二維相關(guān)紅外光譜及其應(yīng)用

　1 引言

　　二維相關(guān)光譜是一種實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與數(shù)據(jù)處理相結(jié)合的分析技術(shù)。對(duì)于每一種樣品體系，需要根據(jù)研究目的，設(shè)計(jì)合適的實(shí)驗(yàn)方案，通過(guò)對(duì)樣品施加特定的微擾(包括機(jī)械拉伸力、溫度、壓力、濃度、磁場(chǎng)、光照等)，誘導(dǎo)光譜信號(hào)產(chǎn)生動(dòng)態(tài)變化，對(duì)一系列的動(dòng)態(tài)譜圖進(jìn)行相關(guān)分析計(jì)算，便得到二維相關(guān)譜圖(圖1)。二維相關(guān)譜圖反映的是樣本中各種組成成份或者微觀結(jié)構(gòu)單元相應(yīng)于外界微擾的變化情況，以及這些變化之間相互的聯(lián)系。目前應(yīng)用最廣泛的是以溫度為變量的二維相關(guān)紅外光譜技術(shù)。

　　2 二維相關(guān)光譜的特性

　　二維相關(guān)光譜可用三維立體圖或二維等高線圖進(jìn)行可視化顯示，便于直觀地對(duì)二維信息進(jìn)行解析。在二維相關(guān)光譜的等高線圖中，z坐標(biāo)軸值用x-y平面中的等高線表示。同步相關(guān)光譜代表兩個(gè)動(dòng)態(tài)紅外信號(hào)之間的協(xié)同程度，它是關(guān)于主對(duì)角線對(duì)稱的。相關(guān)峰在對(duì)角線和非對(duì)角線區(qū)域均會(huì)出現(xiàn)。在對(duì)角線上有一組峰，它是動(dòng)態(tài)紅外信號(hào)自身相關(guān)而得到的，所以稱為自動(dòng)峰。自動(dòng)峰總是正峰，它的強(qiáng)度代表外擾引起的變化程度。強(qiáng)的自動(dòng)峰對(duì)應(yīng)于動(dòng)態(tài)譜中強(qiáng)度變化較大的區(qū)域，而保持不變的區(qū)域則顯示出非常小或沒(méi)有自動(dòng)峰，這與微觀環(huán)境對(duì)官能團(tuán)運(yùn)動(dòng)的影響是密切相關(guān)的。在二維相關(guān)圖中(見(jiàn)圖1)，以圓圈的個(gè)數(shù)代表Φ(ν1,ν2)的絕對(duì)值。在坐標(biāo)(A,A)，(B,B)，(C,C)和(D,D)處的自動(dòng)峰分別具有2，1，4和2個(gè)圓圈，表明(C,C)處的自動(dòng)峰最強(qiáng)，而(B,B)處的自動(dòng)峰最弱。

　　二維同步相關(guān)光譜中位于主對(duì)角線以外的峰叫做交叉峰，它顯示擾動(dòng)發(fā)生過(guò)程中ν1和ν2處的強(qiáng)度變化的相關(guān)變化。為了便于觀察自動(dòng)峰和交叉峰的強(qiáng)度的相關(guān)變化，可以構(gòu)造一個(gè)相關(guān)正方形，把對(duì)角線上的自動(dòng)峰和兩側(cè)的交叉峰連貫起來(lái)。所以A和C，B和D是同步相關(guān)的(圖1a)。交叉峰的符號(hào)既可為正也可為負(fù)。如果發(fā)生在ν1和ν2處的強(qiáng)度變化是同一方向的，那么Φ(ν1,ν2)為正；反之，如果發(fā)生在ν1和ν2處的強(qiáng)度變化是沿著相反方向的，那么Φ(ν1,ν2)為負(fù)。

圖1 二維光譜（a）同步 （b）異步

　　異步光譜代表兩個(gè)動(dòng)態(tài)紅外信號(hào)的光譜強(qiáng)度變化順序。與同步光譜不同的是，異步光譜是主對(duì)角線反對(duì)稱，沒(méi)有自動(dòng)峰，完全是由對(duì)角線兩側(cè)交叉峰組成(圖1b)。但可用一對(duì)反對(duì)稱的交峰和對(duì)角線上相應(yīng)的點(diǎn)繪制異步相關(guān)正方形。異步交叉峰的產(chǎn)生是由于兩個(gè)光譜峰的強(qiáng)度變化存在相對(duì)的加速度，這種特性可幫我們區(qū)分重疊在一起的起源不同的峰。

