二维相关红外光谱法研究BMTPF分子光化学反应历程

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二维红外光谱

二维红外光谱二维红外光谱技术是一种非破坏性分析技术，可以用来识别和定量分析各种物质的化学成分。

它是一种原位或近红外光谱分析技术，在短的时间内可以获得精确的二维红外光谱数据。

这种技术对于各种化学分析及其他工业应用都有重要的意义。

二维红外光谱分析是一种非破坏性分析技术，可以用来识别和分析各种物质的化学成分。

它使用红外光谱仪来分析物质的组成，可以快速有效地获取准确的结果。

整个分析过程中，红外光谱仪通过检测样品中不同波长的光谱，获得相应的结果。

通过二维红外光谱，可以准确获得样品的物理结构以及它的化学性质。

二维红外光谱的优点很多，它是一种非破坏性分析技术，不会破坏原始样品，这种技术的精确度很高，可以检测出分子的构型信息以及判断物质的固液态和各种复合物的组成。

同时，由于技术的自动化操作，可以节省大量时间，它可以在短时间内实现高效率的分析。

此外，二维红外光谱可以用于化学分析，细胞分析，蛋白质分析，及各种材料分析，比如汽油，润滑油，燃料油等有机物分析等。

同时，也可以用来检测食品中的元素组成，比如糖，蛋白质，脂肪，矿物质等。

它还可以用于环境污染的检测，比如检测空气中的有毒气体成分，以及土壤中的重金属等有毒物质。

二维红外光谱是一种重要的分析技术，它可以应用在许多不同的领域，具有广泛的应用前景。

如今，它已经在工业，医学，农业等各个领域发挥着重要的作用，可以快速，准确，安全地分析物质的组成结构以及它的性质特征。

随着红外技术的不断发展，未来二维红外光谱肯定会发挥更大的作用，以适应日渐增长的工业和应用需求。

总而言之，二维红外光谱技术作为一种重要的分析技术，一直以来在各种应用领域都发挥着重要作用。

它具有强大的分析能力，可以快速，准确，安全地检测样品的组成物质和它们的性质。

也许未来在更多的领域，二维红外光谱将会发挥更大的作用，为解决更多的工程应用问题作出贡献。

乙二醇氢键作用二维红外光谱研究

外光谱及二维红外光谱，来进一步探索研究温度
变化对于乙二醇氢键作用的影响。
１实验部分１．１原料及仪器
１２００ｃｍ频率范围内的红外吸收峰分别归属于
ＣＨ弯曲振动模（ａｃＨ￣）和Ｃ —ＯＨ面内弯曲振动模式（６～。）；１２００—６００ｃｍ频率范围内的红外
（１５ｌ５０ｏｌ８２Ａ）。
２０１７年３月
于宏伟等．乙二醇氢键作用二维红外光谱研究
５１
实地区分开被测样品官能团的重叠的红外吸收峰，具有重大的理论研究价值，因此笔者重点开展了Ｚ，－－醇ＶＯＨ二维红外光谱的研究。
谱比较简单］，其中３６００～３０００ｃｍ频率范围
的红外吸收峰归属于乙二醇ＯＨ伸缩振动模式（Ｉ，。）；３０００～２８００ｃｍ一频率范围的红外吸收峰
归属于乙二醇ＣＨ２伸缩振动模式（Ｉ，ｃ）；１６ＯＯ一
维红外光谱、二阶导数红外光谱、四阶导数
红外光谱和去卷积红外光谱的数据获得采用Ｓｐｅｃｔｒｕｍｖ６．３．５软件；二维红外光谱的数据获得
作者简介：于宏伟，博士，副教授，现主要从事红外光谱的教学与科研工作。基金项目：河北省科技厅科学技术研究与发展计划（１２２２２８０２）；石家庄市科学技术研究与发展计划课题

