二维傅里叶变换光谱实验方法简介（英文）

二维傅里叶变换光谱是近几十年来发展起来的一种先进光谱技术.与其他超快光谱方法相比,它具有许多优点,并且为研究各种复杂系统提供了巨大的机会.然而,二维傅里叶变换光谱的系统搭建、实验测量和理论描述仍面临许多挑战,从而限制了其广泛应用.近年来,随着超快激光等各种相关技术的发展和革新,二维傅里叶变换光谱方法也逐渐发展成熟,进而大大降低了进行二维傅里叶变换光谱实验的技术壁垒.对于二维傅里叶变换光谱实验装置的光学设计,目前存在许多不同的方法,每种方法都有其自身的优点和局限性.但是目前还没有一个简单的教程可以帮助实验工作者选择搭建其第一套二维傅里叶变换光谱实验装置.因此,本文旨在为计划搭建其第一套二维傅里叶变换光谱实验装置的初学者提供一个简短的介绍.     

多维傅里叶变换光谱

二维或多维傅里叶变换谱的概念最早是在核磁共振(NMR) 谱学中提出的,随着激光技术 的发展,飞秒脉冲激光的实现使多维傅里叶变换谱的概念被引入到了光学领域,以脉冲激光代 替NMR 中的射频(RF) 场,激光波长从红外延伸到可见光波段。多维傅里叶变换光谱可以同时 提供的信息包括量子态上布居数以及量子态间的耦合,所以多维谱可以提供一维谱所无法获取的 反映量子系统演化动力学的信息,如量子系统中的能量转移以及分子间的相互作用等。人们使用 多维傅里叶变换光谱的方法对碱金属原子、量子阱、分子等量子系统中的动力学过程进行了一系 列的研究。     

利用2DCOS进行多组分混合气体傅里叶变换红外光谱分析中同分异构体谱峰的辨别

在利用傅里叶变换红外光谱进行混合气体定量分析中,针对烃类尤其是同分异构体等构成的混合气体其谱图特征相似、吸收峰严重交叠,不易进行特征吸收成分的判别和特征变量选择的问题,为增强谱峰分辨力,采用广义二维相关光谱和傅里叶变化红外光谱对烃类混合气体分析中同分异构体进行辨别,以异丁烷和正丁烷的红外光谱及受浓度扰动组成的光谱组为例进行二维相关红外光谱分析。通过观察全波段和主吸收峰波段单组分气体的傅里叶变换红外光谱,可知其谱图相似,吸收峰严重交叠,如果混合在一起,将基本无法辨别何种分子结构及成分。通过广义二维相关光谱的变换,其二维相关光谱的同步谱和异步谱可以清晰地辨别出异丁烷和正丁烷的特征吸收峰及其各自强度,实验结果可知,异丁烷在2 893,2 954和2 977 cm-1,正丁烷在2 895和2 965 cm-1具有强的吸收特征谱线。分析结果初步验证了二维红外相关光谱在多组分混合气体傅里叶变换红外光谱定量分析中谱分辨率增强方面的应用。     

不同海拔保山小粒咖啡的红外光谱鉴别研究

利用傅里叶变换红外光谱(FTIR)和二维相关红外光谱(2D-IR)对云南保山四种不同海拔的小粒咖啡进行分析,结果显示咖啡的主要由为脂质、蛋白质、多糖和咖啡因的峰组成。不同海拔咖啡样品的FTIR光谱在整体上无明显差异,二维相关红外光谱在2 800～3 800 cm^-1范围内自动峰的数量和强度存在明显差异,高海拔咖啡自动峰数量比低海拔咖啡的要多。研究表明傅里叶变换红外光谱结合二维相关红外光谱能够快速、有效地鉴别不同海拔小粒咖啡。     

萌发油菜种子的傅里叶变换红外光谱研究

利用傅里叶变换红外光谱结合二维相关红外光谱对不同萌发天数的油菜种子进行研究。结果显示,油菜种子的一维原始光谱主要由脂质峰、蛋白质峰、糖类峰组成;与对照组(未做萌发处理)相比,萌发油菜的脂质、糖类和蛋白质的含量发生明显变化。在对1 700～1 000 cm^-1光谱范围内的二维相关红外光谱分析中得出,对照组与萌发油菜的自动峰数量、强度、位置均发生明显变化。结果表明傅里叶变换红外光谱是研究萌发油菜种子的一种快速、简便的方法。     

