰的正负和有无可以分析信息来源，提高了光谱的解释能力[10]。 随着二维相关光谱技术的发展，应用领域的不断扩大，会不断出现新理论和相关算法[11，12]，如在第2章介绍的样品-样品二维相关分析、杂化二维相关分析、移动窗口二维相关谱分析、投影二维相关分析、Double二维相关分析、2D-CDS(two-dimensional　codistribution　spectroscopy)、修订二维相关分析和2T2D(two-tracetwo-dimensional)相关分析等，这些新的相关分析技术都有自己的特点和优势[13]。 1.2.2二维相关光谱探针的多样性 Noda将二维相关技术从狭义拓展到广义之后，二维相关光谱计算的应用范围也从*初的二维核磁谱拓展到多种光谱探针领域，包括中红外光谱、近红外光谱、拉曼光谱、紫外-可见光谱、荧光光谱、NMR、X射线等，以及上述两种探针相结合的异谱相关分析。 1.中红外光谱 中红外光谱是二维相关光谱技术*广泛使用的探针[8]，其表征的是研究体系中分子官能团基频振动信息，能提供聚合物、蛋白质和其他材料结构变化与性能之间的关系，这些是传统光谱技术无法提供的。Noda统计了从2015年7月1日到2017年5月31日期间国内外发表的302篇二维相关论文中，其中59%采用的是二维中红外相关谱技术，包括衰减全反射光谱、中红外反射吸收光谱、漫反射中红外傅里叶变换光谱、表面增强红外吸收光谱、光声光谱、红外二向色性、显微红外光谱等。同时也有将中红外光谱技术与其他探针相结合异谱二维相关的研究，如近红外光谱、拉曼光谱、NMR、紫外-可见吸收光谱、荧光光谱、和频振动光谱、质谱和色谱等。 2.近红外光谱 近红外光谱是二维相关光谱技术常用的探针，其表征的是研究体系中C—H、O—H、N-H等含氢基团的合频和倍频信息，能提供研究体系的组成、构象、结晶、分子内和分子间氢键之间的相互作用。二维近红外相关谱技术结合化学计量学也被应用于复杂体系的定性定量分析。同时，近红外光谱技术经常与中红外光谱技术探针相结合，通过中红外光谱指纹信息，对近红外重叠的、覆盖的合频和倍频信息进行确认。 3.拉曼光谱 拉曼光谱也是研究者在使用二维相关光谱技术时比较欢迎的探针，其表征的是研究体系中分子振动和转动方面的特征信息。302篇二维相关论文中，其中10%采用的是二维拉曼相关谱技术，包括表面增强拉曼光谱、紫外可见共振拉曼光谱、拉曼显微成像、拉曼光活性、飞秒受激拉曼光谱、共焦显微拉曼和空间偏移拉曼光谱等。同时也有将拉曼光谱技术与其他探针相结合异谱二维相关的报道，如：中红外、质谱、和频振动等。由于拉曼光谱与中红外光谱具有互补性，即凡是具有对称中心的分子或基团，如果有红外活性，则没有拉曼活性；反之，如果没有红外活性，则拉曼活性比较明显。因此，异谱二维拉曼-红外光谱常在研究中被采用。 4.荧光光谱 荧光光谱相对于其他光谱技术，具有较高的灵敏度和选择性，也被用于聚合物、生物材料、食品和环境等领域的二维相关分析中。在异谱相关应用中，荧光光谱常与紫外-可见吸收光谱相结合来进行分析。 5.其他探针 随着二维相关光谱技术应用范围和领域的不断扩大，其可选择的探针不仅仅局限于上述光谱探针。X射线和散射探针，包括X射线小角散射(small　angle　X-ray　scattering，SAXS)、广角X射线衍射(wide　angle　X-ray　scattering，WAXS)、X射线光电子能谱(X-ray　photoelectron　spectroscopy，XPS)以及异谱相关：XRD-NMR、XRD-质谱、SAXS-紫外可见光谱、SAXS-拉曼光谱，WAXS与红外光谱等。此外，也有使用质谱、高效液相色谱、电子自旋共振、介质弛豫、热重分析和差示扫描量热法等作为探针进行二维相关分析。 1.2.3二维相关光谱外扰的多样性 当任意外扰作用于样品体系时，样品的各种化学组成会发生“独*的”“选择性”的变化。