當(dāng)代傅立葉變換紅外光譜技術(shù)的應(yīng)用

沈愛平

黃岡職業(yè)技術(shù)學(xué)院

引言

傅立葉變換紅外光譜技術(shù)（Fourier transform infrared spectros?copy，F(xiàn)TIR）是以4000 cm-1～400cm-1連續(xù)波數(shù)的紅外光對(duì)測(cè)定對(duì)象進(jìn)行照射，通過采集透過或由測(cè)定對(duì)象表面反射的光譜，經(jīng)傅立葉轉(zhuǎn)換得到各波數(shù)光譜透過或被吸收的量，借助適當(dāng)?shù)臄?shù)據(jù)分析手段，得到檢測(cè)結(jié)果的一種分析方法。傅立葉變換紅外光譜儀是第三代紅外光譜儀，具有高光通量、低噪聲和測(cè)量速度快等一系列優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)紅外譜線波長(zhǎng)較長(zhǎng)，能量小，所以不破壞樣品的結(jié)構(gòu)，可以實(shí)現(xiàn)多項(xiàng)指標(biāo)同時(shí)測(cè)定、多個(gè)樣品連續(xù)測(cè)定及樣品非損傷性測(cè)定等要求。FTIR實(shí)現(xiàn)了由化學(xué)研究領(lǐng)域發(fā)展到臨床醫(yī)學(xué)和微生物鑒定等研究領(lǐng)域，從離體分析發(fā)展到在體內(nèi)無損分析，具備測(cè)定時(shí)間短、靈敏度高、操作簡(jiǎn)便等優(yōu)點(diǎn)，是實(shí)時(shí)、在線、原位定性/定量分析測(cè)定的方法之一，目前已廣泛應(yīng)用于臨床醫(yī)藥、生物、食品、環(huán)保、農(nóng)業(yè)和化工等各個(gè)方面。本文主要對(duì)FTIR在臨床疾病檢測(cè)、微生物研究及中草藥分析中的應(yīng)用進(jìn)行了簡(jiǎn)要介紹。

一、在臨床疾病監(jiān)測(cè)方面的應(yīng)用

目前癌癥的臨床診斷主要靠病理解剖和組織細(xì)胞學(xué)，但往往受經(jīng)驗(yàn)和主觀性所限。由于細(xì)胞和組織紅外光譜能反映出蛋白質(zhì)、核酸、脂質(zhì)和糖類分子在細(xì)胞內(nèi)的含量、構(gòu)型、構(gòu)象及其所發(fā)生的變化，因此，紅外光譜能在分子水平上揭示正常組織和癌組織之間存在的差異，有可能發(fā)展成為癌癥簡(jiǎn)便、快速、準(zhǔn)確的診斷方法。

王健生等[]提取胃癌組織細(xì)胞和胃癌旁正常組織細(xì)胞的細(xì)胞膜，將細(xì)胞膜進(jìn)行溴化鉀壓片，應(yīng)用Nicolet Magna750型紅外光譜儀對(duì)溴化鉀壓片進(jìn)行紅外光譜檢測(cè)，經(jīng)過特征性光譜的比對(duì)，發(fā)現(xiàn)胃癌組織細(xì)胞膜的紅外光譜特征與相應(yīng)正常組織細(xì)胞膜光譜特征存在異同，另外胃癌組織細(xì)胞膜與胃癌組織、胃癌細(xì)胞株的光譜特征也存在異同，主要表現(xiàn)在與脂類相關(guān)的2920 cm-1、2850 cm-1、1740 cm-1譜帶的變化，為胃癌的診斷提供了參考。

傅立葉變換紅外光譜技術(shù)檢測(cè)惡性腫瘤不僅快速、無創(chuàng)和廉價(jià)，更重要的是它可以提高惡性腫瘤的診斷水平，在惡性腫瘤的研究中已日益顯示出它的優(yōu)勢(shì)，可以檢測(cè)出通過組織學(xué)分析未能發(fā)現(xiàn)的更早期的惡性腫瘤。

二、在微生物研究中的應(yīng)用

傅立葉變換紅外光譜技術(shù)（FTIR）在微生物研究領(lǐng)域中主要用于微生物的分類鑒定，F(xiàn)TIR通過讀取微生物菌體的細(xì)胞壁、細(xì)胞膜及細(xì)胞內(nèi)組分在內(nèi)的所有組成成分（包括脂多糖、磷脂雙分子層、蛋白質(zhì)、脂肪、多糖以及核酸等）的化學(xué)鍵的振動(dòng)情況，提供整個(gè)微生物菌體生化組成成分的光譜定量信息，反映整個(gè)細(xì)胞組分的光譜特征，結(jié)合基于分級(jí)聚類分析（Hierarchical cluster analy?sis，HCA）和主成分分析（Principal component analysis，PCA）兩種聚類分析模型的化學(xué)計(jì)量學(xué)分析方法，可以成功地實(shí)現(xiàn)對(duì)微生物的分類鑒定。

