红外光谱定量分析的研究进展

刘玉飞，王方方，黄彩娟，黄 涛，张 凯，于 杰

（1.贵州大学 材料科学与冶金工程学院，贵州 贵阳550025；2.国家复合改性聚合物材料工程技术研究中心，贵州 贵阳550014；3.贵州凯科特材料有限公司，贵州 贵阳550014）

0 前言

红外光谱定量分析无需样品预处理，具有精度高、分辨率高、测定波段宽等特点，在预防医学［1］、石油［2］、药 物［3］、农 业［4］、石 化［5］、食 品、烟 草、生物［6］等领域，以及聚合物接枝率、交联度等方面得到了广泛应用。我国近红外光谱仪器发展也取得了诸多成果。

红外光谱定量分析的计算方法主要基于朗伯-比尔定律：A＝lgI0／I＝εCL。式中：I0和I分别为入射光和透过样品后的透射光的强度；A为吸光度，与物质的浓度C、厚度L成正比；ε为吸光系数，与基团的结构、所处的环境有关，取决于基团振动时偶极矩的变化率。在红外光谱定量分析中，可以用峰位吸光度（图谱中的峰高）和吸收峰面积积分两种方法表示。利用偏最小二乘回归法［7］、人工神经网络等［8］化学计量法可解决红外光谱中严重重叠和非线性等问题，对药品、食物等物质定量分析，并可检测其中有害物质和营养成分。作者阐述了红外光谱定量分析在药物、食品、有机合成机制等中应用，以期对同行有所帮助。

1 在药物分析中应用

药物与人们的身体健康息息相关，其质量检测至关重要。基于每种分子都有由其组成和结构决定的红外吸收光谱，因此可以用红外光谱定量分析的方法对分子结构分析和鉴定。Martí-Aluja Idoia等［9］通过红外光谱的多元曲线分辨率的交替最小二乘法定量分析齐多夫定、依法韦仑和利托那韦等对胰岛素聚合的影响。Nicolle F Robaina等［10］通过傅里叶红外变换光谱在透过薄膜的传输模式中测定制药配方中的阿奇霉素。

吴笛等［11］利用傅里叶红外变换光谱定量表征了与柳叶水甘草碱（TAB）作用前后的牛血清白蛋白（BSA）二级结构的变化。与TAB作用前的光谱图与缓冲液光谱图差谱得到相互作用前BSA的红外光谱；与TAB作用后的光谱图与药物光谱图差谱得到相互作用后BSA的红外光谱图。将得到的红外差谱在1 600～1 700cm-1波数段进行傅里叶去卷积处理和线性拟合，获得各子峰的吸收频率和峰宽，并对其进行多次拟合，使残差最小。对得到的每一个子峰进行归属，根据其积分面积计算各个二级结构的质量分数。

朱玉婷等［12］通过红外光谱特征峰吸光度定量葛仙米多糖硫酸酯的取代度。通过测量吸收峰高度和测量吸收峰面积两种方法进行。其研究结果与比浊法测定取代度相比，无统计学误差，为红外光谱定量测定多糖取代基种类提供了实验依据。

姚羽等［13］建立了傅里叶红外变换衰减全反射光谱法（FTIR-ATR）测定氨苄西林钠中二甲硅油的质量分数，并探索二甲硅油与药物澄清度的相关性。用峰面积代替朗伯-比尔定律：A＝εCL中的A值进行定量分析。利用的是吸收峰的全部信息。其准确性、重现性都高，所以采用峰面积法定量分析。

赵霞等［14］建立了傅里叶红外变换衰减全反射光谱法（FTIR-ATR）测定药用卤化丁基橡胶塞表面的硅油量。利用二甲基硅油在（1 260±10）cm-1波数的特征吸收峰峰面积定量测定。结果表明：该方法灵敏，准确可靠，可用于药用卤化丁基橡胶塞表面残留硅油的定量测定。

Yuan Chang-ji等［15］用近红外光谱法快速测定冬虫夏草中的腺苷和多糖。近红外光谱法被用来建立冬虫夏草菌丝体粉中的腺苷和多糖的定量分析模型；并用多种不同的光谱预处理方法完成红外光谱的转变，且最终消除原始光谱的噪声。测量腺苷和多糖的偏最小二乘法定量分析模型的交叉验证校正集的最佳均方根值分别是0.759 2和0.009 3，而它的预测集的均方根值分别是0.672 0和0.008 3。结果表明：通过建立模型，采用近红外光谱法测定冬虫夏草中的腺苷和多糖是可行的。

Abrahamsson Christoffer等［16］用时间分辨的近红外光谱对药片定量分析。这项技术能够检测样品的吸收性能和散射性能，因此，在对样品的物理参数的处理中，该技术比传统的近红外投射光谱法更好。实验使用一个脉冲宝石激光，结合一个非线性光子晶体光纤作为光源；用一个时间分辨条纹相机测量通过样本的光线；并用不同氧化铁的浓度和不同厚度的药片作为样本进行实验；最后用时间分辨技术传输的结果与用传统的近红外光谱传输的结果进行比较。用时间分辨技术测量的数据比用传统的近红外光谱传输技术测量的数据建立的偏最小二乘法模型好。

