针对衰减全反射-傅里叶变换红外（ATR-FTIR）光谱仪用于测量结晶过程溶液浓度时， 因光谱谱线维度高、 无关变量多， 导致的标定模型预测精度低、 可解释性差等问题， 提出了一种变量稳定加权混合收缩的新方法。 首先提出对光谱变量进行随机二进采样， 将建立的优秀子模型中变量被选频率与所有子模型中变量回归系数的稳定性指标进行加权评价的稳定加权变量种群分析法（SWVCPA）。 通过对变量的重要性进行排序， 采用指数递减函数在迭代过程中逐渐强制滤除重要性低的变量， 实现了对光谱变量空间的初步收缩， 并大幅提高了收缩的稳定性。 然后在收缩后的子空间继续使用一种新的动态麻雀算法（DSSA）， 以最小化训练预测均方根误差（RMSEC）为适应度函数进一步优化变量组合。 这种混合优化方式融合了两类变量选择算法的优点， 通过子模型竞争的方法确保了前期变量收缩的稳定性， 防止算法陷入局部最优; 通过智能优化算法避免了对剩余变量组合的遍历寻优， 允许保留更多的变量进行精准选择。 为了验证新方法的性能， 使用L-谷氨酸溶液冷却结晶过程中6种不同浓度下采集到的ATR-FTIR光谱数据进行测试。 结果表明， 新方法将光谱变量数从613个减少到46个， 与原始光谱相比， 使用选择后变量建立的偏最小二乘法（PLSR）模型其预测均方根误差（RMSEP）为从1.727 9降低到0.165 4， 预测决定系数（R2）从0.973 7提高到0.999 7。 另外相比于特征谱段、 遗传算法（GA）以及变量种群组合分析法（VCPA）选择变量建立的模型， 使用新方法建立的溶液浓度预测模型具有更高的准确性和稳定性， 说明该方法对提高使用ATR-FTIR光谱法测量冷却结晶过程溶液浓度准确性和可靠性具有一定的实际应用价值。

为了判别嘉峪关戏台文物建筑彩画的胶料种类, 采用皮胶、 鱼鳔胶、 蛋清、 蛋黄、 牛奶为参考样品, 使用傅里叶红外光谱仪采集了参考样品及三件文物样品胶料的红外吸收光谱, 利用主成分分析结合线性判别分析(PCA-LDA)构建胶料种类判别的数学模型, 并应用于文物样品。 发现参考样品红外光谱在1 800～1 000 cm-1区间包含了丰富的分子结构特征信息。 该区间中蛋白类胶料的共同特征为1 650 cm-1附近的仲酰胺CO键伸缩振动峰, 1 542 cm-1附近的酰胺C—N键伸缩振动和N—H键弯曲振动峰, 1 240 cm-1附近的酰胺C—N键伸缩振动峰。 此外, 蛋黄、 皮胶和牛奶因其中含有较多脂类物质, 在1 745 cm-1附近还存在饱和脂肪酸酯羰基CO键伸缩振动峰。 在此基础上, 通过对参考样品红外吸收光谱主成分得分散点图的分析, 发现不同胶料参考样品的红外光谱类间差异显著。 据此, 使用参考样品红外光谱的主成分得分为训练集, 添加类别变量拟合判别函数, 绘制函数组质心图并进行交叉验证, 得出方程的判别正确率为93.3%。 发现因老化降解导致三件文物样品的红外吸收光谱与参考样品光谱有所不同, 但仍具有蛋白类胶料的特征。 利用PCA-LDA分析模型对文物胶料种类进行判别, 结果均为皮胶。 该胶料种类判别模型稳定、 有效, 用该模型判定嘉峪关建筑彩画胶料为动物胶中皮胶。

