【摘要】:隨著接口裝置、紅外光譜儀、數(shù)據(jù)處理技術(shù)的不斷發(fā)展與完善，以及與其它分析檢測技術(shù)更密切的結(jié)合，紅外光譜技術(shù)必將在有機(jī)污染物分析、復(fù)雜混合物的定性定量分析與鑒定、痕量污染物鑒定方面取得更迅速的發(fā)展。文章綜合論述了近10年來國內(nèi)外紅外光譜技術(shù)的發(fā)展及其在環(huán)境科學(xué)（液體環(huán)境、固體和氣體環(huán)境監(jiān)測，定性分析)中的應(yīng)用，并對其應(yīng)用前景進(jìn)行了討論。
　　【關(guān)鍵詞】：紅外光譜；環(huán)境科學(xué)；應(yīng)用；展望
　　引言：
　　紅外光譜儀的發(fā)展經(jīng)歷了三代。第一代是基于棱鏡對紅外輻射的色散而實(shí)現(xiàn)分光的，屬棱鏡式紅外分光光度計(jì)。其缺點(diǎn)是光學(xué)材料制造費(fèi)事，分辨本領(lǐng)較低，而且儀器要求嚴(yán)格（恒溫恒濕)。第二代是基于光柵的衍射而實(shí)現(xiàn)分光的，屬光柵式紅外分光光度計(jì)，與第一代相比，分辨能力有很大提高，且能量較高，價格便宜，對恒溫、恒濕要求不高，是紅外分光光度計(jì)發(fā)展的方向。隨著電子技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了第三代紅外光譜儀，這就是基于干涉調(diào)頻分光的傅里葉變換紅外光譜儀，它的出現(xiàn)為紅外光譜的應(yīng)用開辟了許多新的應(yīng)用領(lǐng)域。目前，傅里葉紅外光譜分析是近代環(huán)境科學(xué)分析技術(shù)中的一個重要手段，主要用于環(huán)境污染監(jiān)測、突發(fā)性污染控制和污染物質(zhì)分析。根據(jù)波數(shù)范圍可分為近紅外(13000～4000cm-1)、中紅外（4000~400-1cm）和遠(yuǎn)紅外(400～100-1cm)區(qū)域。
　　1． 在環(huán)境科學(xué)中的應(yīng)用
　　1．1液體環(huán)境監(jiān)測
　　在牛奶生產(chǎn)過程中，由于要達(dá)到出廠產(chǎn)品致化的目標(biāo)，有時常常需要保持原料成分含量的一致性，有時需要保持發(fā)酵進(jìn)程的統(tǒng)一性。然而，現(xiàn)實(shí)加工過程的連續(xù)性又不能使生產(chǎn)過程停止來滿足檢測合格的目的。近紅外技術(shù)適于在線檢測的特點(diǎn)與光纖技術(shù)相結(jié)合具有實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程實(shí)時控制的潛力。朱俊平等(2003年)【１１】用近紅外光譜技術(shù)在1400nm2300nm范圍內(nèi)對兒童高鈣奶粉進(jìn)行了測定。他們使用多元線性回歸法分別建立了用近紅外檢測的兒童高鈣奶粉水分、蛋白、脂肪、乳糖和蔗糖的快速測定模型。將近紅外法的測定結(jié)果和標(biāo)準(zhǔn)方法的測定結(jié)果進(jìn)行了比較，比較結(jié)果相當(dāng)一致。他們認(rèn)為近紅外光譜法可以用于奶粉生產(chǎn)過程中的質(zhì)量控制，并可為食品的無損、快速檢測提供一種新的方法。劉蓉等(2005年)【１２】利用半數(shù)重采樣法(RMH)和最小半球體積法(SHV)這兩種簡單算法對測得的牛奶成分的近紅外光譜進(jìn)行了奇異點(diǎn)的剔除實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明，RHM可以快速準(zhǔn)確地挑選出奇異點(diǎn)，而SHV距離是對RHM算法的一種驗(yàn)證，有助于判斷RHM算法中概率較低的樣品是否為奇異點(diǎn)，因此兩種算法的結(jié)合是剔除奇異點(diǎn)的一條有效途徑。