不同生长阶段银杏叶片的傅里叶变换红外光谱研究

银杏叶具有很高的药用价值,利用傅里叶变换红外光谱技术对银杏叶片的幼叶、成叶、老叶和落叶进行研究,光谱结果表明在银杏叶片生长过程中,黄酮类化合物、蛋白质及糖类的含量均存在差异,且可以利用二维相关光谱快速准确地区别出叶片的生长阶段。     

自然老化谷类种子的二维红外光谱研究

种粮老化影响种子活力及粮食品质。利用傅里叶变换红外光谱(FT-IR),二阶导数红外光谱(SD-IR)和二维相关红外光谱(2D-IR)方法对不同储藏年份的大麦,小麦,稻谷,玉米和高粱种子进行区分研究。结果显示,原始光谱中几个峰强比有差异;在二阶导数红外光谱中,不同储藏年份种子在1 800～800 cm-1范围内的吸收峰强度和形状显示出差异。二维相关红外光谱结果显示：大麦在1 350～1 800 cm-1,小麦,稻谷,玉米和高粱在860～1 690 cm-1范围内有明显差异,随储藏年份增加,自动峰和交叉峰的数目减少,强度减弱。结果表明,应用傅里叶变换红外光谱结合二维相关红外光谱能有效快速地区分不同储藏年份的谷类种子。     

基于空间外差的拉曼信号处理方法研究

空间外差拉曼光谱技术是近年兴起的一种超光谱探测技术,它既具有拉曼光谱测量的非接触、快速、简单、可重复、无需样品准备等特点,更具有空间外差的超光谱分辨率、高通量、无运动部件优点,能在被测物质特征波长中心范围探测,实现微弱拉曼光信号的直接测量。由于被测信号微弱、光学元件加工精度、器件封装及仪器安装误差等原因,会导致空间外差拉曼光谱仪(SHRS)接收到的干涉图存在光强分布不均匀、干涉条纹倾斜或扭曲等现象,从而使普通光谱恢复方法得到光谱信号准确度下降或无法识别。根据SHRS探测到的干涉图所存在的误差特点,将二维傅里叶变换应用于SHRS干涉图的光谱复原,提出基于二维频域谱重采样的最强直线方向光谱提取方法,以实现SHRS光谱的获取。提取过程为：将采集的目标干涉图进行二维傅里叶变换,获得二维频谱图,通过使用相同实验系统采集的单波长或多波长光源的二维频谱信号特征峰的位置信息,拟合获取光信息强度最大方向直线方程。然后根据该直线与目标二维频谱图各列交点坐标位置,确定重采样贡献像元及权重。对拟合直线方程经过的所有列像元进行重采样,得到最终的光谱信号。将该方法应用于自行搭建实验系统采集的三叶草干涉图数据,同时与其他方法光谱复原结果进行对比。结果表明：与一维行平均光谱法比较,该方法获取的光谱在探测波段中心区域信号强度更加明显,同时消除了探测器热噪声的影响;与二维频谱中心行直接提取法比较,该方法是该方法的改进版本,两者结果比较接近。但是由于考虑到干涉条纹y分量的影响,沿二维频谱信号最强方向重采样得到的最终光谱,其主峰半峰宽更窄、边频噪声强度更小,且随着y分量的增加,光谱复原效果及优势将越发明显。该方法是空间外差拉曼光谱技术数据处理的一种有益补充与尝试。     

基于双直角分束器的反射式静态傅里叶光谱仪光学系统EI北大核心CSCD

基于双直角分束器设计了一种反射式静态傅里叶变换光谱仪光学系统,并搭建了样机。该光谱仪光学系统的分光装置采用双直角分束器,其他光路全部采用反射式结构,有效折叠光路,与透射式静态傅里叶光谱仪相比,系统体积减小一半以上。用汞灯作为静态傅里叶光谱仪光源时,得到了404.7,435.8,546.1,577.0nm的峰值谱线,实验结果很好地复原了汞灯实际光谱;用波长为650nm的激光进行实验,光谱分辨率约为5.93nm,与理论计算结果基本相符。该光学系统具有结构紧凑、体积小、重量轻、抗震性强等诸多优点,可为小型化、便携式静态傅里叶光谱仪器的研制提供技术支持。     

