1 浅水湖泊综合治理与资源开发教育部重点实验室（河海大学）， 江苏 南京 210024河海大学环境学院， 江苏 南京 210024
2 江苏环保产业技术研究院股份公司， 江苏 南京 210019
3 江苏省苏力环境科技有限责任公司， 江苏 南京 210019
环境条件的变化能够影响和改变溶解态有机质（DOM）的组成结构及化学特征， 进而影响其生物地球化学循环过程。 采用同步荧光光谱、 三维荧光光谱、 傅里叶变换红外光谱（FTIR）， 结合二维相关光谱分析方法， 研究了pH条件变化对DOM特性及其与Cu2+相互作用的影响。 结果表明， （1）随着pH值由5逐渐升高至10， DOM不同组分的荧光强度显著增强， 其中类腐殖酸组分变化最显著， 类富里酸组分变化最优先， 这是由于pH的变化引起的醛酮、 酚基、 羧基等相关基团暴露导致的。 （2）荧光光谱二维相关分析表明， pH的改变能够显著地影响DOM不同组分与Cu2+的结合能力， 但并不能影响其结合顺序。 三维荧光光谱结合平行因子分析共解析出3个荧光组分， 荧光组分的淬灭曲线非线性拟合结果更是定量验证了这一结果。 （3）FTIR结果表明高pH条件下DOM与Cu2+结合点位更多， 结合强度更强。 pH 5和pH 10条件下DOM官能团与Cu2+的结合顺序分别依次为: 多糖C—O>酚基>醛酮CO>芳香族C—H和多糖C—O>酰胺Ⅱ带C—N>酚基>脂肪族C—H>醛酮CO>羧基C—OH>芳香族C—H>羧基CO。 荧光光谱和FTIR的异谱二维相关分析进一步表明Cu2+与DOM类腐殖酸组分的相互作用滞后于酚基和芳基等基团。
荧光光谱 傅里叶红外光谱 溶解态有机质 二维相关 Fluorescence spectroscopy Fourier transform infrared spectroscopy Dissolved organic matter pH pH Two-dimensional correlation 光谱学与光谱分析
2023, 43(5): 1628
1 安徽大学物质科学与信息技术研究院，安徽 合肥 230601
2 中国科学院安徽光学精密机械研究所环境光学与技术重点研究室，安徽 合肥 230031
研制了一套90 m的开放光路傅里叶变换红外光谱（OP-FTIR）温室气体分析测量设备，并利用该设备开展了CO2、CH4和CO质量浓度的高精度检测。OP-FTIR系统反演CO2、CH4和CO的光谱区域分别为2102~2250 cm-1、2920~3140 cm-1和2172~2210 cm-1。以采集到的中红外吸收光谱为反演基准，开展了与Picarro温室气体分析仪的对比测试。选取测量期间10 d的数据，研究了温湿度、风向风速与环境大气中CO2、CH4和CO质量浓度的关联度，并详细分析了污染物的日变化特征。实验结果表明：研制的OP-FTIR光谱系统监测温室气体质量浓度具有较高的可靠性；温度、相对湿度、风速和风向对当地污染物质量浓度影响显著；CO2、CH4和CO质量浓度的时序变化具有明显的周期性变化趋势。将CO、CH4质量浓度分别与CO2质量浓度进行相关性分析，相关系数分别为0.495和0.659。
光谱学 大气温室气体污染特征 开放光路傅里叶红外光谱 二氧化碳 甲烷 一氧化碳
