傅里叶变换衰减全反射红外光谱法的应用与进展

随着傅里叶变换红外光谱仪的应用及化学计量学的发展 ,傅里叶变换衰减全反射红外光谱法(ATR FTIR)成为用传统透过法制样效果不理想 (或制样复杂 )的样品及表层结构分析的有利工具和手段。ATR FTIR技术已应用到纺织、质检、公安等各个领域。目前 ,人们正在针对ATR FTIR的特性 ,开展应用研究。为此 ,文章主要介绍了国内外应用ATR FTIR技术进行深度剖析的研究 ,对材料表面的定性分析 ,组分的定量分析 ,光学纤维与ATR附件的联用技术 ,以及在其他领域 (如运用ATR FTIR技术考察中空纤维的结构及取向变化 ,研究皮肤促进剂的作用机理 )的研究现状及发展情况     

衰减全反射傅里叶变换红外光谱技术的临床应用研究进展

系统回顾了衰减全反射傅里叶变换红外光谱(attenuated total reflection Fourier transform infrared, ATR-FTIR)技术在临床医学领域中的应用研究进展。ATR-FTIR光谱技术具有实时、简单、无创扫描生物组织样品的优势,通过结合多模式识别统计学方法并对照临床及病理学诊断结果,可对生物组织样本进行判别分析。目前,对甲状腺、乳腺,以及肺组织等新鲜离体组织的光谱学检测中,ATR-FTIR技术可达到较高的判别敏感性、准确性与特异性;尤其在对甲状腺和乳腺疾病患者的前哨淋巴结活检的研究中,应用ATR-FTIR技术,可对良、恶性组织进行敏感性、准确性与特异性均较高的鉴别研究,对辅助临床诊断具有潜在的重要价值。此外,利用ATR-FTIR光谱技术对生物体液进行光谱分析并进一步诊断疾病的研究也在逐步开展。由于血清中所含成分的改变对于提示疾病状况具有重要价值,因而血清ATR-FTIR光谱学诊断方法成为研究热点,已有应用ATR-FTIR技术对脑胶质细胞瘤、心肌梗死、肾衰、阿尔茨海默病、卵巢癌与子宫内膜癌等多种疾病进行分析的研究报道。目前已可通过ATR-FTIR技术对卵巢癌进行疾病分期的判别诊断,该技术有望成为卵巢癌筛查的重要方法。由于血清ATR-FTIR光谱学技术具有检测快速、判别准确、性价比高等优势,有望成为今后生物医学发展的重要方向之一。     

傅里叶变换红外光谱结合衰减全反射技术用于地贫筛查指标的无试剂定量分析

利用傅里叶变换红外光谱(FTIR)和衰减全反射(ATR)结合偏最小二乘(PLS)回归,建立地中海贫血(地贫)筛查指标平均红细胞血红蛋白含量(MCH)、平均红细胞体积(MCV)和总血红蛋白(Hb)的同时定量分析方法。收集人外周血样品380个,根据地贫血液学指标筛查标准,地贫阳性180个、阴性200个。从全体样品中随机选取150个为检验集(阴性64,阳性86),余下230个为建模集(阴性136、阳性94);再将建模集随机划分为定标集(阴性68、阳性47,共计115)、预测集(阴性68、阳性47,共计115),共200次。实验比较的结果表明,中红外指纹区(1 600～900 cm-1)PLS模型的预测效果显著优于全扫描谱区(4 000～600 cm-1)PLS模型,并且模型复杂性明显降低。基于中红外指纹区PLS模型,MCH,MCV,Hb最优PLS因子个数分别为10, 10, 6;建模预测均方根误差(M_SEP_Ave)分别为2.19 pg,5.13 fL,8.0 g·L-1;建模预测相关系数(M_R_{P, Ave})分别为0.902,0.898,0.922;检验预测均方根误差(V_SEP)分别为2.22 pg,5.38 fL,7.7 g·L-1;检验预测相关系数(V_R_P)分别为0.900,0.895,0.929;地贫筛查灵敏度、特异性分别达到100.0%和95.3%。结论：FTIR/ATR光谱结合PLS方法可以提供一种无需试剂、快速简便的大人群地贫筛查新技术。     

