博精科技:紅外光譜技術(shù)的應(yīng)用及進展，目前已經(jīng)有很多文獻對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)用進展作了總結(jié)。Abdul等[3]總結(jié)了FTIR技術(shù)結(jié)合化學(xué)計量學(xué)在分析流體中生物分子的應(yīng)用進展，表明FTIR技術(shù)是一種能夠快速識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。Leila等[4]總結(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FTIR技術(shù)在食用油質(zhì)量檢測中的研究進展，重點總結(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)量檢測方面的應(yīng)用提供參考。Abdenacer等[6]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。Seifollah[7]在FTIR技術(shù)的綜述中表明在表征建筑材料時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。Muhammad等[8]總結(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)樣品中微米級有機物和礦物分布的能力，為增進對富含有機碳的煤和頁巖的了解提供了技術(shù)支持。可以看出，F(xiàn)TIR技術(shù)在眾多領(lǐng)域的研究工作中貢獻卓著。

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，再進行傅里葉變換得到被檢測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)透射到達動鏡，另一束經(jīng)反射到達定鏡，兩束光被反射回分束器。因為動鏡做恒速直線運動，兩束光形成光程差后產(chǎn)生干涉。通過樣品池后，含有樣品信息的干涉光到達檢測器，通過傅里葉變換對信號進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）具有較高的檢測靈敏度和分辨率、測量速度較快、散光低以及波段寬等優(yōu)點。在不損壞樣品的情況下，能同時對多種物質(zhì)進行定性定量分析，被廣泛應(yīng)用于機理研究，性能表征，成分檢測等眾多研究領(lǐng)域。

在應(yīng)用FTIR技術(shù)時，為了滿足不同的檢測需求，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[9]，也常結(jié)合數(shù)學(xué)計算模型提高FTIR譜圖分析的準(zhǔn)確度[10]。此前的綜述大多針對較為單一的研究領(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)時的優(yōu)勢?；诖?，本文就近年來FTIR技術(shù)在機理研究、性能表征、成分檢測等較為全面的研究領(lǐng)域的應(yīng)用進展作了總結(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。

1 FTIR的應(yīng)用現(xiàn)狀

1.1FTIR在機理研究中的應(yīng)用

利用FTIR技術(shù)研究反應(yīng)機理主要是根據(jù)FTIR光譜中的信息推斷反應(yīng)中生成的過渡態(tài)分子和產(chǎn)物的結(jié)構(gòu)推斷反應(yīng)的機理。使用FTIR技術(shù)監(jiān)測反應(yīng)過程時收集的FTIR信號與反應(yīng)組分的濃度成正比，但并不是定量的。Hutchinson等[12]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。Kato等[13]使用透射法通過傅里葉變換紅外顯微技術(shù)監(jiān)測單個微晶光系統(tǒng)中的水氧化反應(yīng)，為研究水氧化的反應(yīng)機理提供了新的策略。由于細(xì)胞尺寸與IR中波長非常接近，引起的米氏散射造成FTIR譜圖失真[14]。Hariri等[15]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個不同的細(xì)胞系進行驗證。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）光譜符合度達到97％以上，具有較高的準(zhǔn)確度和可信度。Nadia等[16]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)機理，該研究突出了FTIR技術(shù)在研究細(xì)胞內(nèi)反應(yīng)機理的應(yīng)用潛能。