二维相关红外光谱及其应用解读

二维相关红外光谱及其应用1 引言二维相关光谱是一种实验设计与数据处理相结合的分析技术。

对于每一种样品体系，需要根据研究目的，设计合适的实验方案，通过对样品施加特定的微扰(包括机械拉伸力、温度、压力、浓度、磁场、光照等)，诱导光谱信号产生动态变化，对一系列的动态谱图进行相关分析计算，便得到二维相关谱图(图1)。

二维相关谱图反映的是样本中各种组成成份或者微观结构单元相应于外界微扰的变化情况，以及这些变化之间相互的联系。

目前应用最广泛的是以温度为变量的二维相关红外光谱技术。

2 二维相关光谱的特性二维相关光谱可用三维立体图或二维等高线图进行可视化显示，便于直观地对二维信息进行解析。

在二维相关光谱的等高线图中，z坐标轴值用x-y平面中的等高线表示。

同步相关光谱代表两个动态红外信号之间的协同程度，它是关于主对角线对称的。

相关峰在对角线和非对角线区域均会出现。

在对角线上有一组峰，它是动态红外信号自身相关而得到的，所以称为自动峰。

自动峰总是正峰，它的强度代表外扰引起的变化程度。

强的自动峰对应于动态谱中强度变化较大的区域，而保持不变的区域则显示出非常小或没有自动峰，这与微观环境对官能团运动的影响是密切相关的。

在二维相关图中(见图1)，以圆圈的个数代表Φ(ν1,ν2)的绝对值。

在坐标(A,A)，(B,B)，(C,C)和(D,D)处的自动峰分别具有2，1，4和2个圆圈，表明(C,C)处的自动峰最强，而(B,B)处的自动峰最弱。

二维同步相关光谱中位于主对角线以外的峰叫做交叉峰，它显示扰动发生过程中ν1和ν2处的强度变化的相关变化。

为了便于观察自动峰和交叉峰的强度的相关变化，可以构造一个相关正方形，把对角线上的自动峰和两侧的交叉峰连贯起来。

所以A和C，B和D是同步相关的(图1a)。

交叉峰的符号既可为正也可为负。

如果发生在ν1和ν2处的强度变化是同一方向的，那么Φ(ν1,ν2)为正；反之，如果发生在ν1和ν2处的强度变化是沿着相反方向的，那么Φ(ν1,ν2)为负。

二维相关近红外光谱及其应用

3 通讯作者 : 相秉仁 ,教授 ,博士生导师 ; 研究方向 : 计算药物分析 ; Tel :025283271180 ; E2mail :lcwangxbr @yahoo. com. cn
·综述与专论 ·
2007 年第 31 卷第 7 期第 304 页
本页已使用福昕阅读器进行编辑。福昕软件（Ｃ）２００５－２００９，版权所有，仅供 30试4 用 2。007 , Vol . 31 , No. 7
由于吸收信息的分布范围广谱峰宽同一近红外谱区常有不同分子多种基团的谱峰重叠在一起严重的谱峰重叠是近红外光谱分析不同于常规分析的一个难点二维相关近红外光谱指对体系在受扰动过程中的近红外光谱进行相关性分析得到光谱的二维尺度信息包括同步和异步相关光谱析体系施加一个外部微扰则体系会产生一系列动态变化运用相关分析对该过程中的近红外谱图进行处理得到的二维相关近红外谱图可以提高重叠的近红外信号的分辨能力观察到在一维近红外光谱中无法观察到的信息
异步相关光谱是某一光谱和另一光谱经 Hilbert 变换信号相关性分析的结果 ,因此异步相关光谱关于对角线反对称 ,没有自相关峰。它代表了两个不同波数处测得的吸收强度变化次序或变化的不同步特征 ,仅当光谱强度变化信号的傅里叶频率成分不同位相时才会出现 ,这一特点在区分不同光谱来源或不同组分形成的重叠峰时特别有效。
二维相关光谱的概念很早就在核磁共振分析领域提出。二维核磁谱是用多脉冲激发核自旋 ,采集时间域上原子核自旋弛豫过程中的衰减信号 ,经过傅里叶变换而获得。但是 ,该分析方法直到近十几年才被应用到分子振动光谱中 ,其原因在于光谱采集时间尺度上存在极大差异。因为分子振动的弛豫时间比核自旋的弛豫时间要小若干个数量级 ,通常的光谱仪根本无法在这么短的时间内激发分子振动并采集它在弛豫过程中的信号 ,所以分子振动光谱无法跟核磁共振一样采用多脉冲激发的方式获得二维相关光谱[1] ,因此二维相关光谱很长时间内未渗