　　在一維動(dòng)態(tài)光譜中，因靠得太近而重疊在一起的兩個(gè)吸收峰，如果是來(lái)自不同的官能團(tuán)，就有可能在二維異步相關(guān)光譜中呈現(xiàn)為兩個(gè)明顯的獨(dú)立峰。二維異步相關(guān)分析常用來(lái)提高光譜的分辨率，系統(tǒng)中的不同化學(xué)組成、相同化學(xué)成分的不同相、同相中相同化學(xué)成分的不同官能團(tuán)，在外部干擾下都可能有非同步的響應(yīng)，從而產(chǎn)生異步相關(guān)峰。

　　異步交叉峰的符號(hào)可以是正的，也可以是負(fù)的(用陰影表示)，可以幫助指認(rèn)亞分子官能團(tuán)的變向運(yùn)動(dòng)次序，這有助于研究官能團(tuán)間化學(xué)相互作用的機(jī)理和動(dòng)力學(xué)。如果當(dāng)同步相關(guān)光譜對(duì)應(yīng)位置的強(qiáng)度為正（Φ(ν1,ν2)＞0）時(shí)，正的異步交叉峰（ψ(ν1,ν2)＞0）表示ν1處的強(qiáng)度變化總是先于ν2處的強(qiáng)度變化，負(fù)的表示ν1處的強(qiáng)度變化總是滯后于ν2處的強(qiáng)度變化；當(dāng)Φ(ν1,ν2)＜0時(shí)，上述規(guī)則正好相反。

　　3 應(yīng)用

　　二維相關(guān)譜學(xué)反映的是由外界擾動(dòng)(如溫度、壓力、濃度等)引起的光譜變化的細(xì)微特征，將吸收峰在第二維的尺度上展開，從而提高光譜分辨率，有可能區(qū)分在一維光譜上被覆蓋的小峰和弱峰，從而提高光譜的解析能力。另外，二維相關(guān)譜學(xué)還可以提供以下信息：通過(guò)譜峰之間相關(guān)性來(lái)分析分子內(nèi)部與分子之間的相互作用；檢測(cè)光譜強(qiáng)度的變化次序，能有效地對(duì)化學(xué)反應(yīng)過(guò)程和分子振動(dòng)的動(dòng)力學(xué)過(guò)程進(jìn)行詳細(xì)的研究；可以在不同類型的光譜之間(如紅外和拉曼光譜)進(jìn)行相關(guān)性分析，從而獲得通常光譜所不能獲得的信息。

　　二維紅外相關(guān)光譜在藥物、聚合物、蛋白質(zhì)、生物學(xué)等領(lǐng)域取得了成功的應(yīng)用，如應(yīng)用于聚合物材料的結(jié)構(gòu)性能研究，生物蛋白質(zhì)的次級(jí)結(jié)構(gòu)研究，化學(xué)反應(yīng)的反應(yīng)機(jī)理探討和動(dòng)力學(xué)研究，中草藥成分的鑒定區(qū)別等。我國(guó)在中藥二維相關(guān)光譜方面做了大量的工作，編輯出版了《中藥二維相關(guān)紅外光譜鑒定圖集》，并將溫度變化的二維相關(guān)紅外圖譜用于中藥鑒別、質(zhì)量控制和中藥變質(zhì)的機(jī)理研究等。

　　其中一個(gè)典型的實(shí)例是將二維相關(guān)紅外光譜用于“清開靈”中藥針劑的質(zhì)量檢測(cè)。清開靈注射劑的主要成分為牛黃、水牛角、黃芩、金銀花、梔子等，具有清熱解毒、化痰通絡(luò)、醒神開竅的功效，對(duì)于熱病身昏、中風(fēng)偏癱等疾病有很好的臨床效果。圖2是清開靈變質(zhì)前后的紅外光譜，兩光譜的主要吸收峰非常相近，無(wú)法分辨。