二维红外相关光谱研究温度对卵转铁蛋白构象的影响

采用傅里叶变换红外光谱(FTIR)和二维相关光谱分析技术研究了无铁卵转铁蛋白和饱和铁卵转铁蛋白在加热条件下(25～95 ℃)构象变化规律。结果表明,随着温度升高,无铁卵转铁蛋白在3 300 cm-1处的峰的迁移程度比饱和铁卵转铁蛋白大,说明卵转铁蛋白结合铁后氢键作用增强,对热的抵抗性增强。二维红外图谱分析显示,无铁卵转铁蛋白与饱和铁卵转铁蛋白的二级结构变化顺序为β-折叠>酰胺Ⅱ>-CH₂-弯曲振动。通过对比无铁卵转铁蛋白和饱和铁卵转铁蛋白的二维同步和异步图谱发现,在1 652和1 688 cm-1处的交叉峰存在差异,卵转铁蛋白结合铁后温度对其二级结构中α-螺旋影响变小,而对β-转角的影响变大。     

温度对胶原蛋白结构影响的二维红外相关光谱的研究

采用傅立叶红外光谱法(FTIR)和二维相关分析(2D Correlation Analysis)技术研究了胶原蛋白在加热(15℃～95℃)条件下构象变化的规律.结果表明:二维相关分析能提供由温度变化引起的蛋白构象变化过程中分子结构动态变化的微观信息,为揭示胶原蛋白的结构特征和变温微扰引起的结构变化机理提供了一些有意义的实验依据和初步的理论分析.     

基于双光谱二维相关谱的葡萄糖溶液温度扰动分析方法研究

在近红外光谱分析应用中,温度扰动导致的光谱变化对于定量分析的准确度影响较大。针对温度扰动识别及定量分析的需要,研究了基于双光谱二维相关谱(2T2D-COS)的光谱扰动分析方法。选择葡萄糖水溶液为样本,根据人体血糖浓度范围和在体组织温度范围设计实验,测量样本在浓度扰动和温度扰动下的透射光谱。对其进行基线校正和滤波预处理后,通过2T2D-COS分析得到浓度扰动和温度扰动下的异步谱。结果表明,温度扰动引起的交叉峰出现在强氢键结合水对应的特征吸收波长(1 474 nm)和弱氢键结合水对应的特征吸收波长(1 410 nm)附近,而葡萄糖浓度扰动引起的交叉峰出现在水分子对应的特征吸收波长(1 450 nm)和葡萄糖分子对应的特征吸收波长(1 595 nm)附近。为了定量分析样品温度,进一步提取了温度扰动异步谱交叉峰1 410 nm波长下的切片谱,其在1 410～1 600 nm波段的相关峰强度随温度的升高而增大,与样品温度之间具有较好的相关性;选择波长(1 475±4) nm范围内的切片谱,对谱峰强度积分后进行线性拟合,建立样品温度的线性回归模型,对温度的预测均方根误差可以达到0.125 9℃。以...     