隨著儀器精度及分析技術(shù)的提高，得到的FTIR數(shù)據(jù)往往繁多復(fù)雜，未經(jīng)處理的譜圖無論是在定性分析還是定量分析時準(zhǔn)確度都會下降，因此選擇合適的數(shù)學(xué)模型處理數(shù)據(jù)對研究工作同樣重要。Kannan等[17]利用FTIR光譜與密度泛函理論（DFT）計算相結(jié)合的方法研究乙腈（AN）和甲基溶纖劑（MCS）以及不同比例的二元混合溶液中兩種分子的存在方式以及異質(zhì)相互作用的機理。配制乙腈物質(zhì)的量占比分別為0.2、0.4、0.6和0.8（SS1、SS2、SS3、SS4）的乙腈甲基溶纖劑混合試樣。將測得的SS1、SS2、SS3和SS4的FTIR光譜，與純的AN和MCS光譜圖進行對比，推斷AN和MCS兩種分子生成不同聚合物的機理。從FTIR譜圖分析得到MCS分子不是以單體、二聚體或三聚體的形式存在，而是以封閉四聚體的形式存在，AN與MCS可以形成分子比為1∶4和2∶4的配合物。還驗證了（甲基溶纖劑）C -H···N（乙腈）、（亞甲基溶纖劑）C-H···N（乙腈）和（甲基氰）C-H···O（羥基或乙醚）3種非經(jīng)典氫鍵的生成。DFT在該研究中主要用于AN、MCS及其配合物的頻率計算和自然鍵軌道（NBO）分析，最后結(jié)合FTIR的結(jié)果分析得出AN與MCS分子比為2∶4的配合物更穩(wěn)定。Karthick等[18]利用相同的方法作了相似的研究，分別記錄了純乙酸甲酯、純間二甲苯及其等物質(zhì)的量二元溶液的FTIR光譜。在二元溶液中乙酸甲酯、間二甲苯的吸收峰均發(fā)生了位移，表明存在分子間相互作用的可能，并在后續(xù)的數(shù)據(jù)處理中結(jié)合DFT計算分析了幾種產(chǎn)物的數(shù)量及穩(wěn)定性。FTIR光譜技術(shù)結(jié)合DFT計算在以上研究中做出了很大的貢獻，體現(xiàn)了此方法在研究有氫鍵生成的化學(xué)反應(yīng)中的卓越性。

傅里葉變換紅外光譜技術(shù)能夠無損快速地記錄試樣中的與致病分子相關(guān)的特征振動光譜[20]，在研究各種與癌癥或其他疾病相關(guān)的組織中具有重要作用，被公認(rèn)為是一種較好的診斷工具[21]。借助FTIR技術(shù)研究基因和疾病的聯(lián)系，Olademehin等[22]以存在滯育現(xiàn)象的淡色庫蚊為對象，研究其體中的糖原合酶（glys）、結(jié)合盒轉(zhuǎn)運蛋白（atp）和低密度脂蛋白受體伴侶（ldlr）3個受同一轉(zhuǎn)錄因子調(diào)控的同源基因，來探尋特定基因和滯育現(xiàn)象的關(guān)系。實驗中向滯育初期的雌性淡色庫蚊注射dsi-RNA抑制3個目標(biāo)基因，并持續(xù)喂7 d含有1% D- [13C6]的10%葡萄糖。使用13C固體核磁共振技術(shù)和傅里葉變換衰減全反射紅外光譜（ATR-FTIR）技術(shù)監(jiān)測注入的dsi-RNA對蚊子葡萄糖代謝的影響。通過FTIR技術(shù)確定蚊子中經(jīng)過13C標(biāo)記的總糖原和脂質(zhì)成分的含量變化和積累情況來分析基因和疾病的關(guān)系。

傅里葉變換紅外光譜技術(shù)在研究病變組織中同樣具有突出的優(yōu)勢。基質(zhì)輔助激光解吸/電離質(zhì)譜成像（MALDI-MSI）技術(shù)常用于可視化組織切片中生物小分子和生物大分子的空間分布，但還存在分子特異性較差[24]以及數(shù)據(jù)過載[25]等缺點。Rabe等[26]提出將FTIR技術(shù)和MALDI-MSI技術(shù)結(jié)合的方案來分析單片組織樣本。FTIR成像提供了高分辨率的組織結(jié)構(gòu)和組成信息，改善了MALDI-MSI特異性差的問題，再結(jié)合MALDI-MSI技術(shù)得到單個分子的質(zhì)荷比（m/z）信息，較好地實現(xiàn)了對單分子的特異表征。該團隊通過在植入了U87膠質(zhì)瘤腫瘤細(xì)胞和人原發(fā)性胃腸道間質(zhì)瘤細(xì)胞的小鼠中進行腫瘤細(xì)胞的無監(jiān)測定位和標(biāo)記物提取證明方案的一般適用性。此外，研究團隊從患有由尼曼-皮克C型疾病引起的脂質(zhì)增生的小鼠的大腦中檢索相關(guān)的敏感脂質(zhì)的形態(tài)學(xué)特征，通過高分辨定量基質(zhì)輔助激光解吸/電離傅立葉變換離子回旋共振質(zhì)譜成像（MALDI-FTICR-MSI）對病變的小組織亞細(xì)胞結(jié)構(gòu)進行靶向質(zhì)譜成像。結(jié)果證明可以清晰成像的同時，降低了至少97%的數(shù)據(jù)加載采集時間。Na等[27]利用MALDI-FTICR-MSI技術(shù)研究吡非尼酮治療特發(fā)性肺纖維化（IPF）的代謝途徑，結(jié)果表明吡非尼酮可恢復(fù)IPF組織中的氧化還原平衡和糖酵解、降低抗壞血酸和藻酸鹽的代謝，從而促進膠原蛋白加工的原位調(diào)節(jié)。這些結(jié)果突出了MALDI-FTICR-MSI技術(shù)在研究病理中的應(yīng)用價值。