傅里叶变换衰减全反射红外光谱法鉴定皮革产品

ATR-FTIR(傅里叶变换衰减全反射红外光谱法)技术分析皮革材料的结构,依据不同物质所得ATR谱的不同,从而快速、简便地分析出真皮革和人造革。该实验技术对样品具有非破坏性,能够准确地对皮革样品进行鉴定。     

衰减全反射傅里叶变换红外光谱技术结合模式识别进行油品鉴别

海洋溢油是主要环境灾害之一,而且近年来其发生频率呈上升趋势。快速地对油品进行种类鉴别、来源评估有利于及时采取应急措施,因此具有重要意义。采用衰减全反射傅里叶变换红外光谱法(ATR-FTIR)对25种不同来源的油品进行了检测,用不同数据预处理方法对原始光谱进行了预处理,继而用主成分分析(PCA)和系统聚类分析(HCA)方法对光谱进行了分类鉴别。结果表明用多元散射校正(MSC)和连续小波变换(CWT)方法进行数据预处理可以提高分类的准确性,使分类结果与油样的实际来源一致。该方法对正构烷烃差异较大的油品进行了很好的区分,但对差异较小的油品其分辨能力仍有一定局限性。因此提供了一种快速的油品鉴别方法,可用于溢油事件的初步鉴定,从而为油品的进一步鉴定提供有用信息。     

何首乌及其提取物的漫反射和衰减全反射红外光谱研究

采用漫反射和衰减全反射两种红外光谱分析何首乌及其提取物。结果表明,以丙酮为提取剂时,何首乌其提取物中,韧皮部的有效成分含量最高,木质部的有效成分含量最低;通过两种方式的比较,发现何首乌及提取物的红外谱图存在一定的差异,何首乌在3 576和3 147cm-1有两个平缓的吸收峰,而提取物则在3 351cm-1有一强吸收峰,表明提取物中的OH…活性成分较多;同时,何首乌在931,859,766和709cm-1处有明显的吸收,而其提取物则没有,这也表明提取的是活性成分。     

黄铁矿氧化的原位衰减全反射红外光谱表征

黄铁矿是自然界普遍存在的一种矿物,容易发生氧化反应,是酸性矿山废水(AMD)的主要来源。研究黄铁矿氧化有助于揭示其产生污染的机制。通过黄铁矿氧化生成硫酸,硫酸再与黄铁矿中所含碳酸盐(钙)反应生成二氧化碳这一设计实验,实现了黄铁矿在大气环境和水环境中氧化的原位衰减全反射红外光谱表征。通过对反应生成的CO₂进行原位表征,发现黄铁矿在空气和水中均存在明显的氧化作用,二者的氧化速率随时间而下降,差别在于,黄铁矿在水环境中的氧化速率下降较之在大气中显著,表明黄铁矿在水中的氧化较之在大气中要慢。在衰减全反射测量中,2 350 cm-1处表征CO₂的双吸收峰的选择性好,并可实现原位分析。     