溪蛋石是寿山石的著名品种之一, 指散落在月洋溪中的一种山坑石, 系寿山石中的芙蓉石品种的风化产物。 残块经过雨水冲刷流入溪中, 复受水流、 河沙等长年冲击, 形成浑圆卵石状外表, 因其易于雕刻塑形, 广受近代雕刻家好评。 为了探究寿山溪蛋石的矿物学和谱学特征, 运用常规的宝石学测试方法、 X射线粉末衍射仪、 傅里叶变换红外光谱仪、 显微激光拉曼光谱仪和电子探针等测试方法, 对几件黄色溪蛋石样品的矿物组成、 红外及拉曼光谱特征、 化学成分等展开了全面研究。 常规宝石学测试结果表明, 溪蛋石样品的相对密度约为2.8, 摩式硬度小于3; 为了避免层状硅酸盐矿物的择优取向性, XRD实验采用侧压法, 测试结果表明, 溪蛋石由较纯的叶蜡石组成, 并以单斜晶系(2M型) 叶蜡石的形式存在, 以2θ=19°~22°之间4.44 (020) , 4.24 (112) 和4.17 (111) 三个衍射峰为特征, 其中(112) 和(111) 两个衍射峰相距很近, 在(112) 衍射峰(2θ=21.06°) 右侧出现了一个衍射肩; 在2θ=28°~31°之间, 以3.06 (003) 强峰(2θ=29.05°) 为特征; 采用红外光谱仪可以有效的确定溪蛋石基质和石皮部分的矿物成分。 样品的红外光谱表明, 溪蛋石的风化皮与基质部分矿物成分均为叶蜡石, 指纹区的主要特征峰为1 122, 1 068, 1 052, 949, 853, 835, 812, 541和484 cm-1, 其中, 1 122 cm-1归属于Si—O伸缩振动, 1 068和1 052 cm-1附近强而尖锐的吸收峰由简并解除的Si—O—Si伸缩振动引起, 949 cm-1左右的吸收窄带由Al—OH面内弯曲振动引起; 853, 835及812 cm-1处强度较弱的倒“山”字形吸收谱带属于Al—OH面外弯曲振动, 541 cm-1处吸收峰为Si—O—Al伸缩振动引起, 484 cm-1归属于Si—O弯曲振动; 官能团区3 675 cm-1处尖锐的吸收峰由Al—OH伸缩振动所导致, 指示了叶蜡石结构的高度有序化。 采用显微激光拉曼光谱对溪蛋石中的包裹体进行测试, 以确认其矿物成分。 结果显示, 点片状黑色包裹体为赤铁矿, 拉曼特征峰为224, 291, 409, 494以及1 315 cm-1, 灰白色矿物为硬水铝石, 拉曼特征峰出现在448, 499和667 cm-1, 还存在707, 788和1 194 cm-1处弱峰, 与硬水铝石的标准谱峰吻合。 此外, 基质部分在111, 194和261 cm-1处的拉曼峰由Si—O键伸缩振动所致, 706 cm-1处强而尖锐的拉曼峰以及3 670 cm-1处的峰是由O—H伸缩振动所致, 与叶蜡石的拉曼光谱一致, 也与红外光谱的测试结果对应。 根据矿物单位分子中的电价平衡原则和正电荷总数, 利用电子探针测试数据计算溪蛋石的平均晶体结构化学式为: (Al1.98Na0.02Cr0.01)［(Si3.98Al0.02)O10］(OH)2。 溪蛋石化学成分稳定, 主要含有Si(64.88%) , Al(27.55%) 。 寿山溪蛋石中含0.2%左右的Cr和0.02%左右的Fe和Cr元素含量远大于Fe元素, 因此推测溪蛋石的浅黄色由Cr和Fe离子共同作用所致。