不難發(fā)現(xiàn)，在研究反應(yīng)機理時，如何提高FTIR技術(shù)定量分析的準(zhǔn)確度依然是個難題，校準(zhǔn)曲線校正法雖然在一定程度上提高了定量分析的準(zhǔn)確度，但因需要離線采樣又削弱了FTIR技術(shù)原位監(jiān)測的優(yōu)勢。標(biāo)準(zhǔn)加入法獲得定量FTIR數(shù)據(jù)的方法，僅適用于測定靜態(tài)樣品中分析物的濃度。結(jié)合密度泛函理論來提高產(chǎn)物定量分析的準(zhǔn)確度目前僅適用于部分有氫鍵生成的反應(yīng)；偏最小二乘回歸法（PLSR）適用性較高，但準(zhǔn)確性又相對較低。因此，在研究工作中需要借鑒已有的經(jīng)驗考慮實驗條件選擇合適的數(shù)學(xué)校正模型。

1.2FTIR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)對以聚乙烯（PE）、聚丙烯（PP）、聚對苯二甲酸乙二醇酯（PET）材質(zhì)為主的食品接觸材料進行檢測，結(jié)合FTIR和DSC測試結(jié)果，可快速分析材料的成分及熱性能。黃愛萍等[30]采用ATR-FTIR、DSC、熱重分析法（TGA）3種方法對5種PP塑料進行測試。ATR-FTIR結(jié)果與熱分析的實驗數(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。Ramya等[31]使用FTIR技術(shù)分析粘合劑共混物的化學(xué)成分，借助無滴技術(shù)測量粘合劑共混物的表面自由能，借以研究粘合劑的表面自由能與其主要官能團之間的關(guān)系，結(jié)果表明利用FTIR技術(shù)預(yù)測的相關(guān)指標(biāo)與表面自由能的研究有助于進一步了解粘合劑的特性。譚曉平等[32]采用濕化學(xué)還原法，在還原氧化石墨烯表面引入水溶性大環(huán)主體超分子柱芳烴（CP5），形成復(fù)合物CP5-RGO，并采用FTIR、X射線光電子能譜（XPS）對復(fù)合物CP5-RGO進行表征。陳曉婷等[33]采用熱重-紅外-氣相色譜/質(zhì)譜（TGA-FTIR-GC/MS）聯(lián)用技術(shù)，研究了平均分子量為2.400×103～1.724×105g/mol的不同分布范圍內(nèi)的3種聚苯乙烯的熱裂解特征。

氧化石墨烯-銀（Ag-GO）納米復(fù)合材料是近年來比較重要的一種抗菌劑。Ahmad等[34]提出了一種無需使用表面活性劑和還原劑一步合成Ag-GO納米復(fù)合物的方案，并且成功應(yīng)用傅里葉變換紅外光譜（FTIR）和拉曼光譜檢測不同劑量濃度下Ag-GO納米復(fù)合物對陰性大腸桿菌的抗菌活性。拉曼和傅立葉變換紅外光譜都可以提供樣品內(nèi)分子振動特性的信息，但是二者對不同的分子官能團的靈敏度不同的，同時使用這兩種技術(shù)可以進一步確保實驗結(jié)果的準(zhǔn)確性。在這項研究中最后還通過X射線衍射（XRD）、原子力顯微鏡（AFM）技術(shù)驗證FTIR和拉曼光譜結(jié)果的可靠性。