衰减全反射红外光谱对易燃液体的快速筛选

纵火是一种严重危害公共安全和社会稳定的个人极端暴力犯罪行为。在纵火案件调查过程中,火灾残留物中的易燃液体(ILs)是确定火灾性质和判断起火原因的重要物证,ILs的分析一直是法庭科学工作者关注的热点。利用衰减全反射红外光谱法(ATR-FTIR)对汽油、柴油、煤油、植物油等常见ILs进行检验,结合主成分分析(PCA)、层次聚类分析(HCA)、判别分析(DA)三种化学计量学方法,实现了常见易燃液体的快速筛选。通过红外光谱定性分析,汽油、柴油、植物油与含氧有机溶剂的红外光谱图差异明显,可相互区分,而柴油、煤油、航空煤油、溶剂油、汽轮机油五类ILs的红外谱图无明显差异,仅通过图谱的直接比较,无法进行区分。重点选取1 136~976 cm-1范围的红外特征吸收峰,结合PCA,PCA-HCA,PCA-DA化学计量学方法进行比较,成功将航空煤油与与其余四类ILs区分开;最后选取837～400 cm-1范围的红外特征吸收峰,利用PCA,PCA-HCA,PCA-DA方法,可将其余四种ILs实现互相区分。研究结果表明,ATR-FTIR结合化学计量学方法对常见ILs进行定性分析,具有方便、快捷、准确的优点,可作为ILs种类的快速筛选方法。     

PVC敏感膜离子识别作用的傅立叶变换——衰减全反射红外光谱研究

为了观察PVC敏感膜各成分在对离子识别时发生的变化,应用傅立叶变换-衰减全反射红外光谱研究了含有二苯并24冠8的PVC敏感膜对多种离子的识别作用。傅立叶变换-衰减全反射红外光谱显示,在PVC敏感膜与浓度为0.1mol/L的CdSO4、ZnSO4、Pb(NO3)2、Na2SO4、KCl、NaCl溶液分别反应后,归属于二苯并24冠8的吸收峰,峰高明显增高,其他一些吸收峰也有增高;而PVC敏感膜与浓度为0.1mol/L的Li2SO4、MgCl2分别反应后,PVC敏感膜各吸收峰无显著变化。还讨论了影响识别作用的一些因素,如反应时间、阴离子的作用、敏感膜发生识别作用的位置。结果表明:含有二苯并24冠8的PVC敏感膜对不同离子有选择识别的作用,可选择识别Cd2+、Zn2+、Pb2+、K+、Na+,不能识别Li+、Mg2,PVC敏感膜中的中性离子载体二苯并24冠8对离子的识别起主要作用,四(4—氯苯)硼钾也参与了识别作用。     

土壤养分的红外衰减全反射与漫反射光谱同步测量方法

光谱学分析技术因具有快速、实时、无损等优势,被广泛用于土壤养分检测等各个领域,也是现代农业检测控制中广泛应用的一种有效方法。实验采集不同养分含量的土壤样本,分别获取中红外衰减全反射(ATR)和漫反射(DRIFT)光谱数据。通过不同的光谱预处理算法结合偏最小二乘法(PLS)建立土壤中全碳、全氮、碱解氮的定量分析模型,对土壤养分的ATR和DRIFT光谱分别进行独立模型和叠加模型的分析。并以土壤养分中的全碳和全氮为例,发现经过标准正态变量变换处理的两种光谱建立的PLS模型相关系数均有所提高。全碳的两种光谱模型校正集的R2分别提高至0.826和0.919,而全氮两种模型校正集R2分别提高至0.841和0.928。我们进一步对全碳、全氮各自叠加后的光谱进行分析,模型的R2分别提高至0.942和0.951。用同样的方法分析土壤中的碱解氮,联用两光谱后的R2提高至0.919。研究结果表明,两种光谱的联合使用,为提高模型的相关系数和预测能力提供了一种合理有效的方法。     

红外光谱监测糖化酶发酵过程

傅里叶变换红外光谱用于监测糖化酶发酵过程,培养液的红外光谱反映了培养过程中碳源和氮源的变化。针对培养过程中普遍使用复合培养基,标准混合溶液难以反映培养液的状态,．用偏最小二乘法建立了培养液的红外光谱数据与常规离线化学分析结果的相关关系,成功地用于糖化发酵过程培养液中总糖、还原糖和氨氮的预测,测定结果与离线化学分析方法的相关性分别为０．９９９,０．９９０和０．９７４。工业生产过程的菌种、培养基和工艺     