楊麗君等[]應(yīng)用傅立葉變換紅外光譜技術(shù)對(duì)5種沙門氏菌在光譜上的細(xì)微差別進(jìn)行有效鑒別，采集指紋圖譜數(shù)據(jù)，應(yīng)用化學(xué)計(jì)量學(xué)分析方法對(duì)光譜進(jìn)行分析。建立了5種沙門氏菌的標(biāo)準(zhǔn)FTIR光譜數(shù)據(jù)庫(kù)，建立了基于主成分分析和分級(jí)聚類分析兩種聚類分析模型，成功的對(duì)5種可疑目標(biāo)沙門氏菌進(jìn)行鑒定。這為FTIR技術(shù)用于細(xì)菌株的鑒別能力提供了有力證據(jù)，也說明FTIR技術(shù)結(jié)合化學(xué)計(jì)量學(xué)分析方法在細(xì)菌鑒別中的巨大優(yōu)勢(shì)，將成為細(xì)菌分類鑒定的一個(gè)重要工具。

三、在中草藥分析中的應(yīng)用

中草藥分析是中草藥質(zhì)量控制的關(guān)鍵，中草藥的質(zhì)量控制包括定性和定量?jī)蓚€(gè)方面。定性分析主要包括中草藥真?zhèn)?、產(chǎn)地的鑒別及相似、相近藥材的區(qū)分與鑒定，傳統(tǒng)的定性分析方法有顯微電鏡、薄層色譜等，具有操作復(fù)雜、操作技術(shù)要求高、分析時(shí)間長(zhǎng)等缺點(diǎn)。定量分析主要指有效成分含量的測(cè)定，定量分析方法有紫外光譜法、紅外光譜法等，這些方法需要經(jīng)過復(fù)雜的提取分離等預(yù)處理步驟，測(cè)定成本高且效率較低，無法滿足快速分析和在線分析的要求。近紅外光譜技術(shù)具有預(yù)處理簡(jiǎn)單、操作簡(jiǎn)便、分析速度快等特點(diǎn)，已經(jīng)在中草藥藥材真?zhèn)舞b別、產(chǎn)地及質(zhì)量鑒定、有效組分的快速定性分析及在線質(zhì)量控制等方面得到廣泛應(yīng)用。

劉燕等[]用水蒸氣蒸餾結(jié)合正己烷連續(xù)液-液萃取法提取金銀花，將山銀花的揮發(fā)油將金銀花和山銀花揮發(fā)油溶液滴在溴化鉀窗片上，待溶劑揮發(fā)后形成油膜，用傅立葉變換紅外光譜法測(cè)定紅外光譜；將紅外光譜進(jìn)行基線趨勢(shì)去除和曲線平滑處理；選取1800 cm-1～850 cm-1范圍內(nèi)光譜數(shù)據(jù)作為特征光譜進(jìn)行聚類分析，根據(jù)聚類分析結(jié)果區(qū)分金銀花和山銀花揮發(fā)油樣品。通過8個(gè)樣品的實(shí)際測(cè)定，發(fā)現(xiàn)4個(gè)金銀花樣品聚為一類，其余的樣品聚為一類，顯示所建立的方法可以將金銀花揮發(fā)油與各種山銀花的揮發(fā)油區(qū)分開來，可用于鑒別金銀花揮發(fā)油。

總結(jié)

當(dāng)前傅立葉變換紅外光色譜技術(shù)已向全功能型儀器方向發(fā)展，隨著計(jì)算機(jī)軟件功能、聯(lián)用技術(shù)、全功能附件等方面的迅速發(fā)展，F(xiàn)TIR已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了分析對(duì)象從表面到斷層、從靜態(tài)到瞬間等均可進(jìn)行分析，對(duì)固、液、氣態(tài)檢測(cè)樣品均可在不破壞樣品的情況下進(jìn)行分析。FTIR技術(shù)已經(jīng)成為當(dāng)前分析學(xué)科的一個(gè)重要手段，可以對(duì)樣品進(jìn)行定性及定量分析，在鑒定分析、定量分析等眾多領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用，隨著計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)的不斷創(chuàng)新和紅外光譜硬件技術(shù)的不斷發(fā)展，F(xiàn)TIR技術(shù)將會(huì)在生活相關(guān)的諸多領(lǐng)域中發(fā)揮出越來越重要的作用。

[1]王健生,吳文安,張佳.胃癌及癌旁正常組織細(xì)胞膜中蛋白質(zhì)及脂質(zhì)改變的傅立葉變換紅外光譜研究.西安交通大學(xué)學(xué)報(bào)(醫(yī)學(xué)版),2009,30(4):463-465.

[2]楊麗君,李兆杰,宋曉華等.傅立葉變換紅外光譜技術(shù)對(duì)5種沙門氏菌的快速分類鑒定.微生物學(xué)通報(bào),2013,40(2):373-379.

[3]劉燕,唐鐵鑫,邱新華等.傅立葉變換紅外光譜法鑒別金銀花揮發(fā)油.中國(guó)中醫(yī)藥信息雜志,2013,20(11):63-65.