二维傅里叶红外光谱

二维傅里叶红外光谱
二维傅里叶红外光谱是一种非线性光谱技术，它结合了傅里叶变换和红外光谱技术。

在传统的红外光谱技术中，通过扫描一条红外光谱曲线来获取样品的信息。

然而，这种方法只提供了分子中振动模式的简单图像，而不提供关于这些模式如何相互作用的信息。

二维傅里叶红外光谱通过在时间和频率域中收集信息来获得更丰富的信息。

在2D-IR实验中，首先使用一系列光脉冲来激发分子的振动模式，然后测量样品反应的时间和频率响应。

通过对这些响应进行傅里叶变换，可以获得2D-IR光谱图。

2D-IR光谱图通常由两个轴组成，将垂直轴称为“频率1轴”，将水平轴称为“频率2轴”。

亮点表示相应的模式之间存在振动耦合。

二维傅里叶红外光谱是一种非常强大的分子结构表征工具，它提供了比传统红外光谱更详细的信息。

红外光谱基本原理课件

红外光谱仪的性能指标
波长范围
表示仪器能够测量的红外光波长范围，常用的波长范围有近红外、中红外和远红外。
分辨率
表示仪器能够分辨的最小波长差，分辨率越高，仪器性能越好。
信噪比
表示仪器输出信号与噪声的比值，信噪比越高，仪器性能越好。
扫描速度
表示仪器完成一次光谱扫描所需的时间，扫描速度越快，仪器性能越好。
谱带形状
不同化学键或基团的红外光谱谱带形状也不同，谱带形状与分子内部的对称性和振动模式有关。
02
红外光谱仪器
红外光谱仪的基本构造
光源
发射一定波长的红外光，常用光源有碘钨灯和溴钨灯。
干涉仪
将光源发出的红外光变成干涉光，常用的干涉仪有迈克尔逊干涉仪和马赫-曾德尔干涉仪。
检测器
检测干涉光的强度，常用的检测器有热电堆检测器和量子化能检测器。
在生物学中的应用
生物大分子结构研究
红外光谱可以用于研究蛋白质、核酸等生物大分子的结构和构象变化。
生物活性物质分析
红外光谱可以用于分析生过红外光谱研究药物与靶点分子间的相互作用，有助于药物设计和筛选过程的优化。
在环境科学中的应用
有机污染物分析
红外光谱可以用于检测和鉴定水体、土壤等环境样品中的有机污
染物，如农药、石油烃等。
气体分析
红外光谱可以用于分析大气中的气体成分，如二氧化碳、甲烷等，有助于监测和评估大气环境质量。
地质样品分析
红外光谱可以用于分析岩石、矿物等地质样品，通过分析其成分和结构，有助于地质学研究和矿产资源勘探。
04
数据处理系统
对检测器输出的信号进行处理，计算出光谱图。

红外及二维相关光谱方法对外扰作用下聚合物体系演化的微观动力学机理的研究

红外及二维相关光谱方法对外扰作用下聚合物体系演化的微观动力学机理的研究本论文以红外光谱及二维相关光谱分析技术为主要研究手段,并结合PCMW2D (Perturbation Correlation Moving Window Two Dimensional)等方法对外扰作用下聚合物体系的演化机理展开了细致的研究。

