二维相关光谱法是将特定形式的微扰作用于样品, 通过测定一系列扰动作用下的动态光谱, 结合数学相关分析, 获取与样品中分子结构及作用力相关的二维相关谱特征。 该方法主要基于分子振动光谱, 将一维光谱扩展到二维空间, 能有效提高光谱分辨率, 从而识别原始光谱中重叠的分子振动变化特征, 为研究分子内及分子间的化学键变化提供依据, 在生物医学、 药学、 食品科学、 环境科学以及高分子材料等领域应用广泛。 自1986年Noda提出广义二维相关算法以来, 二维相关光谱衍生出了投影二维相关、 串联二维相关、 基于模型的二维相关、 异质谱二维相关、 移动窗口二维相关等算法。 随着近年来生物技术的迅速发展, 多肽、 蛋白质、 酶等蛋白类物质由于参与人体重要生理化学反应过程, 对其结构（尤其是高级构象）的分析是研究蛋白类物质质量及疗效的关键。 二维相关光谱方法为生物医药中蛋白类物质结构研究提供了快速、 无损的定性定量分析方法, 可分析蛋白质类物质高级结构中的细微变化, 为生物大分子药物机制机理研究提供有力的支撑。 综述了二维相关光谱技术的基本原理、 谱图解析方法和技术进展, 以及其在蛋白类物质分析中的应用方向和前景, 为相关领域研究人员应用二维相关光谱法开展蛋白类物质的结构和分子间相互作用等研究提供参考。

忍冬属中药材种类多、 产量大, 外观性状特征相似, 区分较为困难。 采用傅里叶变换红外光谱对来源于忍冬属的忍冬(金银花)、 红腺忍冬、 灰毡毛忍冬、 黄褐毛忍冬4种中药材进行测定, 红外光谱扫描范围为4 000～400 cm-1, 得到图谱后进行图谱解析; 采用谱带较密集的指纹区(1 800～400 cm-1)计算红外光谱图相似系数和二阶导数谱, 同时结合SMICA(簇类独立软模法)聚类分析法对红外指纹图谱进行分类和异同点比较。 结果表明, 4种忍冬属中药材红外光谱整体峰形相似, 谱峰位置和峰高都比较接近, 在1 629～1 635、 1 376～1 384、 1 265～1 282、 1 152～1 158、 1 050～1 051、 814～816、 611～614和534～537 cm-1附近均有吸收, 但忍冬中1 731 cm-1CO伸缩振动吸收峰最明显, 仅灰毡毛忍冬与忍冬显示出1 105和1 103 cm-1C—O的伸缩振动吸收峰。 红腺忍冬与灰毡毛忍冬1 317 cm-1 CH的弯曲振动吸收峰最明显, 黄褐毛忍冬1 075 cm-1处糖醇类物质的C—OH伸缩振动特征峰最明显。 相似系数结果表明4种中药材间存在一定差异, 其中红腺忍冬与黄褐毛忍冬差异最大, 相似系数为0.94。 二阶导数光谱中, 4种中药材在1 700～1 300和971～780 cm-1波段差异明显。 采用Assure ID软件以药材吸收波数为变量进行聚类分析, 红腺忍冬与黄褐毛忍冬的类间距最大, 为6.86, 进一步表明红腺忍冬与黄褐毛忍冬差异最大。 聚类模型中, 4种中药材的识别率和拒绝率最高值为100%, 最低值达99%; 类模型图中, 不同基原药材两两分开, 表明红外光谱结合SIMCA聚类分析能够鉴别忍冬属4种中药材; 取已知基原的样品对聚类分析模型进行验证, 均被正确识别。 因此, 红外光谱与聚类分析法相结合可以快速、 无损鉴别忍冬属4种中药材, 为忍冬属中药的基原鉴别提供了一种科学有效的方法。

