波谱分析【摘要】波谱分析是分析化学中发展最快、应用最广泛的领域之一，它主要从红外光谱、紫外光谱、核磁共振谱、质谱四大领域来分析，并广泛应用于化学有机分子的确证、结构生物学蛋白质的三维结构研究、物质科学的固体成像以及医学疾病诊断等。
【Abstract】Spectrum analysis is one of the fastest, the most widely used in the field of chemistry in the development, it mainly from the IR, UV, NMR, Ms four areas to analyze, and is widely used in organic chemistry, solid imaging three-dimensional structures, structural biology study on protein, material science and medicine diagnosis.【关键词】紫外—可见光谱法；红外光谱法；核磁共振光谱法；质谱分析法；应用；进展；新技术【keywords】UV-vis spectroscopy; infrared spectroscopy; magnetic resonance spectroscopy; mass spectrometry; application; progress; new technology前言：早在1906年，俄国植物学家Tsweet以石油醚作为流动相，碳酸钙为固定相发现了色谱分离现象，通过科学家门的不懈努力及大量实验，逐渐形成了紫外光谱法、红外光谱法、核磁共振光谱法、质谱分析法等波谱分析方法，使波谱分析迅速发展。
现在，波谱分析的基础理论与实验的应用已成为生命科学、材料科学、环境科学、石油化工等领域中重要的、不可缺少的部分。
一．波谱分析方法简介1.红外光谱红外吸收光谱主要是通过测定分子中化学键的振动频率来确定官能团，提供未知物具有哪些官能团、化合物的类别( 芳香族、脂肪族、饱和、不饱和)等．红外光谱有时也可提供未知物的细微结构．如直链、支链、链长、结构异构及官能团间的关系等信息，但它在综合光谱解析中居次要地位．2.紫外光谱紫外吸收光谱主要用于确定化合物的类型及共轭情况．如是否是不饱和化合物，是否具有芳香环结构，是否具有共轭体系等化合物的骨架信息．这里要注意的是紫外吸收光谱虽然可以反映分子结构中发色团和助色团的特性信息，但特征性差，且不能完全反映整个分子的特性．它只能作为结构鉴定的一种辅助工具，主要用于定量分析．3.核磁共振谱核磁共振氢谱在综合光谱解析中主要提供化合物中有关质子的信息． ( 1 ) 质子的类型：质子所处的化学环境说明化合物具有哪些种类的含氢官能团．( 2 ) 氢分布：由峰的强度( 面积) 可说明各种类型氢的相对数目． ( 3 ) 核间关系：峰的数目标志分子中磁不等性质子的种类，共振信号的数目表明分子中不同类型质子的数量，这里应注意是否存在信号的重叠；峰的裂分数可说明相邻碳原子上质子数；偶合常数可确定化合物构型．氢核间的偶合关系与氢核所处的化学环境可提供化合物的二级结构信息，如连结方式、位置、距离；结构异构与立体异构( 几何异构、光学异构、构象)等．核磁共振碳谱(13C NMR)与氢谱类似，也可提供化合物中碳核的类型、碳的分布、碳核间的关系三方面结构信息．主要提供化合物的碳“骨架”信息．碳谱的各条谱线一般都有它的惟一性，能够迅速、正确地否定所拟定的错误结构式．碳谱对立体异构体比较灵敏，能给出细微结构信息．[8]4.质谱质谱主要提供有关分子的分子量、元素组成、由裂解碎片推导结构单元等结构信息．质谱图上的碎片峰可以提供一级结构信息．质谱的另一个主要功能是在综合光谱解析后，验证所推测的未知物结构的正确性．二．波谱分析方法的应用1. 红外光谱20世纪70年代后期，干涉型傅里叶变换红外光谱仪投入了使用，这就是所谓的第三代红外分光光度计，它已成为目前的主要机型。