而且這兩種算法都具有簡單快速、無需計(jì)算逆矩陣等優(yōu)點(diǎn)，具有很好的數(shù)值穩(wěn)定性，適用于近紅外光譜中奇異點(diǎn)的快速剔除，尤其適用于在線測量和分析，如牛奶成分、農(nóng)產(chǎn)品、藥物的在線測量和在線分析等，可以大大提高模型的穩(wěn)健性和分析精度。
　　中國農(nóng)業(yè)大學(xué)的韓東海等[10]考察了利用紅外光譜技術(shù)快速、準(zhǔn)確、無損傷地鑒別純牛奶中還原奶的情況，確定了判別原料奶新鮮度的可行性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，利用判別分析方法建立原奶的鑒別模型，對還原奶摻入量在20％以上的樣品的正確判別率約在90％以上，對還原奶摻入量在50％以上的樣品可以實(shí)現(xiàn)兩者的100％判別；利用偏最小二乘(PLS)方法建立了原料奶酸度和PH值預(yù)測的定量數(shù)學(xué)模型，其平均預(yù)測誤差<0．5％，可以達(dá)到乳品企業(yè)快速準(zhǔn)確預(yù)測的要求；另外，利用定性判別的方法建立了牛奶新鮮度的判別模型，并建立了識別摻假牛奶的模型，其正確判別率均在95％以上。以上結(jié)果說明近紅外技術(shù)可以很好地實(shí)現(xiàn)還原奶摻假的鑒別分析以及原料奶新鮮度的快速測定。
　　1．2固體環(huán)境監(jiān)測
　　鎘是土壤中污染程度最嚴(yán)重的金屬之一。利用微生物治理鎘污染已成為研究的熱點(diǎn)。采用紅外光譜與原子吸收光譜分析菌株對CA2的積累，結(jié)果表明，在低濃度Cd2溶液中菌株細(xì)胞對CA的積累主要靠細(xì)胞壁上—NH2與Cd2+配位結(jié)合；在高濃度Cd2+抖溶液中，細(xì)胞壁上—NH2，—0H，—C00H，—，—M—O(O—M—O)基團(tuán)吸附Cd2+的能力顯著。Mn2+可以增加細(xì)胞壁上有效官能團(tuán)活性，提高Cd2+積累率。但當(dāng)有Zn2+,Pb2+,Cu2+重金屬共存時，即使有Mn2+存在，菌體對CA抖吸附積累能力未見提高。通常使用高效液相色譜法檢測農(nóng)藥中有效成分吡蟲啉的含量。采用紅外光譜法直接測定農(nóng)藥中吡蟲啉含量，樣品使用KBr壓片法。吡蟲啉標(biāo)準(zhǔn)品和商品吡蟲啉農(nóng)藥的紅外光譜對照實(shí)驗(yàn)表明：吡蟲啉在93912cm-1處的吸收峰不受農(nóng)藥中其他成分的干擾，可以選擇此峰為定量分析波數(shù)。吡蟲啉紅外光譜在947~92518cm-1處的峰面積與其凈含量滿足線性方程Area=113665×10-1+2137×10-2×c，相關(guān)系數(shù)r=0.199953。結(jié)論是利用紅外光譜快速檢測農(nóng)藥中有效成分吡蟲啉含量的方法是可行的，可以替代常規(guī)的理化分析，能夠滿足快速分析的需要。
　　應(yīng)用FTIR技術(shù)研究了鎘和銅金屬在日本昆布科藻類中的吸附。結(jié)果顯示羧基和氨基是重金屬的主要吸附點(diǎn)，且經(jīng)過甲醇和甲醛預(yù)處理后的植物中重金屬的吸收譜圖大致與處理前一致。
　　1．3氣體環(huán)境監(jiān)測