污水再生利用是解决水资源短缺问题的有效对策。 纳滤技术由于能够生产高质量的再生水, 成为污水深度处理、 再生利用的有效方法之一。 然而, 在纳滤过程中存在复杂的、 动态的膜污染现象, 会导致产水通量、 产水质量下降等问题。 研究膜污染动态发展的行为, 对于膜污染的分阶段针对性控制具有重要意义。 有机物是污染层动态发展过程的重要指示性成分, 红外光谱是表征污染层发展过程中表面有机物官能团变化情况的重要手段。 但由于红外光谱中峰的数量多, 系列样品之间峰强度的差别较小(尤其是当膜污染过程中的采样间隔较小时) , 利用直观观察不易甄别不同样品间的谱图差异及其变化趋势, 在此水平上难以对膜污染阶段进行准确识别、 对各阶段特征进行有说服力的分类概括。 为探索膜污染的动态发展过程, 本研究将傅里叶变换红外光谱与统计学聚类分析相结合, 对膜污染过程中不同时间点的膜样本进行红外光谱分析, 再对红外光谱数据进行一系列预处理和系统聚类分析, 从而客观解读膜污染动态发展过程中系列样品红外光谱分阶段变化规律。 考虑到类别间距离度量方法、 红外吸收峰强度标准化、 峰之间自相关性、 峰与样本之间交互作用等因素的影响, 研究采用对应分析对红外数据进行预处理, 提取各样本在主要维度上的得分, 随后基于标准化欧式距离对各样本进行聚类。 在为期一个月的城市污水深度处理纳滤试验过程中, 由于污染物在膜表面累积, 纳滤膜发生了较为严重的污染。 通过对13个不同时间点的膜样本进行红外光谱聚类发现, 膜污染可清晰划分为如下阶段: 空白膜、 阶段Ⅰ(3 h～8 d) 、 阶段Ⅱ(10～15 d) 和阶段Ⅲ(20～30 d) 。 采用红外聚类, 得到膜表面X射线光电子能谱(XPS) 和三磷酸腺苷(ATP) 含量分析等方法的交互验证。 结果表明, 随着膜污染的发展, 膜表面有机物成分与共存微生物量发生协同变化, 各阶段大致特征为: 阶段Ⅰ各类有机污染物初步覆盖, 微生物开始富集; 阶段Ⅱ多糖类污染物比例上升, 微生物的富集趋于稳定; 阶段Ⅲ整体污染趋于成熟, 有机污染物氢键特征更加明显。 该研究通过对红外数据进行聚类分析, 能够灵敏地探测各红外图谱之间的差别, 有助于对红外光谱规律的深度挖掘, 为膜污染阶段的识别和划分提供了一种客观、 自动、 可量化的辅助性方法, 并且有助于归纳出不同阶段的污染层特征, 可作为膜污染时序特征的侦查手段。 此外, 除了膜污染的研究, 在材料、 吸附等领域, 只要有一系列变化的红外光谱, 均可尝试采用红外光谱聚类分析方法, 获取基于红外特征的定类信息或分阶段规律。

采用傅里叶变换红外(FTIR)和拉曼(FT-Raman)光谱技术直接、 快速地测定了脱毒繁育和硫磺熏制的三组不同祁菊花样品有效药用成分及含量的变化。 对所测样品的FTIR, FT-Raman光谱进行分析对比, 结果表明, 三组祁菊花样品的FTIR光谱在1 800～500 cm-1区间多个红外吸收峰的强度存在明显差异, 特征峰形状也略有差异。 FT-Raman谱特征峰的形状有明显差异。 FTIR和FT-Raman谱直观地反映出茎尖脱毒繁育会使祁菊花的挥发油、 黄酮类物质等药用成分含量升高, 硫磺熏制使其减少。 FTIR和FT-Raman光谱技术为检测脱毒繁育及硫磺熏制引起祁菊花有效药用成分的变化建立科学依据, 也为检测其物质成分含量提供一种有效方法。

采用紫外-可见光谱(UV-Vis)和傅里叶变换红外光谱(FTIR)法分析辣椒红素在外源活性氧·O-2， H2O2和·OH以及在POD， CAT和LOX防御体系中的结构变化特征。 结果表明， 外源活性氧处理后辣椒红素最大紫外-可见光吸收峰均出现蓝移现象， 其中·O-2和·OH处理后产物FTIR谱峰数减少， 峰强变弱， 峰形变宽； 与色素分子中的羰基和环外烯基发生氧化反应生成烷基和羟基， ·OH对色素分子CC具有加成作用； H2O2处理后色素特征峰和强势峰均向低波数位移， 产物中含环氧醚基团； 在H2O2+CAT/POD防御体系中辣椒红素UV-Vis和FTIR光谱特征无明显变化； 在亚油酸+LOX体系中色素分子结构发生断裂， 产物不含羰基。 可见活性氧处理及在LOX底物体系中， 辣椒红素分子反应前后UV-Vis和FTIR等光谱特征发生明显变化， 色素分子中长烯链断裂， 大共轭体系缩短或被破坏， 分子中的共轭双键和羰基等发色基团改变， 最终生成醇类或醚类等小分子无色物质； 而防御酶CAT和POD能减少活性氧对辣椒红素分子的破坏作用。 研究结果丰富完善了辣椒色素理论， 同时为其开发利用提供了有价值的技术参考依据。