Michelle C H等［17］用拉普拉曼光声光谱法和近红外光谱法定量分析药片中的多形体杂质。在固体剂型的制造和分析中，原料药中交变多晶型物的检测和定量是一个关键问题。每一种多晶型物都有其独特的物理和化学性质。这些性质直接影响溶解度和生物药效率等。近红外光谱法和拉普拉曼光声光谱法可以快速地测定固体样本中多晶型物。在这项研究中建立了两种赋形剂和质量分数为10%的API（吡拉西坦的两种多晶型物FII和FIII的混合物）的药片系统模型。用拉普拉曼光声光谱法和近红外光谱法可以检测药片中的多晶型污染物FII。它的检测限分别为0.6%和0.7%。

2 在食品中应用

食品是人类赖以生存和发展的最基本的条件。随着人们生活水平的不断提高，食品工业获得了空前的发展，食品检测技术也显得至关重要。用红外光谱定量分析的方法对食品检测也越来越普遍。Simon A H等［18］用近红外光谱法检测掺杂三聚氰胺的豆粕粉。Bogomolov A等［19］对乳脂和蛋白质在400～1 100nm范围内的分散光谱定量分析。Lynch J M等［20］用中红外光谱法分析牛奶中的成分。

于修烛等［21］通过FTIR-ATR技术在三台不同的红外光谱仪上采集光谱，并用负二阶导法（-2D法）分析光谱。在负二阶导光谱图中，反式脂肪酸在966～963cm-1的峰高与反式脂肪酸的质量分数，回归得到红外定标方程。用验证样品集对定标方程验证，获得验证相关系数为0.999 2。结果表明：-2D分析法在FTIR-ATR技术测定油脂中反式脂肪酸是可行的；与传统的方法相比，无需相应的基准油脂作为参考。

倪昕路等［22］采用傅里叶红外变换光谱法定量分析食品及油脂中反式脂肪酸的质量分数。由峰面积与反式脂肪酸的质量分数的线性校准曲线定量计算反式脂肪酸在油脂中的质量分数。结果表明：该方法可通过反式双键的特征峰对样品油脂中的反式脂肪酸准确定量，具有简单、快速、准确等特点，适用于食品营养标签的测定。

王丽杰等［23］利用近红外（NIR）漫反射光谱（1 100～1 700nm）测量牛奶中脂肪、蛋白质和乳糖的质量分数。采用偏最小二乘方（PLS）回归，建立了测量光谱与牛奶中主要成分的质量分数之间的校正模型，并对其预测重复性进行了研究；进而探讨了非线性校正方法径向基函数网络（RBFN）的可行性，还与PLS线性校正模型对比；探讨了如何提高PLS校正模型预测精度等相关问题。

Niu Xiaoying等［24］通过傅里叶近红外变换光谱和化学计量法，并用高效液相色谱法作为参考方法，研究了定量分析藕粉中的葡萄糖和果糖的质量分数的可行性。运用PLSR，FiPLS，BiPLS等线性分析法以及ANN和LS-SVM等非线性分析法对定量模型的性能进行评估和比较。结果表明：近红外光谱技术结合最小二乘支持向量机可以有效地定量分析藕粉中葡萄糖和果糖的质量分数。

Ji Haiyan等［25］通过人工神经网络和近红外反射光谱的傅里叶系数定量分析小米中的蛋白质。在建立小米中蛋白质的定量分析校正模型时，小米的近红外反射光谱的前几个傅里叶系数可以被用作人工神经网络的输入节点。该方法的优点是可以降低普频，还可以用理想滤波器过滤高频噪声。利用人工神经网络定量分析模型可获得更好的结果。蛋白质的相关系数和相对标准偏差的校正集分别是 0.971 和 2.40%，预测集是 0.955和2.96%，取得了较好的成果。

Reis Nádia等［26］利用傅里叶漫反射红外变换光谱法和化学计量法定量分析炒咖啡中的多种添加剂。该方法将偏最小二乘回归法一阶导数的校准和验证模型运用到检测和定量分析人为掺杂的磨碎的炒咖啡中的杂质。这些杂质的质量分数为1%～66%。对该模型的研究主要应用了3 200～2 730cm-1和1 800～700cm-1光谱区的组合；校准集和验证集的回归系数分别为0.99和0.98，并且校准和验证误差也很低，分别为1.23%和2.67%。其主要优点是，可以避免使用一些有毒溶剂和试剂，而且也不需要高技术人员在质检实验室进行常规的程序分析。