基于二维相关技术的氯吡脲拉曼光谱分析

氯吡脲作为一种苯脲类生长调节剂,被广泛应用于果蔬中,但是氯吡脲若过量使用,会严重影响果蔬的内在质量,且摄入过多会影响人的身体健康。现有的检测方法,虽然技术上成熟、精度高,但技术条件要求高、样品预处理过程复杂、耗时、检测费用高。利用二维相关拉曼光谱技术对乙酸乙酯中氯吡脲的浓度变化进行检测研究,建立一种灵敏、快速、高效的检测果蔬中氯吡脲的技术提供理论基础,对食品安全具有重大意义。采集氯吡脲粉末的拉曼光谱图,结合氯吡脲分子的结构图可对拉曼光谱谱图中的峰进行归属。配置浓度分别为2.5,5.0,7.5,10.0,12.5,15.0,17.5和20.0 g·L-1的氯吡脲乙酸乙酯溶液并采集拉曼光谱,对不同浓度的氯吡脲乙酸乙酯溶液的光谱数据进行二维相关分析,得到氯吡脲的拉曼二维相关同步谱图和异步谱图,分析同步谱图得出842, 992, 1 044, 1 442和1 604 cm-1的几处交叉峰具有协同作用,随着氯吡脲浓度的升高而升高;分析异步谱图得出交叉峰敏感性为1 044 cm-1>992 cm-1>842 cm-1,1 735 cm-1>1 604 cm-1>1 442 cm-1,842 cm-1>1 735 cm-1。结果表明,乙酸乙酯中氯吡脲的拉曼特征吸收峰分别为842,992,1 044,1 442,1 604和1 735 cm-1,其中1 044 cm-1（苯环的环伸缩振动）、992 cm-1（吡啶环的环呼吸振动）、842 cm-1（C-O-N假对称的伸缩振动）、1 735 cm-1（C=O伸缩振动）对氯吡脲浓度变化比较敏感,敏感度顺序为苯环的环伸缩振动>吡啶环的环呼吸振动>C-O-N假对称的伸缩振动>C=O伸缩振动>多个耦合峰的C=C伸缩振动>C-H的变形振动。拉曼光谱与二维相关技术相结合可以准确地反映出氯吡脲随浓度变化,为果蔬中氯吡脲含量的检测奠定了理论基础。     

广义二维相关光谱技术及其应用

广义二维相关光谱技术目前逐渐成为光谱分析中广泛应用的研究方法,综述了其历史发展、基本原理、获取谱图方法、数学计算过程、谱图性质及其解释规则,并介绍了二维红外、近红外、拉曼和荧光光谱相关光谱技术在各个领域中的应用,展望了广义二维相关光谱技术的发展趋势。     

固体丙氨酸变温过程的二维相关红外分析

采用傅里叶变换红外光谱法 (FTIR)和二维相关分析 (2Dcorrelationanalysis)技术研究了固态丙氨酸的变温过程。结果表明 :固体丙氨酸从室温 2 0℃加温至 15 0℃ ,随着温度的升高 ,红外谱峰的位置和谱峰的相对强度变化不明显 ,除CCN反对称伸缩振动红移了 5个波数以外 ,其余各谱峰平均仅位移了 1～ 2个波数。借助于二维相关分析 ,在 15 70～ 16 5 0cm-1范围内 ,丙氨酸分别出现了 16 2 5和 15 89cm-1两个自动峰 ,16 2 5cm-1处的自动峰较强 ,即NH 3 随温度升高变化较突出 ,其热敏程度较大 ;而 15 89cm-1处的自动峰相对较弱 ,说明COO-随温度升高变化较小。同时二维相关分析还进一步揭示了丙氨酸的结构变化首先以NH 3 为主导 ,然后相应引起CH ,CH3 ,COO-各官能团结构的变化规律。为固态粉末丙氨酸脱氢氧化机理的研究提供了一个重要的理论依据。     

二维红外相关光谱法研究温度对交联胶原结构的影响

采用傅里叶红外光谱和二维相关分析研究了改性前后胶原在升温(25～115℃)过程中结构的变化。结果显示,改性前后胶原的特征吸收峰强度降低,峰值向低波数移动,其中酰胺II带的变化最明显,降低了～10cm-1,表明维系胶原三股螺旋结构稳定的氢键被破坏,结构发生改变。在1 515cm-1处自相关峰强度最强,说明温度对酰胺II带的影响最大。与未改性胶原相比,改性胶原的相关程度更弱,表明改性胶原结构受温度影响要小,交联提高了胶原的热稳定性;改性后胶原结构变化的顺序也不一样。由此可见,二维红外相关分析法能提供由温度引起的胶原结构动态变化的微观信息,对进一步研究改性胶原结构和功能之间的关系有一定的意义。     

大面积二维磁性材料的制备及居里温度调控

当前,尽管集成电路制造工艺水平不断提高,但受到量子效应的限制,器件尺寸的缩小使业界遇到了可靠性低、功耗大等瓶颈,微电子行业延续了近50年的"摩尔定律"将难以持续.2004年二维材料—石墨烯的问世,为突破集成电路的功耗瓶颈带来了新的机遇.由于低维特性,二维材料在一层或者几层原子厚度中表现出丰富多样的电学、磁学、力学和光学...     