為了加速催化燃料的吸熱裂解反應(yīng)以獲得更好的冷卻能力來解決超音速飛機的熱問題，Ji等[35]設(shè)計了一種使用聚酯基大分子作為大分子引發(fā)劑（MI）的烴裂解的新策略。在連接有FTIR光譜儀和氣相色譜質(zhì)譜儀（TG-FTIR-GC/MS）的TGA8000熱重分析儀上收集黃色透明固體超支化聚酯片段的結(jié)構(gòu)和熱重信息，用DFT計算揭示了大分子引發(fā)劑可能的反應(yīng)機理。該研究表明MI分解產(chǎn)生的自由基片段對加速JP-10脫氫有效，為碳?xì)浠衔锶剂显诔羲亠w機中的使用提供了廣闊的前景。Barra等[36]則利用FTIR技術(shù)和PLSR結(jié)合的方法預(yù)估柴油中的十六烷值來預(yù)測柴油的質(zhì)量，繪制了50個柴油樣品的FTIR指紋圖，并且基于改進的FTIR指紋圖，使用經(jīng)預(yù)處理后的數(shù)據(jù)建立了PLS預(yù)測模型。

Wang等在研究中提出了一種新的策略，從傅里葉變換紅外光譜中得到官能團組分，結(jié)合分組拉索正則化的廣義線性模型對烴類燃料的平均性質(zhì)進行表征，判斷材料的燃燒性能。因為特定官能團中氫原子與碳原子的比例恒定，利用光譜來估計碳?xì)浠衔锶剂现泄倌軋F的氫含量，借以預(yù)估碳原子的含量。烴類燃料中影響燃燒性能的官能團主要為CH3和CH2，因此將得到的數(shù)據(jù)分為CH3、CH2和其他官能團3組通過建立統(tǒng)計模型預(yù)估CH3和CH2的數(shù)量。傅里葉變換紅外光譜儀的背景噪聲、分辨率都會造成光譜圖誤差，影響CH3和CH2定量分析的準(zhǔn)確度[38]，因此提出結(jié)合分組拉索正則化的廣義線性模型對傅里葉變換紅外光譜進行校正降低儀器誤差的影響。還用蒙特卡洛模擬分析檢驗所提方案的魯棒性，結(jié)果證明了利用數(shù)學(xué)模型校正紅外光譜的可行性，為研究開發(fā)新燃料提供了一種便利的方法。

在性能表征中運用FTIR的局限性依然在于如何提高定量分析的準(zhǔn)確度。在對材料或者燃料等進行表征時大多需要聯(lián)用多種分析儀器，例如聯(lián)用拉曼光譜技術(shù)，但實際得到的譜圖非常復(fù)雜，還需大量的數(shù)據(jù)處理工作。雖然在對烴類燃料進行表征時，提出分組拉索正則化的廣義線性模型，但已經(jīng)對數(shù)據(jù)進行了理想化處理，很難運用到其他的研究工作中。

2.2改進建議

如本文所述，F(xiàn)TIR技術(shù)和數(shù)學(xué)計算模型的結(jié)合已成為成分檢測和性能表征的強大工具，因此必須對這種方法進行標(biāo)準(zhǔn)化，提高適用范圍的同時保證準(zhǔn)確度。為了達到這個目的，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。此外，SR-FTIR具有出色的信噪比、亮度和長時間無損檢測的能力，因此在研究工作中可以用SR-FTIR替代傳統(tǒng)的FTIR提高檢測的精度。對已有的常用的數(shù)學(xué)模型，應(yīng)建立相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)適用條件，以供參考。其次找到適用范圍更廣的數(shù)學(xué)處理模型需要結(jié)合已有的經(jīng)驗進行更多的研究工作。為減少FTIR技術(shù)在性能表征和成分測量的限制條件，還需要大量的研究工作來提高便攜式傅里葉變換紅外光譜儀的精度。

綜上所述，F(xiàn)TIR技術(shù)不但在機理研究、性能表征、成分檢測等眾多領(lǐng)域發(fā)揮著重要的作用，在環(huán)境監(jiān)測、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)據(jù)的同時，也不可避免地產(chǎn)生了數(shù)據(jù)過載、譜圖復(fù)雜難以處理的問題，因此選擇合適的數(shù)學(xué)模型對譜圖數(shù)據(jù)進行處理在科研工作中具有非常重要的意義。本文就近年來FTIR技術(shù)在各領(lǐng)域中的應(yīng)用現(xiàn)狀和如何結(jié)合數(shù)學(xué)模型提高FTIR分析的準(zhǔn)確度的進展作了總結(jié)，并指出了不足之處，為各領(lǐng)域的研究者更好地使用FTIR技術(shù)提供參考意見。