在已有科研报导的基础上,力求对聚合物结构与性质间的相互关系获取更深入的了解。

本论文研究工作的创新点主要在于：(1)使用红外光谱方法,对聚合物中的多种化学结构进行了定量分析,从而能够更准确、量化地了解不同的微观结构对聚合物性质的直接影响。

(2)使用了新型的PCMW2D方法。

这种方法能够判定不同的化学结构在发生相转变、相分离等显著变化时所对应的临界条件；同时,结合PCMW2D谱图中相关峰的符号,还可以对各微观结构所发生变化的具体形式进行准确判定。

因此,本论文中通过应用PCMW2D方法,有效地找到了聚合物中的多种基团在外扰作用下发生显著变化时所需要的外界条件及具体的变化形式。

(3)使用二维相关光谱分析方法,对聚合物体系在多种外扰作用下的演化行为进行了研究。

有效地推断出各微观结构随外扰变化的先后顺序,从而得以在分子水平上对聚合物复杂演化过程中的微观动力学机理有所认识。

(4)对多种化合物在近红外区间的振动吸收峰做出了明确的归属,在谱学研究上具有一定的意义。

本论文共分为正文七章及附属的二章。

在正文的第一章中,对红外光谱及二维相关光谱分析方法进行了介绍,同时总体阐述了本论文的工作目的及研究脉络。

在第二章中,介绍了本文的研究工作中所使用的仪器,待测样品的多种制备方法及实验测试条件。

此外作者还结合一些具体的研究体系,介绍了自己在进行红外实验时的一些经验。

在第三章中,我们主要探究了聚异丙基丙烯酰胺(PNIPAM)这种对环境温度的变化具有显著响应性的“智能”聚合物。

使用红外、二维相关光谱及PCMW2D方法探讨了PNIPAM 20 wt%重水溶液的相分离及其逆过程的微观动力学机理。

抗坏血酸升温氧化过程的二维相关红外光谱分析

抗坏血酸升温氧化过程的二维相关红外光谱分析华　瑞　孙素琴3　周　群徐永群(清华大学化学系,北京100084)(黄冈师范学院化学系,黄冈438000)摘　要　采用傅里叶变换红外光谱法(FTIR )和二维相关分析(2D C orrelation Analysis )技术研究了固态抗坏血酸在20℃～160℃的升温氧化过程。

结果表明:抗坏血酸随着温度升高的红外光谱的特征峰在一维图上变化不明显。

借助于二维相关分析,不仅提高了谱图的分辨率,将一维红外谱图上1674cm -1处的单峰分解为两个自相关峰,显示了抗坏血酸的互变异构体中酮式结构的C O 基团和醇式结构的C C 基团的振动;还揭示了分子内各官能团之间的相互作用,反映了在升温氧化过程中这些基团之间的协同关系和变化的先后顺序。

抗坏血酸分子中C O 、C C 和C O C 基团发生了相互作用,其变化的顺序是C C 先于C O C发生偶极矩的变化,最后是C O 发生变化,此现象与抗坏血酸的氧化反应机理相一致。

总之,二维相关红外分析可以作为研究抗坏血酸升温氧化过程中结构动态变化的一种新方法,也为抗坏血酸在氧化过程中的机理研究提供了一个重要的理论依据。

关键词　二维相关分析,红外光谱,抗坏血酸,氧化　2002203223收稿;2002209230接受本文系国家中医药管理局科技重大资助项目(国中医药科2001Z DZX 01)1　引言1986年,Noda 提出并构建了二维红外光谱(2D IR S pectra )的概念1。

