【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(cè)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(guó)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(cè)，定性分析)中的應(yīng)用，并對(duì)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(duì)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(jià)格便宜，對(duì)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(gè)重要手段，主要用于環(huán)境污染監(jiān)測(cè)、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(cè)
　　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(shí)常常需要保持原料成分含量的一致性，有時(shí)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(cè)合格的目的。近紅外技術(shù)適于在線檢測(cè)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(shí)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(duì)兒童高鈣奶粉進(jìn)行了測(cè)定。他們使用多元線性回歸法分別建立了用近紅外檢測(cè)的兒童高鈣奶粉水分、蛋白、脂肪、乳糖和蔗糖的快速測(cè)定模型。將近紅外法的測(cè)定結(jié)果和標(biāo)準(zhǔn)方法的測(cè)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(cè)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(jiǎn)單算法對(duì)測(cè)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(duì)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(jiǎn)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(cè)量和分析，如牛奶成分、農(nóng)產(chǎn)品、藥物的在線測(cè)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(guó)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(duì)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(duì)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(cè)的定量數(shù)學(xué)模型，其平均預(yù)測(cè)誤差<0．5％，可以達(dá)到乳品企業(yè)快速準(zhǔn)確預(yù)測(cè)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(shí)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(cè)定。
　　1．2固體環(huán)境監(jiān)測(cè)
　　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(duì)CA2的積累，結(jié)果表明，在低濃度Cd2溶液中菌株細(xì)胞對(duì)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(shí)，即使有Mn2+存在，菌體對(duì)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(cè)農(nóng)藥中有效成分吡蟲啉的含量。采用紅外光譜法直接測(cè)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(duì)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(cè)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(cè)
　　設(shè)計(jì)了一套用于環(huán)境氣體分析的長(zhǎng)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(dòng)信息，而且能敏銳地探測(cè)分子基團(tuán)及其周圍環(huán)境的變化。因此，通過測(cè)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(duì)此區(qū)域內(nèi)的主要吸收峰進(jìn)行辨別及歸屬，同時(shí)結(jié)合分級(jí)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(zhǎng)距離采樣光程，使用一臺(tái)分辨率為1cm-1的傅里葉變換紅外光譜儀測(cè)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(cè)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(jiǎn)單，光路易于校準(zhǔn)，環(huán)境適應(yīng)性良好，測(cè)量速度快，采樣范圍廣，可用于探測(cè)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(cè)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(cè)試靈敏度和分辨率的限制。如GC／FTLR的靈敏度較低(5~20ng級(jí))，比GC／MS(10~100Pg級(jí))低約2個(gè)數(shù)量級(jí)；可供檢索的Sadtler增強(qiáng)型EPA蒸汽相圖譜庫(kù)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(duì)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(duì)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(gè)新的思路，對(duì)預(yù)測(cè)污染物在介質(zhì)中的歸宿、評(píng)估污染介質(zhì)對(duì)人類及環(huán)境危險(xiǎn)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(gè)大有前途的領(lǐng)域。
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