　　設(shè)計(jì)了一套用于環(huán)境氣體分析的長開放光路傅里葉變換紅外光譜系統(tǒng)。傅里葉變換紅外光譜(FTIR)分辨率高，不僅可以反映微生物細(xì)胞壁、細(xì)胞膜、細(xì)胞質(zhì)甚至細(xì)胞核中的蛋白質(zhì)、多糖、脂質(zhì)、核酸及其大分子、水分等混合成分的分子震動信息，而且能敏銳地探測分子基團(tuán)及其周圍環(huán)境的變化。因此，通過測定微生物的FTIR譜可獲得微生物及其生物大分子結(jié)構(gòu)的信息，用于鑒別微生物種類和微生物的狀態(tài)【２】。在微生物紅外譜圖的分析中，首先要確定微生物紅外譜圖的分析靈敏區(qū)，并對此區(qū)域內(nèi)的主要吸收峰進(jìn)行辨別及歸屬，同時結(jié)合分級聚類分析(hierarchicalclusteranalysis，HCA)、主成分分析(principalcomponentanalysis，PCA)和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法(artificialneuralnetwork，ANN)等化學(xué)計(jì)量學(xué)方法，找
　　出不同微生物圖譜問的細(xì)微差別，確定不同微生物的特征普峰和圖譜帶，為細(xì)菌、酵母菌或其他微生物的判別、分類、鑒定和大范圍篩選提供依據(jù)【４】。
　　該系統(tǒng)具有往返250m的開放式長距離采樣光程，使用一臺分辨率為1cm-1的傅里葉變換紅外光譜儀測量采樣路徑內(nèi)的大氣透過率光譜，然后進(jìn)行非線性最小二乘光譜擬合，計(jì)算出待測組分濃度。驗(yàn)部分通過選擇特定波段分析了污染空氣中CH4，CO，N2O和CO2的濃度，擬合殘差的均方根誤差小于1%。結(jié)果表明，該系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)簡單，光路易于校準(zhǔn)，環(huán)境適應(yīng)性良好，測量速度快，采樣范圍廣，可用于探測大氣中一些重要的痕量和微量組分，開展較大區(qū)域的環(huán)境氣體的監(jiān)測和研究。
　　
　　2． 存在的問題及其展望
　　雖然中紅外光譜及其聯(lián)用技術(shù)已日漸成熟，但在應(yīng)用技術(shù)方面還受到測試靈敏度和分辨率的限制。如GC／FTLR的靈敏度較低(5~20ng級)，比GC／MS(10~100Pg級)低約2個數(shù)量級；可供檢索的Sadtler增強(qiáng)型EPA蒸汽相圖譜庫數(shù)量為3240張光譜，與GC／MS的6多萬張質(zhì)譜圖相比要少得多；而且對沸點(diǎn)為350～500℃中等揮發(fā)性有機(jī)組成的鑒定有困難。在環(huán)境生態(tài)修復(fù)的應(yīng)用方面，利用紅外光譜技術(shù)分析具耐受性的植株對介質(zhì)中重金屬、有機(jī)污染物的累積作用，從而為探討其作用機(jī)理、提高植物累積率、揭示其介質(zhì)吸附過程的主要影響因素提供一個新的思路，對預(yù)測污染物在介質(zhì)中的歸宿、評估污染介質(zhì)對人類及環(huán)境危險性提供科學(xué)的依據(jù)，為生態(tài)修復(fù)環(huán)境系統(tǒng)拓展新的空間，是個大有前途的領(lǐng)域。
　　參考文獻(xiàn)
　　［1］.光譜學(xué)與光譜分析，2005，25(11)：1801．
　　［2］.Chemistry(化學(xué)通報)，2004，67(2)；90．
　　［3］.EnvironmentalMonitoringinChina(中國環(huán)境監(jiān)測)，1998．14(6)：13．
　　［4］.EnergyEnvironmentalProtection(能源環(huán)境保護(hù))，2005，19(6)：18．
　　
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