这种光度计灵敏度高，分辨率高，扫描速度很快，再加上计算机的应用，使得红外光谱的应用越来越广泛，一些原本无法研究的反应动力学课题有了解决的工具。
近来，已采用可调激光器作为光源来代替单色器，研制成功了激光红外分光光度计，即第四代红外分光光度计，它具有更高的分辨率和更广的应用范围，但目前还未普及。
2．紫外光谱紫外—可见光谱法是最早应用于有机结构鉴定的物理方法之一，也是化学分析常用的一种快速、简单的分析方法。
它的应用如下：检定物质，纯度检验，推测化合物的分子结构，氢键强度的测定，络合物组成及稳定常数的测定，反应动力学研究，在有机分析中的应用，有机分析是一门研究有机化合物的分离、鉴别及组成结构测定的科学，它是在有机化学和分析化学的基础上发展起来的综合性学科。
3．核磁共振谱[1][2][7]核磁共振分析能够提供三种结构信息：化学位移、偶合常数和各种核的信号强度比。
通过分析这些信息，可以了解特定原子个数、化学环境、邻接基团的种类，甚至连分子骨架及分子的空间构型也可以研究确定，所以NMR在化学、生物学、医学和材料科学等领域的应用日趋广泛。
并涌现了较多的新技术、新进展，如：3.1 3DNMR 与结构生物学3DNMR 是2DNMR 技术的发展,它主要应用于测定生物大分子尤其是蛋白质的三维结构,通过肽连接把一个氨基酸残基上的1H 磁化矢量转移到另一个氨基酸残基,通过3DNMR 方法进行序列归属。
NMR 方法的精确性可以与晶体X - 衍射成像相媲美,而且NMR 方法的优越性在于测定的是溶液中的结构,从而可以研究对发挥蛋白质功能有重要作用的动力学过程。
3.2 NMR 成像与医学诊断[3][4]随着2D、3DNMR 的发展, 人们很快认识到NMR 成像对研究人体和动物解剖具有巨大潜力。
由于水含量和驰豫时间的差异,利用适当的NMR脉冲序列就可以区别不同的生物组织,获得有明显不同的正常和病理组织的图像，从而为研究人深层次的思维活动开辟了一新天地。
4. 质谱质谱法主要是它与色谱仪及计算机联用的方法，已广泛应用在有机化学、生化、药物代谢、临床[5]、毒物学、农药测定、环境保护、石油化学、地球化学、食品化学、植物化学、宇宙化学和国防化学等领域[6]。
近年的仪器都具有单离子和多离子检测的功能，提高了灵敏度及专一性，灵敏度可提高到10。
用质谱计作多离子检测，可用于定性分析，也可用于定量分析，用被检化合物的稳定性同位素异构物作为内标，以取得更准确的结果。
三．波谱分析方法的新技术1. 红外光谱红外光谱主要以近红外光谱分析为主，其在中药纯化过程的研究上起了重要作用。
目前，中药产品质量的稳定性和均一性较低，极大地阻碍了中药现代化与国际化进程，其主要原因之一是缺乏中药制药过程分析方法，诸多过程参数尚无法在线检测，更谈不上实施有效控制．近红外光谱技术( Near infrared spectroscopy ，NIRS)是一种重要的过程分析方法，具有快速、原位、非接触、非破坏性等优点，可同时进行多组分测定，已在石油化工、西药质量监控、农业、化学反应终点跟踪、药物辅料识别、肉类加工等方面得到广泛应用。