为了找出一种快速、简便、准确的方法来探究霉菌试验后**装备表面生长的霉菌种类，按照标准的试验方法进行了霉菌试验，利用傅里叶红外光谱仪对经过不同菌种腐蚀后的样本进行了测试，获取了光谱数据，并通过对数据进行初步的主成分分析确定了光谱数据的识别区域。采用最小距离匹配、光谱角匹配、光谱信息散度、光谱协方差、主成分分析、偏最小二乘判别分析(Partial Least Squares Discriminant Analysis，PLS-DA)、随机森林等分类算法建立了识别模型。研究结果表明，随机森林算法能够很好地识别霉菌种类，准确率预期在98%以上。基于合适的分类算法，傅里叶红外光谱(Fourier Transform Infrared, FTIR)技术能够实现对菌种的有效鉴别。
傅里叶红外光谱 偏最小二乘判别分析 光谱信息散度 随机森林 霉菌试验 菌种识别 FTIR PLS-DA spectral information divergence random forest mold test species identification
中国热带农业科学院橡胶研究所, 土壤肥料研究中心, 农业农村部橡胶树生物学与遗传资源利用重点实验室, 省部共建国家重点实验室培育基地-海南省热带作物栽培生理学重点实验室, 海南 海口 571101
养分亏缺是作物产量和质量提升的重要限制因子。 我国砖红壤植胶区钾、 镁缺乏及其低的有效性长期制约天然橡胶的产、 质量。 以“热研7-33-97”橡胶幼苗为研究对象, 利用傅里叶变换红外光谱(FTIR)对钾、 镁胁迫下橡胶树叶片物质组成特征进行研究, 分析不同钾、 镁胁迫条件下叶片红外光谱图谱特征峰的变化及其差异, 探讨钾、 镁胁迫对叶片物质成分和结构的影响, 以期为钾镁缺乏影响橡胶树生长与生理代谢的机理研究提供参考。 结果表明: (1)缺钾条件下, 1 554, 1 519和1 075 cm-1处的吸收峰缺失, 表明橡胶叶片中蛋白质酰胺Ⅱ带、 酚类物质、 碳水化合物的化学结构受到破坏, 并且其他特征峰吸光度与正常处理相比均有不同程度的升高, 表明缺钾造成蛋白质、 碳水化合物等物质在叶片中大量积累, 物质转运效率降低; (2)缺镁条件下, 1 554 cm-1处吸收峰向高频方向位移了6 cm-1, 说明缺镁造成蛋白质酰胺Ⅱ带的结构发生改变, 同时, 1 550~1 350 cm-1波数范围内吸收峰相对吸光度明显下降, 说明缺镁降低了细胞壁多糖以及含油脂化合物的含量, 且该波数范围内的三个吸收峰较其他吸收峰变化敏感, 表明该波段可以较好地指示橡胶叶片镁营养状况; (3)钾镁同时缺乏条件下, 各吸收峰的相对吸光度和强度明显减弱, 1 554, 1 519和1 075 cm-1处的吸收峰缺失, 说明蛋白质酰胺Ⅱ带、 酚类物质、 碳水化合物的化学结构受到破坏, 1 057 cm-1处吸收峰向高频方向位移了11 cm-1, 表明橡胶叶片中果胶类多糖分子结构发生了变化。 综上所述, 缺钾造成橡胶叶片蛋白质、 糖类物质的含量的大量积累, 缺镁造成叶片细胞壁多糖和油脂化合物下降, 而钾镁同时缺乏时蛋白质、 脂类、 糖类物质等物质含量均明显下降。 研究表明, 使用FTIR技术对养分缺乏下的橡胶叶片物质成分定性分析具有一定的可行性, 同时可为橡胶钾、 镁营养生理代谢的机制研究提供新的思路和方法。
橡胶 钾 镁 傅里叶红外光谱 Hevea brasiliensis K Mg FTIR
1 国网陕西省电力公司电力科学研究院, 陕西 西安 710100
2 西安交通大学电力设备电气绝缘国家重点实验室, 陕西 西安 710049