二维红外相关光谱在鉴别不同配方树脂中的应用

采用红外光谱结合二维相关分析技术,对添加不同固化促进剂的环氧树脂进行了快速鉴别研究.结果表明,二者在一维红外光谱图上没有差别,但是在二维红外相关谱图上却存在明显的差异.在对4000-2500cm-1和1600-730cm-1两个区域的同步和异步光谱进行研究后发现,配方B有甲基自动峰的出现,而配方A则无;配方A中基团变化顺序为：-CH3＞-CH2＞苯环C=C,醚C-O-C＞一CH2＞苯环C=C,环氧C-O-C＞苯环C=C,苯环=CH＞苯环C=C,苯环=CH＞叔丁基C-C;配方B中基团变化顺序为：环氧C-O-C＞苯环C=C,醚C-O-C＞苯环C=C＞叔丁基C-C,-CH3＞苯环C=C＞叔丁基C-C.研究得到两种树脂体系中-OH、苯环C=C、-CH2、-CH3、叔丁基C-C、醚C-O-C、环氧C-O-C、苯环=CH等基团光谱强度的变化相关性.因此,二维相关红外光谱可以用于揭示树脂反应过程中的高分子链段内不同基团的变化规律和相互作用,并用于一维红外谱图无差别的树脂的鉴别.     

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。     

基于二维相关中红外光谱技术的邻苯二甲酸二丁酯检测研究

利用二维相关红外光谱技术对正己烷中常用塑化剂邻苯二甲酸二丁酯(DBP)的浓度变化进行了检测研究。利用傅里叶变换红外光谱仪对溶于正己烷中的DBP进行检测,得到742,1 078,1 123,1 281,1 467,1 728,2 873,2 933和2 961cm~(-1)特征吸收峰。将红外光谱分为三个波段400~1 200,1 200~1 900和2 900~4 000cm~(-1),通过二维相关光谱分析技术得知在1 123cm~(-1)波段(苯环面外摇摆及O-—C—O单键伸缩运动)、1 728cm~(-1)(C—O双键的伸缩运动)、2 873和2 961cm~(-1)(CH3伸缩运动)以及3 436cm~(-1)(苯环C—H的面内伸缩运动)对DBP浓度变化比较敏感。结合红外光谱宏观指纹技术以及二维相关光谱分析方法,能够较准确的分析出正己烷中的DBP的浓度变化,为食品中塑化剂含量的检测以及研究塑化剂的迁移规律提供了新的思路和方法。     

蛋白质二级结构的二维红外相关光谱模拟研究

利用Voigt函数模拟了蛋白质二级结构的红外光谱吸收带和酰胺I带,其中1680cm-1吸收峰被严重叠加。为了研究二维红外相关光谱分析技术对叠加峰的分辨能力,选取1680cm-1吸收峰作为研究对象。当1680cm-1单峰峰高发生变化时,其同步谱中自相关峰能准确的反映出来。当1680cm-1和1640cm-1双峰峰高都发生变化时,其同步谱中自相关峰不但能准确反映出这两个峰的变化,还能获得1680cm-1子峰对外部扰动的灵敏度高于1640cm-1子峰的信息。它们同步谱中负交叉峰说明了1680cm-1和1640cm-1的变化取向相反,异步谱中该位置的负交叉峰说明了1640cm-1的变化快于1680cm-1。二维相关分析的结果和模拟吸收带假设的变化情况一致。研究表明二维红外相关光谱技术具有高分辨率、高灵敏度等优点,可以用于研究严重叠加的酰胺I带,获取蛋白质二级结构变化的相关信息。     