3 在其他方面应用

红外光谱定量分析除了检测药品、食品成分外，还对高分子合成机制的探究、产物的产率分析等都有一定的应用。

冯书香等［27］利用傅里叶红外光谱技术研究了甲基叔丁基醚（MTBE）的红外光谱特性。在校正集的质量分数范围（0.6%～20%）内，质量分数与吸光度呈现较好的线性关系。其线性相关系数为0.999，检测限为0.12%，并结合经典最小二乘法预测了汽油样品中MTBE的质量分数。结果表明：该方法准确、方便，能够满足快速检测汽油中MTBE的要求。

孙媛等［28］采用傅里叶显微红外变换光谱技术对采自中国3个产地的14片天然IaAB型钻石进行了系统的面扫描分析。根据显微红外光谱谱图定量计算钻石中的氮的质量分数（1 616个红外测试数据），并进行填图示踪。显微红外光谱面扫描法填图显示的杂质元素的定量分析数据，可以为不同成因环境，甚至对不同产地的钻石提供有价值的参考，显示出显微红外光谱技术在解释矿物晶体的微观信息方面具有更大的空间。

张萌萌等［29］采用红外光谱测试技术，通过计算羰基特征峰的面积与甲基峰面积之比来表征副反应程度。比值愈大，副反应愈多。该计算方法得到了核磁共振的验证。

朱寒等［30］将原位全反射傅里叶红外光谱技术应用于研究稀土催化Ip配位聚合反应过程及聚合反应动力学。根据特征峰归属及吸收峰强度，将特征峰的强度数据用于计算单体在聚合过程中的转化率，从而获得特征峰的强度与单体转化率的关系。

赵姜维等［31］将原位全反射傅里叶红外光谱技术应用于研究稀土催化丁二烯配位聚合反应；探讨了采集FTIR谱图的背景，用于定量计算的特征峰的选择与确定，单体浓度和所确定的特征峰强度的关系；以及丁二烯溶液聚合反应动力学等。结果表明：3个特征峰的强度均与丁二烯的浓度成正比关系，并确定904cm-1处特征峰强度用于定量计算丁二烯聚合反应的转化率。丁二烯聚合反应速率与单体的浓度呈现一级动力学关系。

张汇萌等［32］采用FT-IR跟踪法研究了双酚S与环氧氯丙烷的醚化反应；并使用回归分析法研究了醚化物在FT-IR中的醚键特征峰强度与酚羟基转化率之间的关系。发现两者存在良好的二次函数关系，建立了FT-IR法测定醚化反应中酚羟基转化率的标准工作曲线；并利用该曲线研究了双酚S与环氧氯丙烷的醚化反应动力学。结果表明：在环氧氯丙烷过量的情况下，醚化反应速率与酚羟基的浓度相关。当酚羟基的浓度小于临界值时，该反应为一级反应；当酚羟基的浓度大于临界值时，该反应为零级反应。

吴艳光等［33］利用异佛尔酮二异氰酸酯（IPDI）与聚叠氮缩水甘油醚（GAP）反应生成—NCO封端的GAP预聚物。该预聚物再与NC中的—OH交联形成高分子网络结构。反应过程中—NCO的浓度会逐渐降低，—NCO在2 270cm-1处的FT-IR吸收峰强度逐渐减弱。因此，可通过该峰强度变化，采用2 100cm-1处—N3吸收峰作为测试的内标峰，定量描述—NCO与—OH的反应程度。

尚建丽等［34］通过加速老化试验，分别对三种常用的外墙涂料进行了物理性能的测试。应用涂层光泽度、厚度损失率作为涂层老化的评价参数。在分析紫外光对建筑外饰面涂层的影响及机制基础上，采用红外光谱技术对其耐久性分析。结果表明：在该人工模拟环境中，经过多次老化循环后光泽度损失率和厚度损失率为定值。红外光谱技术可以对涂层的老化进行定量分析。

丰晓等［35］利用红外光谱测定了沥青老化前后羰基吸收峰的红外光谱；计算了不同老化沥青的吸光度的比值（光线通过溶液或物质前的入射光强度与该光线通过溶液或物质后的透射光强度比值的以10为底的对数），并对其针入度的变化进行了对比。结果发现：沥青老化与针入度之间有很好的相关性。利用红外光谱法测定沥青老化前后1 700 cm-1处羰基吸收峰的红外光谱，并计算其吸光度的比值，可以定量分析沥青的老化程度。

4 展望

近年来近红外光谱仪器呈现小型化、便携化、专用化等趋势。国产仪器要应用于民生检测领域，才能够发掘出巨大市场。饲料、食用油、药品、食品、纺织、化工等行业都是近红外光谱仪器潜在的应用领域。红外光谱检测技术虽然已经在多个领域得到了广泛应用，但同样也存在一些问题和挑战。例如：中红外光谱区集中了太多的信息，使得该区图谱复杂，相邻峰之间重叠严重，给分析鉴定带来了一些困难。目前近红外光谱仪在面料检测领域的应用还不普及，面料检测精度要求优于1%成为推广中面临的巨大挑战。因此，红外光谱检测技术在未来还存在很大的发展空间。

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