针对变压器油中溶解气体傅里叶红外光谱在线分析应用中, 气室与光谱仪之间气隙中气体的带来的干扰, 以及基线漂移与畸变问题, 提出一种基于双气室切换分时扫描的新型气体吸收光谱补偿方法。 在传统单气室测量的基础上, 增加一个与测量气室的结构、 尺寸等参数基本相同的背景气室, 背景气室充满氮气, 而测量气室通入待测样气, 通过工控机实现双气室的切换控制。 但是, 采用常规的吸光度计算公式处理的光谱在波数1 100~1 200 cm-1范围存在不明吸收峰, 且存在严重的基线漂移现象, 说明该计算方法已不适用于双气室切换。 因此, 为了消除双气室间参数无法一致的不利影响, 特别是窗片的滤光特性的差异, 提出了一种适用于双气室的新型气体吸收吸光度光谱计算方法; 实验发现漂移量由近0.3降为0.005左右, 证明其可以消除不明吸收峰和基线漂移。 最后, 于陕西某变电站的变压器中, 取得油样, 经脱气处理后, 获得相应的气体样本, 分别采用常规单气室扫描方法(组别1), 提出的双气室补偿方法(组别2), 以及气相色谱法(组别3)进行实验。 结果表明, 组别1的甲烷的浓度分析结果总是大于组别2。 同时, 组别1的二氧化碳浓度总是大于组别2的二氧化碳浓度, 而造成这样分析结果的明显差异极可能是由于光谱仪与气室间气隙中空气的影响; 且从总体上看, 相比于组别1, 组别2的分析结果更接近于气相色谱法的分析结果。 综上所述, 所提出的基于双气室切换分时扫描的新型气体吸收光谱补偿方法可以有效的解决光谱基线漂移与畸变问题, 获得较为理想的光谱, 在气体分析上可以消除气室与光谱仪的间隙干扰气的影响, 获得更为准确地分析结果。
傅里叶红外光谱 光谱基线漂移与畸变 变压器油中溶解气体 在线分析 干扰 Fourier infrared spectroscopy Spectral baseline drift and distortion Dissolved gas analysis in oil On-line analysis Interference 光谱学与光谱分析
2021, 41(11): 3438
1 贵州大学医学院, 贵州 贵阳 550025
2 贵州大学贵州省光电子技术与应用重点实验室, 贵州 贵阳 550025
采用傅里叶变换红外光谱(FTIR)分析了新鲜野生刺梨果肉、 烘干刺梨果肉以及室温存放数日后刺梨果肉的红外光谱特性。 为对比新鲜果肉与烘干果肉样品中刺梨黄酮的红外光谱特性, 以新鲜野生刺梨果实为研究对象, 分别采用了超声辅助溶剂萃取法和超声结合酶辅助半仿生法提取刺梨黄酮。 并使用无水乙醇作为超声辅助溶剂萃取法的萃取剂萃取刺梨黄酮, 以及使用胃蛋白酶, 胰酶和胆汁等模仿胃肠消化的环境, 在模拟半仿生条件下提取刺梨黄酮。 在两种提取方法中, 新鲜果肉和烘干果肉分别反应了0, 0.5, 1, 1.5, 2和2.5 h。 分别测定了新鲜果肉刺梨黄酮和烘干果肉刺梨黄酮的红外光谱数据。 然后, 通过分析刺梨黄酮的红外光谱特性, 比较了两种方法所提取刺梨黄酮的最佳特征波长组合, 得知在相同的反应条件下, 反应时间为1.5 h时, 超声辅助溶剂萃取法中新鲜果肉与烘干果肉提取物红外光谱对应的透射率强度分别为83.5%和84%; 超声结合酶辅助半仿生法中新鲜果肉与烘干果肉提取物红外光谱对应的透射率强度分别为32%和38%。 因此, 结合郎伯-比尔定律可知, 反应时间相同时, 对于刺梨黄酮的提取, 超声结合酶辅助半仿生法优于超声辅助溶剂萃取法。 除此之外, 我们发现随着反应时间延长, 两种提取方法所获提取物的红外光谱吸收峰强度均呈上升趋势, 但是反应2 h后该提取物的红外光谱吸收峰强度趋于平稳。 结果表明, 刺梨黄酮在3 419 cm-1(羟基O—H伸缩振动)、 1 615 cm-1(羰基C＝O键伸缩振动)和1 053 cm-1(烷基)处的红外吸收峰对刺梨的新鲜程度具有较好的识别效果; 通过比较分析, 新鲜果肉与室温存放数日后果肉中的刺梨黄酮物质的红外光谱吸收峰分别与槲皮素和山奈酚吸收峰波数一致; 在相同实验条件下, 两种提取方法中烘干果肉刺梨黄酮提取物浓度均高于新鲜刺梨果肉。 该研究可为刺梨功能化药品和食品的制作及鉴定提供参考。