偶氮类化合物热相变动态过程的二维相关拉曼光谱研究

利用变温傅里叶变换拉曼光谱（ＦＴ－Ｒａｍａｎ）研究含偶氮苯基长链脂肪酸化合物８Ａ５Ｈ固体的热相变。二维相关光谱分析技术被应用到以温度为变量的同步和异步相关计算，目的在于研究该化合物中不同基团在热相变过程中取向变化过程以及变化趋势、步骤等一系列的动态结构变化。展示了研究偶氮类化合物热致相变过程中结构动态新的研究方法，同时也为二维相关光谱的应用拓宽了新的研究领域。     

二维相关谱在食品品质检测中的研究进展

近年来,食品质量与安全问题越来越严重,需要快速便捷的检测技术以确定食品的品质。二维相关谱技术由于其高光谱分辨率、高选择性和高图谱解析能力,可有效解决常规一维谱在数据分析过程中所遇到的三个困难：①光谱选择性低;②特征信息提取难;③图谱解析难,特别适合于那些传统一维光谱方法难以满足的相似样品的判别分析。综述了二维相关谱方法的发展历程、获取谱图的实验方法、以及数学原理和谱图性质。同时,也指出根据同步二维相关谱交叉峰的正负以及异步二维相关谱交叉峰的有无,可实现被覆盖的或被淹没的弱峰之间相互指认和验证,确认其来源。详细介绍了二维中红外、近红外、紫外、荧光和拉曼相关谱在乳制品、酒类、食用油、肉类、蜂蜜、大米等食品品质检测中的应用,分析了目前二维相关谱方法存在的问题,展望了二维相关谱的发展前景。     

温度扰动下CuCl2/DMF溶液的二维相关拉曼光谱分析

溶液的光谱研究一直受到化学工作者的关注,但大多研究是以一维光谱技术为主,存在分辨率低,误差较大,重叠峰难以分辨等诸多弊端,无法清晰地给出需要的信息。二维光谱通过对外部扰动下的动态光谱进行相关分析计算,从而得到光谱强度的整体变化信息,显著提高一维光谱的分辨率以及重叠峰的分离度。在判断特定外扰下不同官能团的响应次序以及研究分子间、分子内的弱相互作用上具有独特优势。采用二维相关拉曼光谱和理论计算相结合,对溶液内微观团簇及其变化进行了研究。利用显微共焦激光拉曼光谱仪对目标溶液(纯DMF与0.84 mol·L-1的CuCl₂/DMF溶液)进行了升温实验。结果发现在C-N键伸缩振动谱带范围内,由于CuCl₂的加入,特征峰强度整体大幅下降,峰宽变大,在1 115 cm-1有新峰产生,随温度升高,伸缩振动峰强度逐渐下降,峰形变缓。为了获得C-N键振动内各特征峰随温度的变化情况,采用移动窗口二维拉曼(MW2D Raman)光谱技术,对光谱数据进行分析。结果表明溶液内不同类别的微观团簇对温度的敏锐程度不同,随温度升高,它们之间存在相互转化,且变化速度不同。为了获取溶液内各微观团簇运动的实质,以温度为外扰,采用二维拉曼(2D Raman)光谱对目标溶液进行分析,通过对二维光谱中特征峰进行归属和变化次序判断,发现金属Cu2+的加入,使得溶液体系变得更加复杂,除存在原溶剂内所含的团簇构型,还存在与Cu2+发生溶剂化的团簇构型,它们之间存在着一定的相互转化。利用密度泛函理论对溶液中可能存在的团簇构型进行结构优化和热力学计算,结果证实了Cu2+与DMF存在相互作用,且由此产生的团簇构型[Cu(DMF)_n]2+(n=1~6)的稳定性随n的增大逐渐变差,进一步验证了二维相关光谱分析的可行性与正确性。     