以杨木木粉为试样, 进行不同时长的乙酰化处理, 利用紫外光加速老化, 探讨不同乙酰化度对木材耐光性能的影响, 根据FTIR光谱分析试样化学组分特征吸收峰强度的变化规律, 建立乙酰化处理时间与木材化学组分变化之间的关系。 结果表明: UV辐射前, 乙酰化木粉在1 739 cm-1处饱和酯化合物中CO和 1 385 cm-1处乙酸酯基中C—H的特征吸收峰强度均大于原木粉, 处理40 min木粉的吸收峰强度最大, 增重率最高, 木粉的乙酰化效果显著; UV辐射后, 乙酰化木粉在1 504 cm-1处木质素中苯环特征吸收峰强度明显大于原木粉, 且乙酰化处理40 min木粉的吸收峰强度最大, 表明乙酰化处理能够有效抑制木材化学组分的光降解反应, 提高木材的耐光老化性能, 其中处理40 min的效果最佳; SEM图片显示, 乙酰化处理木粉的纤维状表面较原木粉更加均匀, 材料粒径更小, 乙酰化处理能有效提高木材的稳定性。

提出一种新的有效的FTIR光谱气体浓度反演的方法。 该方法将区间划分的思想用于红外光谱波长优化筛选, 即将红外光谱在给定波长范围内划分为若干个子区间, 在每个子区间中利用遗传算法(genetic algorithm, GA)优化后的极限学习机(extreme learning machine, ELM)建立浓度预测模型, 根据每个子区间测试集均方根误差RMSE和相关系数R2的大小评价模型的泛化性能, 筛选出最优子区间组合建立预测模型。 通过含干扰组分(CO2, N2O)的CO气体的 FTIR光谱对提出的算法进行了验证, 在波段为2 140～2 220 cm-1范围内利用区间法筛选出的最优组合作为变量, 应用GA-ELM建立的浓度反演模型, 其决定系数R2为0.987 4, 均方根误差RMSE为154.996 3, 建模时间仅为0.8 s, 表明该算法(Interval-GA-ELM, iGELM)的应用不仅缩短了建模时间, 而且在干扰组分存在的情况下, 依然可以准确筛选出特征波长, 从而提高了模型稳定性和预测精度, 为大气污染气体遥测分析提供了行之有效的方法。

为了提高生物质乙醇木质素的反应活性, 采用水热法在四种不同碱性条件下对生物质乙醇木质素进行催化活化处理。 运用傅里叶变换红外光谱（FTIR）、 核磁共振氢谱（1H-NMR）、 凝胶色谱（GPC）和有机元素分析手段研究了生物质乙醇木质素被四种碱（NaOH, KOH, K2CO3和Na2CO3）催化活化前后木质素的化学结构以及组分变化。 FTIR结果表明生物质乙醇木质素碱经处理后, 木质素的酚羟基特征吸收峰1 375 cm-1都有明显增大趋势, 醚键振动吸收峰1 116 cm-1减弱, 1 597和1 511 cm-1处苯环骨架振动吸收峰强度变化很小; 1H-NMR分析结果表明酚羟基含量都有增大趋势, 增加顺序为: KOH>NaOH>K2CO3>Na2CO3, 其中KOH处理后的木质素酚羟基含量增加量为原木素的170%。 这由于离子半径大的钾离子更容易与木质素β—O—4醚键上的氧形成加和物, 进而发生醚键断裂反应, 生成新的酚结构衍生物。 GPC 表明生物质乙醇木质素碱处理后分子量分布向低分子区域扩展, 数均和重均分子量减小。 元素分析结果显示木质素经过水热反应处理后, C含量都有所增加, 而H和O含量则降低了, 表明木质素经水热反应处理过程中有脱羧基作用, 同时蛋白质的含量也有所降低, 提高了木质素的纯度。 这都有利于直接将木质素用于制备酚醛树脂胶黏剂。

采用傅里叶变换红外光谱(FTIR)分析了聚氨酯包膜控释尿素 (PCU)养分溶出过程膜层的结构变化。 对比发现, 随着溶出时间的延长, 膜层的结构产生明显的改变, 当养分累积释放量达到50%, 膜层的红外谱图在3 435, 3 342, 1 671, 1 621, 1 448, 1 159 cm-1出现了新的吸收峰, 与尿素的特征吸收峰3 440, 3 347, 1 667, 1 624, 1 460, 1 154 cm-1吻合, 当养分累积释放量达到70%, 新出现吸收峰的强度继续增加, 此时膜层的红外谱图新增的吸收峰与尿素的红外谱图有较高的相似度。 结果表明, 新吸收峰的出现及增强是由于尿素在膜层连续相中含量增加引起的, 含量越高表明膜层溶胀度越大, 此时膜层微孔尺寸发生变化, 导致养分释放速率的改变, 养分释放曲线呈“S”形状。