应用傅里叶变换红外光谱法进行在线工业窑炉高温气体监测时,湍流形成的噪声会影响光谱信噪比和浓度反演的精度。研究新的红外干涉信号-光谱转换的数据处理方法,该方法与传统傅里叶变换的光谱数据处理方法不同,它以零光程差为基准对齐干涉信号,实现多次扫描干涉信号的平均,同时采用复数窗函数与光谱数据卷积的方法来降低光谱旁瓣引起的光谱混叠程度。这种数据处理算法可以减小湍流噪声对气体浓度反演的影响,提高反演精度,减少计算量,提高光谱数据率。以叠加湍流的一氧化碳被动测量实验为例,分析了采用不同数据处理方法得到的光谱信噪比、光谱相关性和浓度反演结果。分析结果表明研究的信号数据处理方法在湍流噪声存在的在线检测中优于传统数据处理方法,采用新的数据处理方法得到的光谱更加精确(光谱相关性更好),气体反演的浓度也更准确,同时可减少系统计算量并缩短系统在线测量的响应时间,这对于在线监测气体浓度的准确性是至关重要的。

为了实现纺织纤维测定的高效化和无害化并将快速检测方法提供给纺织企业、市场监管部门，将281个棉/氨纶混纺样品作为研究对象，分析了样品颜色和织物结构的影响，并采用偏最小二乘法建立了棉/氨纶混纺织物中纤维含量的近红外定量模型。为验证该模型的准确性，对23个棉/氨纶样品进行了预测。通过对该方法与标准方法SN/T 0464--2003进行成对结果t检验，得到了两种方法的结果不存在显著性差异的结论。这种近红外方法已转化为检验检疫行业标准，并经实际应用证明效果显著。

氧化石墨烯是由sp2和sp3两种杂化碳原子构成的单原子层二维网络结构, 富含羟基、 环氧基和羧基多种含氧基团, 是众多功能化石墨衍生物的前驱体; 其中, 羟基和环氧基主要分布在氧化石墨烯片层表面, 羧基主要位于片层结构的边缘, 利用氧化石墨烯表面的羟基或环氧基可以得到垂直于表面的有序结构材料, 利用边缘的羧基可得到多种悬垂结构的功能复合材料。 利用不同氧化方法和同种氧化剂不同用量进行氧化得到石墨烯的氧化度不同, 从而功能化后的石墨烯性能有很大差异。 氧化石墨烯的氧化度测定是对其进行改性的基础。 科学家们通过XRD, XPS, FTIR, Zeta, 拉曼光谱法等研究石墨烯中不同杂化的碳原子和氧原子比例, 但是几乎没有报道可以直接测量氧化石墨烯上含氧官能团的量。 主要通过苯酚作为标准利用傅里叶变换红外光谱建立一种氧化石墨烯片层间羟基含量的测定方法。 采用化学氧化-还原法制备薄层氧化石墨烯(GO), 由于苯酚和GO具有相似骨架结构, 以苯酚的红外光谱谱图可以作为标准图谱, 苯酚红外光谱在1 597, 1 500和1 474 cm-1为其苯环结构的伸缩振动吸收峰; 在1 374 cm-1处为苯环C-H面内弯曲振动吸收峰; 而在1 234 cm-1处为酚类C-OH伸缩振动吸收峰。 氧化石墨烯的红外谱图中1 630 cm-1出现类苯环骨架CC的伸缩振动吸收峰, 在1 400 cm-1出现氧化石墨烯片层上C-O(H)的伸缩振动吸收峰。 利用测试苯酚中苯环和羟基C-OH吸收峰面积的比值, 与氧化石墨烯上类苯环结构CC和片层上羟基C-O(H)吸收峰面积的比值, 可以得到片层上羟基含量的值。 同时利用场发射扫描电镜, 透射电镜, 原子力显微镜, 紫外可见分光光度计和激光拉曼光谱仪对计算结果进行验证, 结果表明类比红外光谱法, 可以作为测定氧化石墨烯片层上羟基含量的一种有效方法。