乳腺癌的傅里叶变换红外光谱成像研究

傅里叶变换红外光谱(FTIR)成像技术可同时获得组织样本的空间分布信息和红外光谱信息。本文利用FTIR成像技术对离体原位乳腺组织样本进行原位研究,通过特征谱带吸光度比值(面积比值)图像结合FTIR光谱分析研究健康和癌变乳腺组织的差异。发现乳腺癌组织的特征带吸光度比值A1087/A1455、A1238/A1455、A1550/A1455、A1650/A1455相对于健康组织明显增大,A1160/A1087、A1740/A1550则减小。研究结果论证了乳腺组织癌变过程中大分子含量的变化规律,体现了FTIR成像技术在乳腺癌诊断方面的准确性、直观性和可行性,其有潜力成为基础研究和临床诊断的一种准确有效的技术手段。     

ATR-FTIR分析冻结—解冻后的牛肉蛋白二级结构变化

研究了牛肉蛋白质二级结构稳定性在-18,-23及-38 ℃不同温度下的变化情况,明确了肉品工业中不同冷冻温度对肉品品质的作用机制。利用了傅里叶变换衰减全反射红外光谱(attenuated total reflectance Fourier transfer infrared spectroscopy,ATR-FTIR)技术、自动去卷积以及曲线拟合等计算方法,分析了-18,-23及-38 ℃三个温度下,牛肉肌原纤维蛋白(myofibrillar protein,MP)在冻结—解冻过程中的红外光谱图变化及蛋白质二级结构变性程度。ATR-FTIR结果显示,冻结—解冻过程中牛肉MP红外光谱图峰高、峰面积发生变化,且峰波数发生红移或者蓝移;冻结—解冻后牛肉MP红外光谱图中3 500～3 300 cm-1波段的吸收峰强度减弱甚至消失,说明解冻后牛肉MP中的结合水中O—H基团与氨基酸CO基团形成的分子内和分子间氢键断裂;冻结会影响牛肉MP二级结构的稳定性,导致牛肉蛋白质二级结构发生变化,其中除了无规则卷曲比例上升以外,α-螺旋、β-折叠、β-转角含量均下降,造成有序结构向无序结构转变;解冻后,冻结温度为-38 ℃的处理组牛肉β-折叠增加量大于-23和-18 ℃处理组,-38 ℃冻结牛肉MP二级结构的稳定性最好,解冻后蛋白质复性也最好。即蛋白质冷冻变性程度随着冻结温度的降低而减轻,蛋白质二级结构特征保持也越好。该试验研究基于肉品工业生产实际,研究结果从微观层面揭示了冻结温度对牛肉蛋白质变性的影响规律及可能的机制,为冷冻肉冻藏保鲜工艺制定提供了参考。     

Fourier Transform Infrared Spectroscopic Analysis of Breast Cancer Tissues; Identifying Differences between Normal Breast,Invasive Ductal Carcinoma,and Ductal Carcinoma In Situ of the Breast

Abstract

A nondestructive method employing Fourier transform infrared (FTIR) microspectroscopy coupled with attenuated total reflectance (ATR) objective for the analysis of histopathological specimens is described. Malignant breast tissue specimens have been analyzed to demonstrate the hypothesis that chemical changes taking place in biological tissue can be reliably and reproducibly identified. This study is the first report to elucidate clear spectral differences between different ductal carcinoma in situ (DCIS) grades. Sixty individual cases of breast carcinoma including DCIS and invasive ductal carcinoma (IDC) and seven cases of normal breast tissues were studied using the FTIR-ATR spectroscopic technique. FTIR analysis of tissue sections has provided distinct spectra that can be used to distinguish between the nuclear grades of DCIS and IDC of the breast. It was concluded that FTIR could objectively and reproducibly discriminate between DCIS and IDC grades without sample destruction. In the future, applications of FTIR approaches should become feasible in the nondestructive express classification of grades and diagnosis of breast carcinoma.     

