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温度效应与近红外光谱的完美产物—温控近红外光谱技术

呀我好怕怕

2019/07/01
Chinfo近红外小分队

近红外光谱的温度效应被认为是科学实验的干扰因素，之前科学家们一直在努力消除温度效应带来的影响或研究校正温度的方法。但是我们可以换一个角度看待温度效应，充分利用温度这个扰动因素，结合近红外光谱技术，利用温度扰动引起的光谱变化实现了近红外光谱的定量分析和结构分析新方法—温控近红外光谱技术，并在混合物体系、生物体系及实际复杂体系分析中得到应用。
温控近红外光谱中包含了温度和浓度变动引起的光谱变化，利用这些扰动，我们可以溶液体系进行定量和结构分析。我们课题组利用多级同时成分分析（MSCA），建立了两级模型，分别描述了光谱与温度之间的定量关系（QSTR）和光谱与浓度之间的定量关系（QSCR），实现了对水溶液和血清样品中葡萄糖的定量分析。进一步，根据样品中包含相同成分的特点，提出了互因子分析（MFA）的新方法。通过提取不同温度或不同浓度光谱中相互包含的光谱特征，并通过光谱特征的相对含量对温度或浓度进行了定量分析。通过分析葡萄糖水溶液温控近红外光谱得到了光谱变化与温度和浓度之间良好的线性关系，验证了该方法的可行性。并将MFA应用于血清样品中葡萄糖的定量检测中，也得到了满意的定量模型，为水溶液体系和生物体系的定量分析提供了一种新的途径和方法。
除了定量分析，我们还将温控近红外光谱应用于结构分析。我们发展了一种基于主成分分析（PCA）载荷旋转的光谱解析方法。对简单二元水-乙醇混合体系的温控近红外光谱进行了分析，计算得到了在混合溶液中水和乙醇的光谱信息，通过分析计算光谱和纯物质光谱的差异，可以得到水和乙醇在溶液中的结构信息以及二者之间的相互作用信息。继而通过温控近红外光谱技术研究了生物大分子，如蛋白，与水的相互作用。通过二维相关光谱和高斯拟合分析了不同温度下卵清蛋白水溶液的近红外光谱，提取出了五种不同结构水团簇的特征光谱，得到了其强度随温度的变化趋势和随温度变化的先后顺序。结果表明，含有两个氢键的水结构变化能够很好的反映蛋白质的结构转变，并且在蛋白形成凝胶的过程中促进了凝胶结构的形成。进一步，通过温控及红外光谱技术结合化学计量学算法对更复杂的人血清样品进行了分析。将水作为探针，采用PCA和二维相关光谱分析的方法分析了血清样品的近红外光谱，获得了与血清样品差异相关的水结构特征光谱，并实现了疾病诊断目的。除此之外，我们还建立了温控近红外光谱中温度相关变量识别的方法。通过连续小波变换结合蒙特卡洛无信息变量消除的方法，筛选出了与温度相关的变量信息，通过所选变量实现了不同溶液的识别。
因此，温控近红外光谱技术结合化学计量学方法可以成为一种对水溶液和生物体系中溶质含量、结构变化以及与溶剂相互作用进行分析的有效手段。

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