二维相关谱反映的是复杂化学体系在特定的外扰作用下的变化，因此外扰一体系变化一二维相关谱图是一一对应的。在采用二维相关光谱技术研究样品时，外扰的选择至关重要，不同的外扰方式，会得到不同的二维相关光谱图。如果需要研究样品体系在某种条件下发生的变化，就可以选择这种变化作为外扰手段，比如要研究土壤理化参数(含水率、粒径大小、有机质含量)对多环芳烃(PAHs)荧光特性的影响，就可以选择这些参数为外扰构建二维荧光相关谱，此时二维荧光相关谱表征的就是PAHs荧光特性随土壤理化参数变化的特征信息，这个正是研究所需要的。基于二维相关光谱的这一特点，可根据研究目标来选择特定的外扰，产生相对应的二维相关光谱。 1.温度外扰 温度是目前二维相关分析中采用*广的外扰方式[11]，即通过采集研究体系随温度变化的一维动态光谱，通过对动态光谱进行相关分析。温度外扰的二维相关光谱广泛研究了蛋白质的结构变化、氢键相互作用、聚合物在熔融结晶过程中的结构变化、相变温度等。国内清华大学孙素琴团队采用温度为外扰，建立了中药的相关谱指纹库，对各类中药材进行鉴定[14，15]。 2.时间外扰 时间，作为*容易实现的外扰方式，也被广泛地应用于二维相关分析中[8]，特别是在研究体系的化学反应动力学过程，如热氧化、分解、水解、氧化还原过程和电化学反应；物理反应动力学过程，如蒸汽吸附过程、等温结晶过程、吸附过程、转化过程、等温退火等；以及生物反应和生物学过程。 3.浓度外扰 浓度，也是二维相关分析中常采用的外扰方式[8]。根据研究目标，通过改变混合体系各组分浓度的变化，可实现复杂体系中微弱的、被覆盖的、重叠的特征峰有效解析。以浓度为外扰的二维相关光谱表征的是研究体系随该组分浓度变化的特征信息，这些变化的特征信息所对应的波长或波数区间，正是化学计量学建模所需要的变量，因此，浓度外扰的二维相关谱技术常用于定性定量分析建模波段的选择[16-21]。 4.激发波长外扰 在二维荧光相关分析中，选择激发波长为外扰，可对研究体系中重叠的荧光峰进行有效解析。激发波长外扰下的二维荧光相关谱结合化学计量学也被用于环境污染物的检测分析中[22，23]。 5.偏振角外扰 以偏振角为外扰的二维荧光相关谱，可对研究体系中不同偏振度组分进行区分[24]，其原理是偏振度大的物质对角度变化敏感，出现强的相关峰，而偏振度小的物质则出现弱峰。以偏振角度为外扰方式不仅较好地克服了以加热温度或时间为外扰时，试验周期长不易操作、重现性差等缺点，而且外扰附件简单，容易实现，便于在线操作，不破坏样品，无需前处理[25]。 6.PH外扰 PH外扰的二维相关光谱可用来研究体系中酸碱程度对组分状态和结构变化的影响。陆峰等[26]通过pH二维表面增强拉曼相关谱对止咳平喘中药中是否添加茶碱、咖啡因或可可碱进行了鉴别。Chae等[27]人报道了表面固定化聚谷氨酸对pH依赖性，表现出侧链羧酸的质子化。Zhou等[28]研究了在不同的pH条件下，通过络合和离子交换从活性污泥中去除细胞外生物高聚物的方法。Cao等[29]人报道了脱氨基和脱羧胶原纤维在不同酸碱度下与铝或锆无机盐的结合行为。 7.其他形式的外扰 除了上述提到的*常用的外扰之外，电压、磁场、压力、空间分布等也被应用于研究体系的二维相关分析研究。电压外扰的二维相关谱能提供研究体系随电压变化结构组成和分子间相互作用的变化等信息。磁场是研究各种水热合成金属-有机杂化材料常采用的外扰方式，这类研究通常同时使用热扰动来探测系统的氢键相互作用。机械扰动常被用于聚合物材料拉伸变形的二维相关分析[7]。 1.3二维相关光谱技术的应用 正是由于二维相关光谱技术的上述特点、探针的多样性和外扰选择的多样性，自广义二维相关光谱理论提出后，二维相关光谱技术已被广泛地应用于物理、化学、食品、材料、环境、生物和医学等各个领域[3，30]。本书主要就二维相关光谱在食品、医药和环境领域的应用进行详细介绍。