在二维红外光谱中,谱图是将两个独立的波数轴的红外谱经过数学相关分析而得到的,根据二维图上的谱峰可以分析在外部扰动下分子内基团的变化。

二维光谱有两个优点:一是可以得到在实验过程中分子内及分子间不同基团之间相互变化的相互作用及先后关系,二是提高谱图的分辨率。

最初用来进行二维红外光谱分析的外部扰动都是与时间有关的,后来扩展到更加广义的扰动,且微扰可以是光、热、电、磁、化学或者机械的多种方式2～4。

红外光谱发展史

红外光谱发展史雨后天空出现的彩虹，是人类经常观测到的自然光谱。

而真正意义上对光谱的研究是从英国科学家牛顿(Newton) 开始的。

1666 年牛顿证明一束白光可分为一系列不同颜色的可见光，而这一系列的光投影到一个屏幕上出现了一条从紫色到红色的光带。

牛顿导入“光谱”（spectrum）一词来描述这一现象。

牛顿的研究是光谱科学开端的标志。

从牛顿之后人类对光的认识逐渐从可见光区扩展到红外和紫外区。

1800 年英国科学家W. Herschel 将来自太阳的辐射构成一副与牛顿大致相同的光谱，然后将一支温度计通过不同颜色的光，并且用另外一支不在光谱中的温度计作为参考。

他发现当温度计从光谱的紫色末端向红色末端移动时，温度计的读数逐渐上升。

特别令人吃惊的是当温度计移动到红色末端之外的区域时，温度计上的读数达到最高。

这个试验的结果有两重含义，首先是可见光区域红色末端之外还有看不见的其他辐射区域存在，其次是这种辐射能够产生热。

由于这种射线存在的区域在可见光区末端以外而被称为红外线。

（1801 年德国科学家J.W. Ritter 考察太阳光谱的另外一端，即紫色端时发现超出紫色端的区域内有某种能量存在并且能使AgCl 产生化学反应，该试验导致了紫外线的发现。