样品温度变化会对模型预测结果产生影响, 为解决这个问题, 首先, 对同一样品不同温度下的光谱与同一样品相同温度的光谱进行了比较。 结果显示, 不同温度下的光谱差异较大。 然后研究了样品温度对玉米粗蛋白模型的预测结果的影响, 对随机选取的粗蛋白含量为6.04%的样品不同温度采集光谱, 对这些光谱进行预处理消除温度之外的因素对光谱的影响, 将预处理后的光谱代入已建立好的模型中进行预测, 结果显示, 预测结果与实测值之间的差别随着光谱温度与建模温度相之间差别的增大而增大, 最大的误差为1.12%。 为了解决温度对模型预测结果的影响, 进而分析了温度与不同温度下的光谱数据之间的关系, 发现在去除了光谱两端噪声较严重的区域后, 不同温度下, 同一波长点处的光谱数据之间存在一定的线性关系。 依据这一发现, 文中提出了温度修正理论, 以建模时的光谱为基准光谱, 然后根据温度与光谱之间的线性关系使用线性回归算法对不同波长点的光谱进行一元线性回归, 求出不同温度下的光谱与基准光谱之间的差, 最后将不同温度下的光谱校正为基准光谱, 通过该理论对光谱进行校正之后, 不同温度下的同一样品的光谱之间的差别和修正之前相比已经有了很大改善, 将修正后的光谱代入模型, 大部分预测结果得到了提高, 符合国家标准±0.5%以下的要求。 最后使用和建模无关的34个不同含量的样品对该温度修正理论进行验证, 光谱修正前后粗蛋白的模型预测值与标准理化值决定系数分别为0.910和0.982, 均方根误差分别为0.558和0.172, 平均相对误差分别为6.05%和1.75%。 该温度修正理论从近红外光谱分析的本质上进行了温度修正, 为其他样品的温度修正提供了参考, 有利于手持式近红外光谱仪使用的推广。

近红外漫反射光谱法可用于物质成分定性、 定量分析, 具有快速、 无损检测等优点, 在食品、 制药、 环境监测、 生命科学等领域有广泛应用。 采用近红外漫反射光谱对浑浊散射介质进行成分定量分析时, 由于光散射作用, 介质吸光度随测量距离不再呈线性变化, 不同测量距离下测量模型也很难转换。 从扩散方程出发, 提出了从漫射光谱中提取线性吸光度的方法, 获得了与测量距离无关的介质光学参数——有效衰减系数的光谱, 该光谱可反映介质吸收变化, 并用于物质成分测量。 具体采用了双位置差分法, 可在线性吸光度的范围内任意选取两个光源-探测器距离测量, 通过差分获得与测量位置无关的有效衰减系数光谱, 其中测量距离可依据波段灵活地进行选择。 另外, 经理论推导可知, 差分运算的同时还大大削减了光子扩散对测量的影响, 有利于不同散射特性的介质间光谱模型的相互借鉴。 经理论计算、 蒙特卡洛模拟和实验验证, 在1 000~1 360 nm波段, 该方法适用于强散射的浑浊水溶液。 对散射系数处于较大范围(28.53～87.47 cm-1)的intralipid水溶液进行了测试, 获得了线性吸光度的光源-探测器距离范围。 进一步以葡萄糖为被测成分为例, 获得了葡萄糖在intralipid水溶液中的有效衰减系数光谱。 采用测量距离连续可调的漫反射光谱测量系统进行了实验, 测量范围位于0～0.3 cm, 测试了3种典型的介质(3%, 5%, 10%Intralipid水溶液)。 结果可知, 3种介质中葡萄糖光谱呈现一致性, 它们之间的测量模型可以方便地进行线性转换。 研究对象intralipid水溶液常作为生物组织的仿体, 其光学参数也覆盖了常见的牛奶、 果汁等被测浑浊溶液, 因此测量结果具有广泛的适应性。 综上, 该研究实现了对浑浊水溶液中物质成分线性吸光度的提取, 该方法不仅使得测量位置的选择更加灵活方便, 还有利于实现不同散射介质间模型的线性转换, 特别适用于介质成分复杂多变的场合下的测量应用, 如对人体组织、 牛奶或食品中的成分测量等。