刺梨黄酮 傅里叶红外光谱(FTIR) 野生刺梨 刺梨果肉 山奈酚 Chestnut rose flavonoids Fourier infrared spectroscopy (FTIR) Wild chestnut rose Chestnut rose pulp Kaempferol 光谱学与光谱分析
2021, 41(10): 3045
1 中国科学院合肥物质科学研究院安徽光学精密机械研究所, 环境光学与技术重点实验室, 安徽 合肥 230031
2 中国科学技术大学, 安徽 合肥230026
3 安徽师范大学物理与电子信息学院, 安徽 芜湖 241002
4 滁州学院机械与电气工程学院, 安徽 滁州 239000
旋转式干涉仪可实现便携式傅里叶红外光谱仪的小型化设计,同时可提供高速光谱输出,但其光程差存在非线性问题。本文详细分析了便携式傅里叶转换红外光谱(FTIR)旋转式干涉仪结构,建立参考坐标系,根据几何光学原理推导了转镜转动光程差方程,并进行了数值模拟仿真分析,阐明了干涉仪光程差与转镜厚度、折射率和转角参数间的设计关系。采用无参考激光采样方式,利用多项式拟合光程差与转角的非线性关系,获得等光程差对应的时间非均匀关系,从而实现非等时间下的等光程差采样。相比等时间采样方式光程差速度的不稳定度降低为原来的1/5.3,这为转镜的速度控制提供更大不稳定裕度,同时也提高了FTIR的抗振能力。该数值模拟仿真分析结果为实现无参考激光的便携式高速FTIR的设计参数确定和优化提供数据支持和理论依据。
傅里叶光学 几何光学 光程差 便携式傅里叶红外光谱仪 数值分析
1 中国科学院微电子研究所, 北京 100029
2 中国科学院大学, 北京 100049
3 北京市微电子制备仪器设备工程技术研究中心, 北京 100029
4 北京交通大学理学院, 北京 100044
傅里叶红外光谱（FTIR）是材料表征的一种重要手段, 然而受限于光的衍射极限, 传统傅里叶红外光谱仪的极限空间分辨率在微米量级, 无法应用于纳米材料的表征。 纳米傅里叶红外光谱（Nano-FTIR）是一种新兴的超分辨光谱表面分析技术, 其以纳米级空间分辨率、 宽光谱范围和高化学灵敏性的特点在纳米材料表征研究中展现了巨大的潜力。 定性及定量的研究Nano-FTIR信号高空间分辨的来源和系统中光谱信号的提取过程, 可以为Nano-FTIR仪器的设计研发和样品光谱表征结果的解释提供重要依据。 该研究从典型的仪器结构和基本的工作原理出发, 在多物理场有限元分析软件COMSOL中建立了等效研究模型, 并对模型的重要细节和数值计算过程分别进行了说明。 在仿真研究中, 首先基于麦克斯韦电磁波理论计算了模型空间的电磁场增强情况, 再模拟了探针在介电常数差异巨大的两种材料交界处的“线扫”过程, 探讨了针尖近场增强信号的空间分辨率。 随后, 以探针与样品的散射功率为数值模型的研究对象, 仿真了探针“轻拍”对信号的调制和解调提取的过程, 并讨论了不同入射倾角和解调频率对光谱信号提取的影响。 