二维相关谱在环境科学中的应用与展望

近年来,随着世界经济的快速发展,大量有害物质排放到环境中,全球环境问题日益严重。光谱检测分析技术由于其快速、便捷、可实现实时现场原位分析检测的特点,已经广泛的应用于水质、大气和土壤环境的检测分析。环境系统是一个开放复杂的体系,容易受到很多因素的影响,常规一维光谱技术难以从复杂的环境体系中提取感兴趣组分的特征信息。二维相关谱技术表征的是随特定外扰变化的信息,不仅能提取复杂环境中微弱的、被覆盖的特征光谱信息,而且还可以提供这些特征信息之间的关系。在综述二维相关谱技术近些年新发展的基础上,详细介绍了该技术在水、土壤和空气环境分析中的应用,其中包括水中农药残留、水中有机污染物定性定量分析、海洋黏液物质和海洋泡沫的形成机理;土壤中有机污染物定量分析、土壤污染物修复吸附机理;大气中气溶胶形成机理,污染气体定性定量分析。最后,详细介绍了二维相关谱在环境中有机质分子特性及与其他金属离子相互作用机理研究中的应用,指出二维相关谱在环境科学领域研究中具有广阔的应用前景。     

基于遗传算法的近红外光谱定性分析特征波长提取方法研究

近红外光谱分析技术虽在多领域获得广泛应用,但应用时仍以实验室仪器为主,目前光谱仪存在体积大、功耗高、价格贵等问题,有能力购买与使用此类仪器的主要是高校、科研院所、大型企业等,常用的基于傅里叶变换或光栅原理的光谱仪价格通常高达几十万元,超出中小企业、普通百姓的经济承受能力,因此近红外光谱仪的进一步推广应用仍有难度。降低仪器造价并实现微型化,是推广近红外光谱技术应用的一个重要方向,近红外光谱仪小型化的努力方向有CT正交型光栅技术以及微机电系统技术,但这两种技术方案对光谱仪体积缩小幅度有限,仍存在价格高、内部有移动部件等问题,难以做到真正微型化。据光谱仪的工作原理可知,其价格高低及微型化难度与仪器所能检测波段以及分辨率密切相关,以线性渐变滤光片与InGaAs探测器为例,分辨率越高,检测的波长点越多,其价格越高,制造难度越大。针对某一特定的定性分析任务,若能从大量波长点中挑选出少量特征波长点,并利用挑选得到的少量特征波长点完成对被测样本的定性分析任务,则可降低仪器制造成本,并降低光谱仪微型化难度,从而有利于近红外光谱分析技术的推广与应用。以玉米单倍体和多倍体籽粒作为研究对象,针对两类籽粒分类任务,分多天以漫透射方式采集被研究对象的近红外光谱,按时间顺序将所采数据分为5个数据集,对第1个数据集使用遗传算法提取出10个特征波长点,再将提取得到10个特征波长点,用于剩余4个数据集的单倍体、二倍体鉴别,以检验方法的有效性。实验结果表明使用10个特征波长点能够获得与全光谱基本一致的鉴别效果,说明使用少量特征波长点上的吸光度值也能够有效鉴别单倍体,可为其他领域某特定任务开发低成本便携式微型近红外光谱仪提供借鉴。     

