二維相關(guān)紅外光譜及其應用

　1  引言

　　二維相關(guān)光譜是一種實驗設計與數(shù)據(jù)處理相結(jié)合的分析技術(shù)。對于每一種樣品體系，需要根據(jù)研究目的，設計合適的實驗方案，通過對樣品施加特定的微擾(包括機械拉伸力、溫度、壓力、濃度、磁場、光照等)，誘導光譜信號產(chǎn)生動態(tài)變化，對一系列的動態(tài)譜圖進行相關(guān)分析計算，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行可視化顯示，便于直觀地對二維信息進行解析。在二維相關(guān)光譜的等高線圖中，z坐標軸值用x-y平面中的等高線表示。同步相關(guān)光譜代表兩個動態(tài)紅外信號之間的協(xié)同程度，它是關(guān)于主對角線對稱的。相關(guān)峰在對角線和非對角線區(qū)域均會出現(xiàn)。在對角線上有一組峰，它是動態(tài)紅外信號自身相關(guān)而得到的，所以稱為自動峰。自動峰總是正峰，它的強度代表外擾引起的變化程度。強的自動峰對應于動態(tài)譜中強度變化較大的區(qū)域，而保持不變的區(qū)域則顯示出非常小或沒有自動峰，這與微觀環(huán)境對官能團運動的影響是密切相關(guān)的。在二維相關(guān)圖中(見圖1)，以圓圈的個數(shù)代表Φ(ν1,ν2)的絕對值。在坐標(A,A)，(B,B)，(C,C)和(D,D)處的自動峰分別具有2，1，4和2個圓圈，表明(C,C)處的自動峰最強，而(B,B)處的自動峰最弱。

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

圖1 二維光譜（a）同步 （b）異步

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

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

　　異步交叉峰的符號可以是正的，也可以是負的(用陰影表示)，可以幫助指認亞分子官能團的變向運動次序，這有助于研究官能團間化學相互作用的機理和動力學。如果當同步相關(guān)光譜對應位置的強度為正（Φ(ν1,ν2)＞0）時，正的異步交叉峰（ψ(ν1,ν2)＞0）表示ν1處的強度變化總是先于ν2處的強度變化，負的表示ν1處的強度變化總是滯后于ν2處的強度變化；當Φ(ν1,ν2)＜0時，上述規(guī)則正好相反。

　　3  應用

　　二維相關(guān)譜學反映的是由外界擾動(如溫度、壓力、濃度等)引起的光譜變化的細微特征，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)譜學還可以提供以下信息：通過譜峰之間相關(guān)性來分析分子內(nèi)部與分子之間的相互作用；檢測光譜強度的變化次序，能有效地對化學反應過程和分子振動的動力學過程進行詳細的研究；可以在不同類型的光譜之間(如紅外和拉曼光譜)進行相關(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)、生物學等領域取得了成功的應用，如應用于聚合物材料的結(jié)構(gòu)性能研究，生物蛋白質(zhì)的次級結(jié)構(gòu)研究，化學反應的反應機理探討和動力學研究，中草藥成分的鑒定區(qū)別等。我國在中藥二維相關(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)的機理研究等。

　　其中一個典型的實例是將二維相關(guān)紅外光譜用于“清開靈”中藥針劑的質(zhì)量檢測。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、醒神開竅的功效，對于熱病身昏、中風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，無法分辨。

圖2 清開靈變質(zhì)前后的紅外光譜

　　圖3和圖4分別是清開靈變質(zhì)前后的變溫二維相關(guān)紅外光譜，溫度變化范圍為30～150℃，間隔20℃。變質(zhì)前的二維紅外同步光譜中出現(xiàn)大量相關(guān)峰，可以發(fā)現(xiàn)，1611 cm-1實際上是由1572 cm-1，1667 cm-1和1729 cm-1三個吸收峰組成。這三個吸收峰互相關(guān)聯(lián)，且1729 cm-1吸收峰的熱敏性與其它兩個吸收峰相反。這些吸收峰分別是生物堿、黃酮衍生物、其它羰基化合物吸收引起的。在其異步光譜的信息中，1667 cm-1變化要比1572 cm-1快而比1729 cm-1慢。對比圖3和圖4可以看出，變質(zhì)后與未變質(zhì)的二維紅外光譜區(qū)別非常明顯，變質(zhì)后的同步光譜中沒有發(fā)現(xiàn)自動相關(guān)峰1667 cm-1和交叉峰(1417 cm-1，1667cm-1)，因此推斷室溫下清開靈的變質(zhì)主要是因為黃酮的氧化引起。與此同時，與1059 cm-1吸收峰相關(guān)的交叉峰也減少了，1059 cm-1是糖苷類物質(zhì)的特征吸收峰。由此可知，針劑的變質(zhì)主要是黃酮氧化和糖苷熱降解導致。而異步光譜中則主要觀察到1729 cm-1，1667 cm-1，1572 cm-1，1417 cm-14組對溫度比較敏感的吸收峰的相互變化關(guān)系。顯然，將二維相關(guān)紅外光譜結(jié)合模式識別技術(shù)可實現(xiàn)藥品的自動識別，以及其他類似的應用場合，這將是今后該技術(shù)的主要研究方向之一。

圖3 清開靈變質(zhì)前的二維相關(guān)紅外光譜 （a）同步相關(guān)（b）異步相關(guān)

圖4 清開靈變質(zhì)后的二維相關(guān)紅外光譜 （a）同步相關(guān)（b）異步相關(guān)