红外光谱的发展和利用

1、文献综述红外光谱的发展和利用摘要：红外吸收光谱的研究开始于20世纪初期，自1940年商品红外光谱仪问世以来，红外光谱在有机化学中得到广泛的应用。近几十年来一些新技术（如发射 光谱、光声光谱、色一一红联用等）的出现，使红外光谱技术得到了更加蓬勃的 发展。国际上出现了一些新型近红外光谱仪器。这些仪器大都是基于微机电系统 技术设计和制造的，本文介绍新型近红外光谱仪器的基本原理和红外光谱的利 用。关键词：傅里叶变换红外光谱分析技术；生物医学诊断；组织检测；法布里一拍罗干涉仪；可编程衍射光栅；扫描光栅Abstract： the infrared absorption spectrum of resear

2、ch started in the early 20th century, since 1940, when the goods since the advent of infrared spectrometer, infrared spectroscopy has been widely used in organic chemistry. In recent decades, some new technologies such as emission spectrum, photoacoustic spectrum, color - red combination, etc.), the

3、 infrared spectrum technology has been more vigorous development. Appeared on the international some new type of near infrared spectrum instrument. These instruments are mostly based on mems technology design and manufacturing, this paper introduces the basic principle of new type of near infrared s

4、pectrum instrument and the use of infrared spectrum.Keywords： Fourier transform infrared spectral analysis technology; Biomedical diagnosis; Organize testing; Method in a ROM interferometer; Programmable diffraction grating; raster一、前言近红外光谱在过程分析技术的整个链条中都能发挥重要作用,因此倍受关注，近 红外光谱仪器也成为分析仪器的热点研究领域之一。尽管近红外光

5、谱仪已有多种 类型成熟的商品化仪器，如傅立叶变换型、光栅扫描型、阵列检测器型、声光可 调滤光器型等,但为生产出低成本、轻巧微型化、低能耗和响应速度快的仪器, 许多研究单位和企业从未放弃对新原理和新技术的开发和应用。由于微机电系统 和微光机电系统技术的兴起,近几年国际上开发出了几种新型的近红外光谱仪 器，如编码光度式近红外光谱仪、法布里一拍罗干涉仪近红外光谱仪、扫描光栅 近红外光谱仪和可编程光栅近红外光谱仪。二、新型的近红外光谱仪器MEMS法布里一拍罗干涉仪近红外光谱仪MEMS是指可批量制作的集微型机构、微型传感器、微型执行器以及信号 处理和控制电路，直至接口、通信和电源等于一体的微型器件或系统

6、,MEMS是随 着半导体集成电路微细加工技术和超精密机械加工技术的发展而发展起来的, 具有微型化、智能化、多功能、高集成度和适于大批量生产等特点。徽机电系统 是微电路和微机械按功能要求在芯片上的集成，尺寸通常在毫米或微米级，具有 重量轻、功耗低、耐用性好、价格低廉等优点。法布里一拍罗干涉滤光器基于多 光束干涉原理，经典的法布里一拍罗滤光器结构它由两块具有很小楔角的光学玻 璃板与两个透镜组成。两块光学玻璃板相对两面互相平行，并涂有高反射率涂层 （反射率在90%以上）。若两玻璃板间距离可以改变，则称为法布里一拍罗干涉仪 若不能改变，称为法布里一拍罗标准具。当多束平行入射光照射到平行玻璃板上， 在相

7、对两面间反复反射和折射后，产生多束相十反射光和透射光。透射光束在透 镜的焦面上叠加，形成等倾圆环状干涉条纹，对应着不同波长成分的光。可编程衍射光栅Polychromix公司基于MEMS可编程衍射光栅原理,推出一种新型的近红外光 谱仪，称为数字转换光谱仪。数字转换光谱仪的核心部件是一个MEMS芯片。该芯片是由数千个可编程控 制的微反射镜组成的阵列。这些微反射镜可以上下移动，形成可编程控制的微型 光栅。通过驱动电路的编程控制，光栅的单元结构元素微反射镜能够按照预期,在 一定程度内发生变形，形成某种编程状态，使得光栅的栅距、闪耀角等特征参数 发生改变,从而可以对光波进行相位控制，使特定波长的光波空间

8、相位按要求重 新分布，产生预期的衍射和干涉能量分布特性。可编程光栅中的每一个微反射镜 都是可以连续控制的可动微机械零件,其位移量由电压控制，位移量不足1um。 MEMS芯片约5ms完成一次波长选择,500ms就可以得到一张高质量的光谱图。MEMS扫描光栅近红外光谱仪德国HiperScan公司基于MEMS扫描光栅开发出一种SCG1900近红外光谱仪。 其光学原理与传统的扫描光栅一样，只是光栅是利用MEMS技术制造的微扫描光 栅，光栅尺寸仅3mm*3mm。MEMS扫描光栅是德国Fraunhofer光子微系统中心的 技术，光栅通过两个扭转弹黄悬挂在底架上,在光栅镜面和底架相邻的内侧周围 安装了联锁梳