二维红外相关光谱研究熟度对肌原纤维蛋白构象的影响

熟度是指牛排烹煮到可食用的程度,是影响牛排的适口性和消费者满意度的重要因素.肌原纤维蛋白是肌肉中一类重要的盐溶性结构蛋白群,其热凝胶特性与肉品品质密切相关.加热是使生肉变熟的关键工艺,近年来,国内外在加热过程对肌原纤维蛋白凝胶特性及其结构变化影响方面开展了广泛的研究,但在熟度对牛肉蛋白结构影响研究方面却鲜有报道.为了探...     

傅里叶红外结合拉曼分析卡拉胶寡糖对南美白对虾蛋白结构影响

为深入研究卡拉胶寡糖对反复冻融南美白对虾样品品质与蛋白变化影响,采用傅里叶变换中红外（Fourier transform infrared, FTIR）互补结合激光显微拉曼（micro Raman）光谱技术,以不同预处理方式（无菌蒸馏水、三聚磷酸盐溶液与卡拉胶寡糖溶液）下反复冻融南美白对虾肌原纤维蛋白为研究对象,深入研究了卡拉胶寡糖预处理对不同冻融阶段南美白对虾肌肉品质和蛋白的影响机制。分别对三种预处理方式下经0,2,4和6次冻融循环后的南美白对虾肌原纤维蛋白进行FTIR和拉曼光谱分析。FTIR和拉曼一阶谱图中各特征峰强度变化谱图可得出,随冻融次数增加,南美白对虾肌肉的蛋白损失和结构破坏明显加剧。样品肌肉蛋白二级结构的主链构象主要由酰胺Ⅰ带（1 600~1 700 cm-1）表征,FTIR分析显示新鲜虾肉蛋白二级结构以β-转角为主,其次为β-折叠,其弥补了拉曼光谱对β-折叠和β-转角的不敏感。FTIR与拉曼光谱酰胺Ⅰ带高斯拟合后谱图可定性定量显示冻融过程中样品的蛋白二级结构变化主要是α-螺旋结构的减少与无规卷曲结构的增加,而卡拉胶寡糖预处理能明显抑制冻融过程中α-螺旋结构的损失。FTIR对蛋白表面氨基酸变化不敏感,拉曼光谱则可互补显示样品蛋白侧链的构象变化。其表征酪氨酸残基的谱带出现在850和830 cm-1,峰强比表征了样品中酪氨酸的暴露程度在冻融期间呈增长趋势;脂肪族侧链氨基酸残基的C-H弯曲与伸缩振动分别在1 440~1 465和2 800~3 100 cm-1区间,1 448和2 935 cm-1处峰强变化表征了样品侧链氨基酸的疏水相互作用在冻融过程中逐渐增强。拉曼光谱中蛋白侧链的特征谱带变化表明冻融过程使虾肉蛋白中分子内、分子间氢键断裂和侧链酪氨酸、脂肪族氨基酸残基暴露,而卡拉胶寡糖处理后明显延缓了该变化。因此,卡拉胶寡糖可延缓反复冻融虾肉蛋白中氢键断裂、侧链疏水基暴露,进一步稳定蛋白二级结构,维持其蛋白功能特性,从而起到对反复冻融南美白对虾肌肉品质的保护作用。同时,本研究将FTIR与拉曼光谱技术结合应用在卡拉胶寡糖对冻融南美白对虾肌肉品质保护机制研究上,发现FTIR在南美白对虾蛋白二级结构的表征上更敏感,拉曼光谱则能为样品蛋白侧链构象变化提供参考,二者结合可通过提供互补信息,更好表征样品经处理后蛋白的结构变化。     