基于异谱二维NIR-IR相关判别掺杂牛奶

为更快、更准确的判别掺杂牛奶和纯牛奶,将二维异谱NIR-IR相关谱与多维偏最小二乘判别(NPLS-DA)相结合,建立了掺杂牛奶与纯牛奶NPLS-DA模型。首先,准备并配置纯牛奶和浓度范围为0.01~1g·L-1掺杂淀粉牛奶样品各36个,并在室温的条件下采集所有样品的一维近红外透射光谱和中红外衰减全反射光谱。接着,计算了所有样品在4 200~4 800和900~1 700cm-1范围的同步二维NIR-IR相关谱,研究了其二维相关谱特性,并指出虽然该技术可提供更多的信息,但由于掺杂物微量,仍旧无法根据相关图谱直接对比判定牛奶是否掺杂,需要借助模式识别的方法进行判别。最后,将同步二维NIR-IR相关谱与NPLS-DA结合建立掺杂牛奶与纯牛奶的判别模型,该模型对校正集内部样品和预测集外部样品的判别正确率分别为95.8%和100%。此外,为了比较,分别建立了基于二维NIR和IR相关光谱的NPLS-DA模型,两模型对未知样品的判别正确率均为95.8%。研究结果表明:采用NIR-IR相关谱的NPLS-DA模型能提供更好判别结果。该方法可有效提取食品中掺杂物的特征信息,为检测掺杂食品提供了一个新的方法。     

反演波段对DOAS测量大气中O3的性能影响研究

臭氧(O3)浓度通常被认为是一个地方污染水平的基准,所以其绝对值的准确性至关藿要.在差分光学吸收光谱技术(DOAS)对O3的测量过程中,光谱反演波段的选择可直接决定O3浓度的测量准确度.文章主要研究了在不同光谱波段O3特征吸收结构和差分光学厚度(D')的不同,在不同光谱波段O3浓度反演的干扰来源以及影响程度,确定了实际检测时大气消光对不同波段光强的影响,最后通过对多种污染物标准气体进行了同时临测,计算出标准气体在不同光谱分辨率不同O3浓度时的测量误差,确定了对O3的最适用光谱波段范围.在此波段既能够实现对痕量气体的准确定性定量,又能达到测量所需要的高灵敏度,强选择性和适用的时间分辨率.     

二维相关近红外光谱检测牛奶中的三聚氰胺

配置合格的纯牛奶样本及含有三聚氰胺质量浓度范围为0.01g/L～3g/L的掺杂牛奶样本各20个,并采集其近红外光谱。以牛奶中掺杂三聚氰胺浓度为外扰,构建二维相关同步谱,研究其相关谱特性。在此基础上,结合偏最小二乘判别分析法(PLS-DA)建立定性模型,可以实现纯牛奶与掺伪牛奶的定性鉴别,正确识别率达100%。同时,将二维相关近红外同步谱矩阵与偏最小二乘法(PLS)结合起来,建立定量分析牛奶中掺杂三聚氰胺的数学模型。对未知样品的预测相关系数R达到0.98,预测均方根误差(RM-SEP)为0.18g/L,说明基于同步相关谱矩阵建立定量分析的数学模型是可行的。该方法无需样品处理,成本低,为快速检测掺伪牛奶提供了一种新的途径。     

Food Research Applications of Two-Dimensional Correlation Spectroscopy

Abstract

Spectral information on multicomponent systems such as food and agroproducts includes the composition, content of each ingredient, structure of the compound, and so on. However, this information is not easy to obtain; nearly all of the spectra must be dealt with using mathematical methods before the useful information can be read. Two-dimensional correlation spectroscopy (2D-COS) is an effective mathematical method with many advantages, including enhancement of spectral resolution, separation of severely overlapping bands, probing the order of the spectral intensity changes, identification of band assignments, and spectral correlation between different spectra. This method was widely used to study polymers, carbohydrates, proteins, water, and even traditional Chinese medicine. In the food research field, this method has not attracted widespread attention. In order to make full use of this method, we review the applications of 2D-COS in the food research area and hope to provide a useful reference.     