1881年Abney 和Festing 第一次将红外线用于分子结构的研究。

他们Hilger光谱仪拍下了46个有机液体的从0.7到1.2微米区域的红外吸收光谱。

由于这种仪器检测器的限制，所能够记录下的光谱波长范围十分有限。

随后的重大突破是测辐射热仪的发明。

1880年天文学家Langley在研究太阳和其他星球发出的热辐射时发明一种检测装置。

该装置由一根细导线和一个线圈相连，当热辐射抵达导线时能够引起导线电阻非常微小的变化。

而这种变化的大小与抵达辐射的大小成正比。

这就是测辐射热仪的核心部分。

用该仪器突破了照相的限制，能够在更宽的波长范围检测分子的红外光谱。

采用NaCl作棱镜和测辐射热仪作检测器，瑞典科学家Angstrem第一次记录了分子的基本振动（从基态到第一激发态）频率。

二维红外光谱

导读　二维红外光谱是目前超快时间分辨光谱中的一个重要前沿领域.二维红外光谱的特点是,在概念上深受二维核磁共振谱的启发,由于二维核磁技术在解析复杂分子结构方面所取得的极大成功,势必激起人们对二维红外光谱在解析结构方面的期望.而这种期望必然是推动二维红外光谱发展的持续动力.在原理和技术上,二维红外光谱是不折不扣的超快时间分辨非线性光学,将频域测量变为时域扫描的相干测量,最后通过二维傅里叶变换获取二维红外频域光谱信息.二维红外光谱不仅能够给出分子的振动光谱,更重要的是能够给出各种振动模式间的耦合及布居数的弛豫.对振动耦合常数的测量,可望解析出分子的空间结构.与核磁共振技术相比,核磁共振信号的耦合是空间局域的,由此可通过对分子局域结构的解析而获得大分子的空间结构信息.然而分子振动模式间的耦合是离域的,分子越大,耦合程度越复杂,导致二维红外光谱相对于二维核磁共振谱在解析分子结构方面的先天不足.尽管如此,前者的时间分辨率达飞秒量级,后者仅为纳秒量级.可以预测,如果能够在二维红外光谱的应用中充分做到扬长避短,定能在超快动力学研究中发挥巨大的潜力.新的技术昭示着新的希望,除时间分辨X射线衍射结构解析技术外,国际上将二维红外光谱和超快时间分辨电子衍射技术作为重要的超快时间分辨结构解析手段在努力发展,研究人员也在各自的阵线向学术顶峰发起冲击,就看谁能够率先突破,力拔头筹.由于该领域技术上的难度及人才的匮乏,国内只有个别研究小组开始这一领域的研究.为了使国内同行能够快速、准确地领会二维红外光谱的精髓及关键技术,郑俊荣教授接受本刊邀请,结合自己的研究成果,深入浅出地介绍了二维红外光谱的原理、方法、应用实例及该方法的局限性.由于缺乏感性认识,外语技术词汇往往是阻碍非母语读者快速进入新领域的绊脚石,作为本文的读者和受益者,我对郑俊荣教授的热忱之心深表敬意,同时也希望更多的海外学者加入到这一行列中来.(中国科学院物理研究所　翁羽翔)二维红外光谱郑俊荣(莱斯大学化学系　休斯敦　得克萨斯　美国　77005)摘　要文章对二维红外光谱的历史、实验设备、方法原理、具体应用进行了简要的介绍,并对它的前景进行了展望.二维红外光谱是一种通过多束超快(10-15s(1fs)—10-12s(1ps)、中红外(400—4000cm-1)激光对分子的化学键的振动模式进行顺序激发,从而获得关于分子动态及静态结构信息的方法.它的原理非常类似于二维核磁共振,但要快上大约6个数量级.现在它已经开始被应用于研究平衡态下快速的分子变化,分子间相互作用(如氢键,偶极-偶极相互作用等)在常温液体里的动态变化,水氢键网络的演变过程,小分子、多肽和蛋白的静态或瞬间结构变化.关键词二维红外光谱,超快,动态变化,氢键,静态和瞬态结构2D IR spectroscopyZHEN GJ un2Rong(Chemistry Department,Rice University Houston,T X,US A77005)Abstract The paper briefly introduces the history,principles,experimental setups,applications,and perspec2 tives of two dimensional infrared spectroscopy(2D IR).The2D IR technique obtains both static and dynamic mo2 lecular information through exciting molecular vibrations with ultrafast Mid2IR lasers.It is an IR analogue of two dimensional NMR,but six orders of magnitude faster.It has been widely applied to studies of molecular interac2 tions,hydrogen bond dynamics,fast chemical exchanges,static and transient structures of peptides and proteins.More applications would be expected in the near future.K eyw ords 2D IR spectroscopy,ultrafast,dynamics,hydrogen bond,static and transient structure　2009-02-04收到　Email:jz8@1　引言1.1　什么是二维红外光谱?