用近红外光谱法实现嫩, 中, 老三种炼蜜含水量的快速测定及不同炼制程度蜂蜜的快速分级。 过程化控制是中药质量稳定的关键因素, 但由于检测手段的滞后而无法实现, 因而影响中药质量。 蜜丸是具广阔应用市场的剂型; 炼蜜工艺是影响蜜丸质量的关键工序; 在炼蜜过程中, 蜂蜜从嫩蜜炼制到中蜜仅需几至几十秒, 变化迅速, 传统检测手段不能对蜂蜜炼制过程进行实时监测, 进而无法保证炼蜜质量的均一性。 力求采用近红外光谱法(NIRS)对炼蜜过程进行实时检测, 准确控制嫩蜜、 中蜜的炼制程度, 并对其含水量进行定量测定。 实验通过Rudolph折光仪测定不同炼蜜的含水量, 并快速测定样品的近红外光谱, 结合偏最小二乘法(PLS)建立并优化88批炼蜜水分的定量模型, 利用校正模型决定系数(R2)、 校正模型均方根误差(RMSEE); 内部交叉验证决定系数(R2), 内部交叉验证均方根误差(RMSECV); 预测模型的相关系数(r)、 预测均方根误差(RMSEP)对校正模型进行评价, 其中RMSECV主要用来筛选建立模型的最佳主成分数, RMSEE和RMSEP分别对所建立校正集和验证集进行误差分析。 同时采用鉴别分析法建立定性模型用来区分炼蜜等级。 经不断优化, 图谱经矢量归一化法(SNV)预处理后, 在7 201.2~5 446.2 cm-1波段内选取9个主成分建立水分模型。 建立的最佳模型中, 校正集R2, RMSEE分别为99.43, 0.299, 内部交叉验证R2, RMSECV分别为99.05, 0.348; 预测集R2, RMSEP分别为98.19, 0.347; 定量模型显示, NIRS可快速、 准确、 无损的对炼蜜含水量进行测定。 同时按照含水量测定结果对炼蜜嫩、 中、 老3个等级进行划分, 进而采用鉴别分析法对炼蜜进行定性分析, 结果显示嫩、 中、 老3种炼蜜有明显的聚类现象, 表明因子化法是鉴别炼蜜程度的一种有效方法; 综上所述, NIRS可望实现对炼蜜过程实时监测, 准确控制嫩蜜, 中蜜的炼蜜程度并对炼蜜含水量进行快速实时定量测定, 为不同炼蜜等级划分提供参考, 保证炼蜜质量的均一性, 最终保证蜜丸质量的稳定性。

重质矿物油是案发现场常见的微量物证之一, 快速准确的区分重质矿物油种类可以为案件侦破提供方向, 缩小侦查范围。本文采用傅里叶变换红外光谱法和拉曼光谱法对69个重质矿物油样本进行了分析研究, 发现不仅不同种类的重质矿物油谱图存在差异, 相同种类不同厂家的重质矿物油谱图也有区别。研究结果表明, 联合使用红外光谱法和拉曼光谱法可以较好地对重质矿物油样本进行区分, 效果良好。

为了考察辐照剂量对名贵中药成分的影响, 本研究用红外光谱法对经剂量为0、1.5、3、4.5、6、9、12、15、18、19.5和21 kGy辐照的三斑海马粉进行了研究。蛋白质是三斑海马粉的主要成分, 其含量高达70%以上。结果表明, 经1.5、3、4.5和6 kGy剂量辐照, 样品的红外光谱中代表蛋白质与脂类吸收带的峰形与峰位几乎没有变化, 而高于9 kGy的剂量辐照后, 样品的红外光谱代表蛋白质与脂类吸收带的峰形与峰位变化较大。由此可说明, 辐照剂量不超过9 kGy, 辐照对样品的蛋白质二级结构影响较小；剂量高于9 kGy辐照后, 辐照对样品的蛋白质二级结构影响较大。此研究结果可为核辐照企业对三斑海马粉辐照剂量的设置提供参考。