[16]大孔吸附树脂纯化是近年被推广用于中药精制工艺的新技术，以其纯化中药黄连过程为具体研究对象，用黄连中各生物碱的 H P L C分析测定值作参比，采用偏最小二乘算法( PLS ) 建立 N I R透射光谱的校正模型，快速地同时测定了洗脱物中盐酸小檗碱、盐酸巴马亭、盐酸药根碱和黄连总生物碱的浓度，从而提出一种基于 NIRS的适合中药制药过程分析的新方法．NIRS是介于可见光谱区和中红外光谱区之间的电磁波，其光谱信息来源于分子中C—H， N—H，O—H 基团的倍频和合频振动吸收，化学信息量相当丰富．在NIRS分析测试中，一般首先需要依据已知样品化学信息，用多元校正方法建立校正模型；然后使用该校正模型计算处理未知样品的NIRS数据，获取其化学组成信息．2.紫外光谱水体中的大多数有机污染物在紫外区域有较强的吸收，因此可利用紫外吸光度检测水体中的有机污染物浓度。
通过平滑、导数、标准正态变量变换等光谱预处理后，采用主元回归、偏最小二乘、支持向量机等方法建立回归模型，并由该模型依据待测样本的紫外光谱数据计算出有机污染物浓度[9]。
湖泊沉积物中的有机磷可采用钼酸铵比色方法与液相31P-核磁共振技术(31P-NMR),研究不同浓度NaOH及NaOH与EDTA不同配比(NaOH-EDTA)对沉积物有机磷的提取及31P-NMR 组成分析的影响[10]。
由于农药的使用，废弃电池没有合理回收等原因，土壤也收到明显污染，采用正己烷-丙酮-磷酸混合溶剂为提取剂，在萃取温度100℃、压力10.3 MPa条件下，用快速溶剂萃取仪提取土壤样品，石墨碳黑氨基固相萃取柱净化,PTV大体积进样，气相色谱-质谱联法[11]同时检测六六六、滴滴涕(DDTs)和10种拟除虫菊酯类农药（联苯菊酯、甲氰菊酯、氯氟氰菊酯、氯菊酯、氯氰菊酯、氟氯氰菊酯、氟氨氰菊酯、氰戊菊酯、氟氰戊菊酯、溴氰菊酯）共18种农药残留。
根据各方法的检测结果，人们可以更有针对性的解决环境污染方面的难题，从而有效保护环境。
3．核磁共振谱核磁共振谱是一种很有力的研究手段．可应用于煤的液化产物和固体煤分析．液体核磁共振主要有。
1H—NMR，13C-NMR，多脉冲序列和液体二维谱等、固体核磁共振主包括固体13C — NMR、交叉极化 (CP ) 、高功率质子去偶、魔角旋转 ( MAs ) 、偶极去相 ( DD) 、固体二维谱等、近年来才发展起来的核磁共振成象技术也已用于煤的研究。
应用核磁共振氢谱和偏最小二乘法-判别分析研究鼻咽癌患者血清中代谢物的代谢组变化，可为鼻咽癌的诊断提供分子水平上的代谢依据。
应用核磁共振氢谱和主成分分析方法研究慢性乙肝患者血清的代谢组变化[12]，这种基于核磁共振氢谱和主成分分析的代谢组学方法可以为乙肝的诊断提供可靠的分子水平上的代谢依据[13][14]。
利用氢质子磁共振波谱( 1H M RS) 技术, 研究认知障碍的帕金森病( PD) 患者脑部代谢变化。
进一步探索帕金森痴呆( PDD) 患者发生痴呆的病因。
有助于PDD 的病因诊断及风险预测[15]。
4.质谱[17][18]气相色谱～质谱联用技术对小分子混合物样品的分析极为方便．飞行时间二次离子质谱利用碎片离子的质量、相对丰度和谱图峰形的分布解析碎片离子．碎片离子的质量是质谱图解析的根本依据；碎片峰的相对丰度则提供了被测物质的结构信息；谱图峰形的分布为有机组分的化学组成提供了概略的宏观信息．全二维气相色谱与通常的气相色谱相比具有分辨率高、峰容量大、灵敏度好、分析速度快以及定性更有规律可循等特点，非常适合复杂体系的分离分析．已被应用于石油产品、精油、杀虫剂、中药挥发油及烟气等复杂体系领域的研究。