基于紫外可调谐激光吸收光谱技术的甲烷/空气平面预混火焰温度测量研究

火焰温度是燃烧领域最重要的宏观物理量之一,使用紫外可调谐激光吸收光谱技术,以火焰中的OH自由基作为测量对象对甲烷/空气平面预混火焰进行了温度测量。首先使用平面激光诱导荧光(PLIF)技术对甲烷/空气平面预混火焰不同燃烧工况条件下火焰中的OH基分布进行了测量,选取火焰中OH基分布均匀工况进行了紫外吸收光谱温度测量。通过LIFBASE仿真计算,综合考虑温度测量灵敏度、测量信噪比等因素,选择OH基A-X(0,0)吸收带中的P_1(2)和Q_1(8)两支谱线作为被测跃迁。测量时使用Nd∶YAG激光器泵浦染料激光器,经倍频后输出308~311nm紫外可调谐激光。通过染料激光器以0.4pm为步长进行激光波长调谐,分别扫描获得两条吸收谱线的吸收峰线型。对实验数据进行voigt拟合后,通过计算两条谱线的积分吸收值之比,获得了平面预混火焰中的温度信息。分别测量了燃烧器表面不同水平位置与燃烧器中心不同高度处的火焰温度。测量结果与文献报道的采用同样结构燃烧器,通过其他光谱技术获得的测量结果进行了横向对比。在OH基浓度较高的火焰锋面区域测温结果吻合度较高,验证了该技术测量结果的可信度。由于其测量对象与双线OH-PLIF测温的一致性,该技术未来可作为局部温度测量方法,进一步应用于对双线PLIF等二维火焰温度空间分布测量结果的标定当中。     

二维相关红外光谱技术快速鉴别三七及其伪品

采用红外光谱法并结合二维相关红外光谱技术,对三七及其伪品姜黄、白术进行了快速无损的鉴别研究。在一维红外谱图上,三七及其伪品姜黄、白术中的黄酮成分、芳香成分和糖苷类成分的特征吸收峰均存在一定的差异。在1200~700cm~(-1)波数范围内,三七、姜黄均出现淀粉的特征峰,而白术没有显示淀粉的特征峰,根据各药材的红外光谱中淀粉的特征峰的相对强度,可判断三七中淀粉的相对含量要高于姜黄,而白术药材中不含淀粉。在二维红外谱图上,根据三者的自动峰的位置、数量和峰的相对强度的差异,可快速将三者鉴别出来。因此,常规红外光谱法和二维相关红外光谱技术相结合可实现三七的真伪鉴别。     

炮附片、黑顺片和白附片二维红外相关光谱的分析研究

采用红外光谱法(FTIR)并结合二维相关(Two-dimensional Correlation Spectroscopy)分析技术,对炮附片、黑顺片和白附片进行了无损快速鉴别研究。炮附片、黑顺片和白附片在一维谱图上差别不明显,而在二维谱图上凭借各官能团相互作用强度的不同而可以进行一一鉴别。在900～1500cm~(-1)波段内,炮附片在同步图上有一个较强的自动峰,在1220cm~(-1)附近。而黑顺片和白附片不仅在1220cm~(-1)有一个较强的自动峰,还在1200和1400cm~(-1)附近出现了自动峰,且白附片在1400cm~(-1)附近的自动峰比黑顺片的要更强一些;在交叉线的两侧,三者各官能团正的交叉峰白附片最多,黑顺片次之,炮附片最少。结果表明:凭借炮附片、黑顺片和白附片的二维红外相关谱可以作为药材不同炮制法的鉴别依据。该法快速、准确,为中药材的炮制鉴别提供了一种新的方法和手段。