温度对低共熔溶剂影响的二维拉曼光谱研究

低共熔溶剂（DES）作为一种新式的绿色溶剂，在多种化学过程中表现出色，因此在诸多热门范畴都展现出良好的发展潜力。对DES的光谱分析通常局限在一维光谱技术上，但其分辨率低、谱峰重叠严重等缺点，导致光谱数据存在误差。运用二维拉曼光谱（2D Raman），能够明显提高光谱分辨率，并发现重叠峰位置，获得在外扰条件下不同谱峰的变化顺序及其相互作用等重要信息，以实现对复杂体系的精确分析。以氯化胆碱（ChCl）和ZnCl₂合成的DES为例，利用显微共焦激光拉曼光谱仪分别对ChCl和DES进行拉曼实验，发现与ChCl相比，DES中各处峰的整体强度显著下降，原有的谱峰未消失，说明Zn2+的加入没有破坏ChCl的骨架结构。287 cm-1处出现一个新的特征峰，推测有Zn-Cl配位键的伸缩振动。对DES进行升温拉曼实验，发现随着温度的升高，NC₄的不对称伸缩振动峰强度逐渐减小，峰宽变大，峰形变缓，Zn-Cl配位键伸缩振动峰强度逐渐降低，峰位置基本不变，峰形有明显重叠。运用2D Raman技术对溶液内NC₄和Zn-Cl特征峰的变化进行研究，结果表明，随着温度的升高，溶液中发生ChCl向Ch+的解离过程，Zn2+与Cl-形成了多种配合物，ZnCl-₃，Zn₂Cl-₅，Zn₃Cl-₇之间存在相互转化。不同位置的特征峰随温度的变化顺序不同，将特征峰与团簇进行一一归属，得出了各个团簇对温度的敏感程度。基于量子化学中的密度泛函理论，对推测的物质结构进行构型优化和参数计算，证实了其存在的可能性，同时也验证了2D Raman的分析结果准确可行。这些结果将为DES的后续研究提供理论参考，拓展了二维光谱技术的应用范围。     

双飞秒激光频率梳光谱测量技术研究进展

双光梳光谱分析技术近年来凭借高分辨率、高灵敏度、宽光谱覆盖和快速测量的优势,在分子和原子光谱分析领域得到了快速发展。从双光梳光谱分析的原理出发,以使用泵浦光源数量为分类依据,对近年来国内外基于不同实现方案的多种双光梳光谱分析技术的原理进行了简要介绍,叙述了在不同数量泵浦光源条件下,不同实验小组提出的多种实验方案,介绍了他们进行的光谱实验结果。随着研究的不断深入,减少使用泵浦光源数量是双光梳光谱仪实现设备小型化的发展方向之一,增多光源则是从一维走向多维的重要发展思路,经典的双光源配置在测量精度和二维化方面起到了重要作用。     

A Fourier transform Raman spectrometer with visible laser excitation

We present the development and performance of a Fourier transformation (FT)‐based Raman spectrometer working with visible laser (532 nm) excitation. It is generally thought that FT‐Raman spectrometers are not viable in the visible range where shot noise limits the detector performance and therein they are outperformed by grating based, dispersive ones. We show that contrary to this common belief, the recent advances of high‐performance interference filters makes the FT‐Raman design a valid alternative to dispersive Raman spectrometers for samples which do not luminesce. We critically compare the performance of our spectrometer to two dispersive ones: a home‐built single channel and a state‐of‐the‐art charge coupled device‐based instruments. We demonstrate a similar or even better sensitivity than the charge coupled device‐based dispersive spectrometer particularly when the laser power density is considered. The instrument possesses all the known advantages of the FT principle of spectral accuracy, high throughput, and economic design. We also discuss the general considerations, which helps the community reassess the utility of the different Raman spectrometer designs. Copyright © 2015 John Wiley & Sons, Ltd.     

基于主动锁相的二维电子光谱方法

二维电子光谱是探测复杂系统激发态相干动力学的重要工具,实现二维电子光谱测试的最大挑战是精确控制多束超短脉冲之间的相位差. 本综述回顾了利用主动相位管理方法实现二维电子光谱仪装置,主要包括干涉仪相位稳定、声光调制器进行频率标记和多光频梳等三类方法;结合四波混频、泵浦探测及完全共线等不同构型,能实现高时空分辨及量子跃迁通道选择的二维光谱检测. 超短脉冲技术与主动相位调控的结合实现二维电子光谱学方法,为研究激发态相干动力学提供新的机遇.     

A fast-scanning Fourier transform 2D IR interferometer

Ultrafast two-dimensional infrared spectroscopy (2D IR) allows for the characterization of vibrational couplings and chemical dynamics. The fastest method of acquiring a Fourier transform 2D IR data set involves spectrally dispersing the signal field onto an infrared array detector. However, use of this method carries disadvantages, including the high cost of IR arrays and the decrease of signal intensity due to dispersion. As an alternative, we demonstrate a readily implemented full time-domain 2D IR detection method in which data from a pulsed laser source is rapidly acquired by scanning an interferometer delay at constant velocity. The stage's position is determined with high accuracy on a shot-to-shot basis by quadrature detection of HeNe tracer interference fringes.