乳腺癌组织中蛋白质与核酸分子氢键特征的研究

正常乳腺组织与乳腺癌组织的红外光谱之间存在明显而规律的差异,其中包括蛋白质与核酸等生物分子的氢键缔合方式和程度上的不同。光谱的变化主要表现在：（1）蛋白质的酰胺Ⅰ带,N－H基团和某些氨基酸残基上C－O（H）基团的振动谱带;（2）核酸分子中磷酸二酯的反对称伸缩振动谱带和配对的碱基N－H基团振动等谱带上。氢键是维系和促进蛋白质与核酸高级结构形成的重要作用力,癌变时氢键的变化与癌细胞的特殊生物学行为密切相关,因此有可能利用氢键的这些光谱特征作为乳腺癌诊断和预测癌变可能性的指标。     

光谱学方法结合化学计量学用于癌诊断研究

对近年来采用多种光谱学方法对癌诊断研究工作进行了简要综述。利用电感耦合等离子体原子发射光谱分析(ICP-AES)法对人血清中微量元素含量进行了测定,将双向联想记忆神经网络(BAM)用于建立微量元素与肺癌、肝癌和胃癌之间的关系,建立了分类鉴定模型;利用近红外光谱技术非破坏无损检测的特性,采用化学计量学方法对子宫内膜癌组织的近红外光谱(NIRS)进行特征变量提取,用模糊规则专家系统建立诊断模型,取得了满意的结果;建立了一种基于粒子群优化(PSO)方法对近红外光谱变量进行选择,然后采用支持向量机(SVM)建立诊断模型;太赫兹时域光谱(THz-TDS)技术是近年来受到重视的一种非破坏无损检测方法,由于其辐射能量低,因此对于生物样品检测具有很好的发展前景。采用THz-TDS技术对子宫颈癌组织进行测试,对这些癌组织的THz光谱采用导数光谱、正交信号校正(OSC)等光谱预处理方法减少干扰成分和变量选择后,分别采用模糊规则专家系统(FuRES)、模糊优化联想记忆网络(FOAM)、支持向量机(SVM)和偏最小二乘判别分析(PLS-DA)等方法建立分类模型,均取得了较满意的结果。这些研究结果为研究癌的发生和发展提供了有用的信息,为癌的早期诊断提供了新的方法。     

红外光谱法结合化学计量学对可擦笔油墨检验的研究

可擦笔作为一种新型书写工具,具有墨迹可擦除的特点,因此在当前的公安司法工作中,常见不法分子利用可擦笔对文件进行篡改.为保证物证的完整性,亟待建立一种无损,快速的可擦笔油墨检验方法,为寻找书写工具,确定犯罪嫌疑人提供帮助.常见可擦笔油墨可分为成膜油墨类和温变油墨类,本研究利用傅里叶变换红外光谱仪对市场收集的不同品牌、型号...     

三七炮制前后的红外光谱分析研究

采用红外光谱并结合二维相关红外光谱法对生三七和熟三七进行了研究,分析比较三七炮制前后化学成分的变化。在一维红外谱图上,生三七和熟三七在1 200~400cm-1波段内的相似度较高,不同的是熟三七在2 925,2 855,1 746,1 460,1 376,1 158cm-1出现了花生油的特征峰,这是由于采用煎炸法炮制三七所残留的花生油所引起的。两者药效组分的特征差异在二维相关红外谱图上显示得更为明显和直观,在1 400~1 700cm-1区域,生三七仅在1 650cm-1附近有一个强自动峰,而熟三七在1 469和1 640cm-1附近均有自动峰。在1 120~1 250cm-1区域,生三七和熟三七共有1 139(1 137),1 194(1 196),1 219(1 221)cm-1三个自动峰,不同的是各自动峰的相对强度发生了变化,生三七经炮制后1 139cm-1峰的增强,而1 194cm-1峰减弱。二维相关红外光谱的变化规律说明了三七药材在炮制的过程中发生的主要变化是黄酮、糖类、皂苷等成分的分解。该方法揭示了三七在炮制过程中所发生的物理化学变化过程,从红外光谱的角度解释了三七"生消熟补"的药理。