9、状结构电极,当施加脉冲电压时,静电力使光栅镜面产生正弦振 荡。这种光栅结构可以在低电压下获得高的偏转角，如电压38V时，光栅镜面的调 制频率为122Hz,机械偏转角可达士8度，振幅稳定性优于0.01度。三、傅里叶变换红外光谱分析技术在生物学方面的应用蛋白质的二级结构研究蛋白质是由氨基酸以酰胺键共价连接而成的多肽链构成的，同一多肽 或不同多肽链之间还以二硫键形成侧链共价交联。蛋白质的二级结构是指蛋白质 中多肽的规则排布，由主链极性基团的氢键形成，常见的二级结构有a 一螺旋、 P 一折叠、P 一转角、无规卷曲等。这些结构或其它构象都有其特定的氢键结构， 而这些氢键结构的差异可以通过仪器分析红外光谱

10、得到反映。一般蛋白质和多肽 的傅里叶变换红外酰胺I谱带去卷积谱包含911个子峰，各子峰的精确峰位由 二阶导数谱确定，各子峰的结构归属通过已知结构的蛋白质的研究予以确定。核酸的红外光谱FTIR技术能够区分DNA和RNA中的A-U和G-C碱基对，并能反映出磷 酸根、C-O单键、金属配合物的配位键等结构特征，已经广泛应用于DNA和RNA 与金属加合物的相互作用、静态和动态条件下DNA的水化过程等应用领域。有 人曾应用FTIR光谱研究了肿瘤抑制药物顺式二氨基二氯化铂的抗癌机理。细菌的分类及鉴别细菌的常规分类及鉴别是应用显微镜(形态学方法)法、生化法和生理学方 法相结合的技术。虽然有效，但手续复杂，费时

11、费力，有时较难得到准确可靠的 结果，自动化和计算机化也难达到理想的结果。应用傅里叶变换红外光谱方法结 合多变量统计分析的手段，可以实现对致病菌进行分类和鉴别。能在菌种(species) 甚至菌株(strain)水平上提供可靠的检定结果。四、红外光谱的利用红外光谱技术在细胞与组织水平的研究进展20世纪90年代后，红外光谱技术经历着较快的发展与创新，在生物医学领 域有着更广泛的应用。通过显微镜收集光谱图像，高质母视觉图像的来源町以精 确到组织的某一点上，可以得到图谱与疾病进展状态之间详细的关系。这些产生 仅十余年的显微光谱技术通过这种方法，绕过了前面所讲的组织异源性的问题。 显微光谱成像技术的出现

12、与发展，以及用于数据分析的模式识别技术的成熟，可 将包含庞大数据量的红外光谱图像转化为人工假色的二维图像，并且与病理学图 像有很高的一致性。组织微阵列技术(TMA)的应用，为平行大规模测定成千上万 组织标本中的分子成分与结构变化提供了可能，并极大地促进振动光谱成像技术 在病理学中的应用。与常规技术相比，测定的速度以百倍递增，且珍贵的组织标 本不会闪此被破坏。另一个显著的优点是可以研究珍贵的存档标本。此方法可以 对所有细胞类型和组织病理类型进行采样，可以对处于自然状态和丰度下的标本 进行数据记录，在各种处理条件下均可进行采样，而且可以使用已经建立的标准 进行大规模的数据验证。国内红外光谱技术的研

13、究进展不同于国外利用石蜡标本进行分析，国内在较早时期便开展傅罩叶变换红外 光谱技术对胆石结构与组分的研究。胆石症是我闲常见的外科疾病，色素犁胆结 石是多发症，其生成机理不清楚又难于治疗，北京大学第医院普通外科周孝思 教授为解决此项难题而到北京大学化学院寻找合作伙伴。吴瑾光教授与徐端夫院 士对此课题给予大力帮助与支持，认为红外光谱技术可成为解决该课题的主要方 法，并制订了初步工作方案。通过多年研究合作，科研进展已能将色素型胆结石 从原来50%可溶，到采用温和配位方法町溶解到90%以上，因而有可能研究结 石的主要成分。应用凝胶电泳将分级组份进行分离，配合红外光谱测试，证实其 中有糖类小分子，不同分

14、子龟分布的蛋白质，糖蛋白，从凝胶中形成彩带，结合 红外测定说明有不同聚合度的胆色素高分子生成。这一新进展在1978年中华医 学会上报告得到医学界的认町，后发表了多篇论文，为今后开展牛物陕学学科交 义科研奠定基础，并为指导临床治疗提供了新的思路，胆色素结石成因的研究获 教育部科技成果二等奖。研究色素型胆石的组成，结构和生成机理，将非线性科 学如分形和周期沉淀概念引入牛命过程，此创新性成果荣获1993年美闲临床基 础研究优秀科研奖，使我国在胆石成因的研究中在国际上处于领先地位，具有极 高的国际影响力。目前研究侧重于对新鲜离体或在体组织良恶性鉴别的应用上。 随着ATR探头的应用普及，此项技术已日臻完