二维红外光谱有两个定义:一个是Isao Noda在1989年提出的对一系列相关的一维红外光谱图(普通的红外光谱图)进行分析,并希望从分析中得到分子内或分子间化学键振动模式之间的相互关系的数学方法[1];另外一个是本文要讨论的,就是用直接的实验手段来探测化学键振动模式之间的相互关系[2—17].在现代的大多数化学实验室里,核磁共振和红外光谱大概是最常用的分子结构分析手段.核磁共振是通过检测原子核自旋的频率来获得分子结构信息,而红外光谱是通过化学键的振动频率来确定分子结构.这两者的一维谱图的x轴一般是频率,y轴是信号强度.核磁共振还有二维的谱图,即x轴和y轴都是频率,z轴是强度[18].这二维(x,y)的频率直接提供了关于原子核与原子核之间的相互关系,并提供了很多一维的方法得不到的结构与动态的信息,从而为解析复杂分子结构(如蛋白质)打下了坚实的技术基础.同样道理,红外光谱也应该有类似的二维技术来阐明振动模式与振动模式之间的关系.这样的一种技术就是二维红外光谱.一维红外光谱比一维核磁共振要早发展几十年,但是二维红外却比二维核磁共振晚了二三十年.主要原因是二维红外所需要的超快光源比二维核磁共振的射频源要晚发展.二维红外的前身———两色红外泵浦实验在20世纪90年代就已经发展了[19—22].真正意义上的第一次二维红外实验是在2000年发表的[5].这个最早出现的二维红外实验提供的是频率分辨率很差的绝对值谱图.而能提供真正吸收谱图的二维红外技术是在3年后出现的[6].此后,二维红外技术开始广泛用于研究化学问题[3,4,13,23].下面我用一个简单的例子来帮助定性地理解何为二维红外光谱.自然界里大多数分子都是多原子分子,也就是说,大多数分子有多于两个的振动模式(简振模式数=3n-6或3n-5(线性分子),n为原子数).事实上,红外谱图里的峰通常比这个式子给出的还多,因为分子振动不但能在基态与第一激发态之间跃迁,还能在第一到第二激发态之间,或者跨越不只一个能级跃迁.还有费米共振(偶然简并)也会产生更多的峰出来[24,25].).如果我们把每一个振动模式看成一根弹簧,那么,一个分子就是一串联在一起的不同大小的弹簧.如果我们想知道一个分子的结构,也就是说,如果我们想知道这些弹簧的大小以及它们是如何被串起来的,从原理上讲,我们只需知道这些弹簧(或振动模式)的振动频率就可以了,因为v=12πkm,(1) v是频率,k是力学常数,m是折合质量,而力学常数和折合质量是跟弹簧(或化学键)的大小和相对位置紧密相关.这就是一维红外光谱检测分子结构的原理.然而,振动频率跟结构(特别是化学键间的相对位置)之间的关系并不是很直截了当.这就造成了在事实上很难单凭一张一维红外谱图就能推出整个分子的结构.新的技术,尤其是那些能直接提供关于化学键之间(或振动模式之间)相互作用的信息的方法,显得很有必要.二维红外光谱就是这样的一种技术.那么,二维红外光谱是怎么样提供这些信息的呢?1.2　二维红外光谱有什么用?1.2.1　解析分子结构,基于分子振动模式间的耦合和能量传递让我们回到那个弹簧模型去回答这个问题.想象一下,如果我们拉伸一串弹簧中的一根,然后松手,这根弹簧就将开始以一定的频率振动.接着,其他的一些弹簧也将开始以它们固有的频率振动起来,这是因为那根被拉伸的弹簧将它的振动能量传给了其他的弹簧.在整个过程中,我们会观测到两类振动频率:一类是那根被拉伸的弹簧的初始振动频率(ωτ,一个);另外一类是能量传递后的其他弹簧振动的频率(ωm,多个).如果我们把实验观测结果画成图:初始振动频率(ωτ)为x轴,最后测得的振动频率(ωm)为y轴,每个振动的振幅为z轴,那么我们就会得到一张典型的二维红外光谱图(当我们把一根弹簧看作是一个分子振动模式的时候).如果我们把每一根弹簧都拉伸一下,然后分别测量拉伸后的振动频率分布,那么我们就会得到一张完全的二维谱图.其中x轴上的频率分布跟一维红外测得的频率是一模一样的,因为一维红外只测初始振动频率.如果我们再测一下随着能量传递时间而变化的频率分布,那么我们就能得知振动能量是如何在这一串弹簧中传递的.