最后, 为了验证模型的合理性, 仿真了20, 100和300 nm三种厚度SiO2薄膜样品在900～1 250 cm-1波数范围的光谱响应, 并将仿真得到的光谱与实测结果进行了对比。 结果表明随着样品厚度的增厚, 光谱信号得到相应的增强, 模型预测的谱图与实测谱图波形与波峰位置较为一致, 且与以往一些文献中采用针尖-样品间电场强度表示针尖处散射信号强弱的方法相比, 获得的谱图在峰形上更为接近。 提出的数值模型可用于Nano-FTIR光谱的预测, 此外, 模型也具有一定的通用性, 可以为其他基于散射型近场光学显微（s-SNOM）技术的太赫兹光谱技术和针尖增强拉曼光谱研究提供一定的借鉴。
纳米傅里叶红外光谱 散射式扫描探针显微镜 有限元仿真 数值模型 Nano-FTIR s-SNOM COMSOL COMSOL Finite element simulation Numerical model 光谱学与光谱分析
2021, 41(4): 1125
1 中国林业科学研究院林业新技术研究所, 北京 100091
2 中国林业科学研究院木材工业研究所, 北京 100091
3 安徽农业大学, 安徽 合肥 230031
杉木(Cunninghamia lanceolata)是我国重要的速生针叶用材树种, 其木材广泛应用于建筑、 家具和船只等。 杉木心材形成较早, 心边材区别明显。 快速检测新无性系心材和边材化学组分、 细胞壁超微和显微构造等微观结构差异, 可为了解该木材心材和边材品质性状提供重要的结构特征数据。 以新培育的杉木无性系为实验材料, 采用傅里叶变换红外光谱技术, X射线衍射技术, 光学显微图像结合Image J图像分析技术, 分别对杉木无性系洋61心材与边材的细胞壁化学组分、 细胞壁纤维素结晶度及其显微构造进行了快速检测。 研究结果表明, 心材和边材红外光谱谱图中化学官能团的波数基本相同, 即主要结构相同, 其差别主要在峰强度上。 心材的红外光谱谱图中酚类和醇类化合物特征峰（1 034和1 122 cm-1）及Caryl-O伸缩振动特征峰（1 264和1 232 cm-1）的吸收强度较边材的高, 说明可能杉木无性系心材抽提物含量和木质素的交联程度高于边材。 同时采用特征峰比值法分析了三大化学组分相对含量的变化, 发现与边材相比, 心材木质素相对含量增加2%～4%左右, 纤维素相对含量减少约2%, 半纤维素含量基本不变。 通过分析X射线衍射图谱, 发现杉木心材和边材的衍射图形状基本相同, 不同的是边材的半高宽较心材的窄, 且在2θ=22.5°处边材的峰强度高于心材, 说明两者细胞壁纤维素结晶部分晶胞构造相同, 但边材细胞壁纤维素结晶程度大于心材的。 测算得知杉木心材相对结晶度为35.1%, 边材相对结晶度为43.1%, 两者在0.01水平具有显著差异。 通过光学显微镜获得杉木心边材显微图像后, 利用Image J图像分析技术快速检测到心材管胞腔面积比率和平均管胞面积均比边材的小, 即心材细胞与边材相比具有壁厚腔小的特点。 以上研究结果发现傅里叶红外光谱技术, X射线衍射技术和光学显微图像结合Image J图像分析技术可快速准确的检测杉木无性系心材和边材的微观结构特征差异。 研究结果可为后续该无性系心材和边材的物理力学品质性状评价、 细胞壁改性处理以及心材和边材的高效利用提供理论指导与科学依据。
杉木 心材 边材 傅里叶红外光谱 X射线衍射 微观结构 Chinese fir Heartwood Sapwood FTIR X-ray diffraction Microstructure