15、善。北京大学第三医院凌晓锋等对 利用傅里叶变换红外光谱在恶性肿瘤进行早期诊断中的作用进行系统综述，总结 了消化系统、生殖系统、乳腺癌、呼吸系统、血液和造血系统的傅里叶变换红外 光谱研究进展，认为此方法不仅无创快速，更提高了恶性肿瘤的诊断水平，从细 胞分子结构水平的变化来诊断，检验出组织学未能发现的更早期的恶性肿瘤，并 值得进一步深入研究旧“。北京大学第三医院与北京大学化学院在FT取技术检 测肿瘤良恶性的课题上多次合作，在其他临床组织的红外光谱研究中取得了一系 列成果。包括庇用ATR探头测定正常乳腺组织和乳腺癌组织块的傅里叶变换红外 光谱，并用统计学的方法详细比较了 13条谱带的19个红外光谱指

16、标的差异。结 果表明：乳腺癌组织的红外光谱中与蛋白质、脂类、碳水化合物和核酸相关的谱 带同正常乳腺组织之间存在明显的差异。这些差异是应用红外光谱诊断乳腺癌的 基础。FTIR光谱在乳腺癌的临床诊断和治疗方面有着f分美好的前景。五、结束语随着现代科学技术的发展，傅里叶红外光谱仪将会变得更加先进，它的 各方面指标都会有质的飞跃。它所测试的数据将会更加准确和快速。生物专 家获取数据的周期也会缩短，会减少实验的重复性。它的价格也许会降低， 很多资金叫匮乏的生物学者也能够拥有这种仪器。生物学的研究也会变得更 加广泛。红外光谱技术的发展将会带动生物学的发展，它在生物学领域的应 用将会更加的普遍。五、参考文献

17、1、Zhou X S，Shen G R，Wu J G，et al. Biospeetroscopy（Invited Renew）。1997， 3（5）： 371.2、Wu J G，Zhou X S，Xu Z，et a1. Biospectroscopy（Invited Review）， 1997， 3（5）： 381.3、LIN Cong，SHEN Tao, YANG Zheng-hong，et al（林丛。沈韬，杨正红，等）.National Medical Journal of China（中华医学杂志），1993， 73（6）： 544.4、LIXiao-feng， SolowayRD，

18、 WU Jin-guang，et al（李晓峰，SolowayRD，吴瑾光 等）ScienceinChina（Series B）（中国科学，B 辑），1996。26（1）： 52.5、HUIJian-bin，LIU Hui-zhou，XU Yi一zhuang（惠建斌，刘会洲，徐怡庄，等）.ChemicalJournal of Chinese Universities（高等学校化学学报），1998， 19（9）： 1359.6、YANG Zhan-lan，WENG Shi一fu，wUn Jin-guang（杨展澜，翁诗甫，吴瑾光）Acta Scientiarum Naturalium Unive

19、rsities Pekinensis（. 1t 京大学学报自然科学版）， 1998，34（4）： 429.7、SUN Ying，YANG Zhan-lan， SHEN Guo_rong， et al（孙颖，杨展澜，申国荣， 等）.Science in China（Series B）（中国科学，B 辑），2001。31（5）： 385.8、LING Xiao-feng， XU Yi-zhuang。et aL Chinese Journal of Minimally Invasive Sumery（中国微创外科杂志）。2003，3（3）： 172.9、XU Yi-zhuang，ZHAO Ying，

20、XU Zhi， et al（徐怡庄，赵莹，徐智，等）.Chemical Journal of Chinese Universities（高等学校化学学报），2005， 26（12）： 2227.10、ZHOU Su，ZHOUXiao-si，XU Zhi，et al（周苏，周孝思，徐智，等）.Chinese Journal ofOntology（中华肿瘤杂志），2006，28（7）： 512.11、XU Yi一zhuang，XU Zhi，I. ING Xiao-feng，et al（徐怡庄，徐智，凌晓锋，等）.Acta Scientiarum Naturalium Universities Pe

21、kinensisCE 京大学学报自然科学版），2007, 43(4)： 144.12、ZHAO Mei一xian。GAO Xiu-xiang, QI Jian, et al(赵梅仙，高秀香，齐剑， 等).Spectroscopy and Spectral Analysis(光谱学与光谱分析)，2008, 38(2)： 308.13、褚小立，袁洪福，陆婉珍现代科学仪器14、 陆婉珍主编现代近红外光谱分析技术(第二版).北京；中国石化出版社，15、王永清，马雯，王海舟，李小佳，娄建中冶金分析，16、鞠挥，吴一辉徽纳电子技术17、白韶红传感器世界18、吴国锋光通信技术19、潘武，钟先信光学精密工程2

22、0、Petibois C，Deleris G. Trends Biotechn01，2006，24： 455.21、Blout ER，Mellors RC Science，1949，110： 137.22、Woemley D. L Cancer Res.，1952，12： 516.23、Wong P T。Wong R K，Caputo T A，et a1. Proc. NatL Aca&，1991。88： 10988.24、Rigas B， Morgello S。Goldman l S，et aL P 眦 Natk Acad. Sd.， 1990，87(20)： 8140.25、0lli-p Kallioniemi，Urs Wagner，Juha K