以上所描述的过程在分子的世界里也同样发生,只不过对于分子,我们不用手,而是用红外光去“拉伸”使它振动起来.如上所述,二维红外光谱除了能提供一般一维红外能提供的分子振动频率的信息以外,还能提供关于分子振动能量是如何在分子内传递的信息.这样,我们多了另外一种信息(跟一维红外相比)去解析分子的结构.在这里,有一个问题必须回答.众所周知,核磁共振能解析的分子结构精细度比红外高多了.为什么我们还需要发展红外光谱?有两个主要原因:第一,比较笼统地说,它们的适应对象,操作难易程度,成本高低不太一样;第二,两者的时间分辨率不一样.根据测不准原理,能量分辨率高的,时间分辨率就小.红外光谱所用的能量是在红外范围,而核磁共振用的是射频.射频的能量比红外小了大约6个数量级.也就是说,核磁共振能确定的能量精度要比红外光谱高出6个数量级.因此,在时间方面,红外光谱应该比核磁共振快6个数量级.现在核磁共振所用的脉冲宽度大约是几个微秒,而红外的脉冲能达到几十个飞秒.在自然界里,尤其是在生物体系里,相当多的分子有不只一个构像,这些构像在不停地交换着,从而完成一些重要的生理过程.很多交换的时间要远远快于一个微秒,如乙烷碳-碳单键的旋转.对于这些快速交换的构像,核磁共振所测得的是一个平均值(由其时间分辨率限制).而红外光谱,尤其是二维技术,却具备了能够直接把这些构像区分开来的能力.当然,如果用线性分析方法加上一些假设,核磁共振也能在一定误差范围内间接地解出快速交换的构像[26].1.2.2　测量快速分子动态变化,基于振动频率的变化以上所介绍的是二维红外测量分子结构的原理.这个技术还有至少两个其他方面的应用.一个是用于测快速分子动态变化,另一个是用于测分子间相互作用.下面分别简单介绍原理.这里还是用弹簧模型来说明问题.如果我们把一根弹簧泡在油里,然后拉伸让它振动,并现时观测记录振动频率.当弹簧仍在振动时,我们迅速把油吹干.这时候振动频率将发生改变(可能是变快了).在这个事件中,如果我们想知道什么时候油被吹干,我们只需要知道什么时候振动频率发生了改变.同样道理适用于分子体系.当分子的环境(如溶剂分子的运动)或者结构发生变化,它的某些振动频率将随着改变.观测这些振动频率的改变就能得到分子动态变化的信息.二维红外能直接测得初始频率及随反应时间而变化的最终频率.这里有一个假设:环境变化所诱导的频率的变化的过程要远远快于环境变化本身.这个假设在事实上是成立的.一般情况下,分子反应要慢于1p s,而振动频率的变化过程要快于100f s[27,28].1.2.3　分子间相互作用,基于分子间振动能量传递当两根弹簧连在一起时,振动能量能在这两者之间传递.当它们不连在一起但靠得很近时,振动能量也能在两者之间互相流动.分子振动也一样,分子间能量的传递与分子间的距离、相对取向和作用力有直接关系.二维红外能够直接测得分子间振动能量传递,从而得到有关分子间相互作用的信息.下面将从原理和设备上介绍如何在实验上实现二维红外的测量,然后用实例介绍它在以上三个方面的应用.2　原理像一维红外一样,二维红外也是测量随频率而变的光的强度.一维红外测量的是一维频率上的光强I(ωτ),它对光源没有时间分辨的要求,因此,它可以用黑体辐射产生的连续光做光源.二维红外测量的是在二维频率上随反应时间而变化的信号强度I(ωτ,ωm,T w).这里要求时间分辨率要快于反应时间.另外,如上所述,二维红外所提供的信息全部来自于振动的激发.如果振动的激发衰减到零,信号也就消失了.这就决定了二维红外所能测得的动态变化过程(如反应、能量传递)的时间域必须与振动的寿命相当.在室温凝聚态物质中,绝大多数的化学键的振动寿命只有几个皮秒,最长的也很少有超过1ns.因此,实验上所用的光源必须是脉冲的,而且必须比振动的寿命还要短.另外,我们需要知道两维频率(激发/吸收ωτ和检测/发射ωm)的信息.这是无法通过一般线性光学(如吸收谱)的技术来得知的.通常三阶的非线性光学技术,如光子回声(p hoton echo)和泵/浦(p ump/p robe),可以提供二维频率的信息[8,29].根据扰动理论(pert urbation t heory),三阶的非线型光学信号可以简单写成以下方程式[30—32]:S(τ,T w,t3)∝A×B(τ.T w,t3)×e±iωττ×e±iωm t3,(2)A和B是与频率无关的参数,ωτ是激发频率,τ是激发后的相干时间(coherence time),ωm是发射频率, t3是发射相干时间,T w是反应时间(pop ulation time).相位的正负号(±)由相位匹配(p hase match,入射光束的矢量和)决定.对时间域上的数据S(τ,T w,t3)做傅里叶变换:S(ωτ,ωm,T w)=∫∞dτ∫∞d t3exp( iωm t3 iωττ)×S(τ,T w,t3),(3)我们便得到二维频率的信息.那么,我们是如何得到亚皮秒的红外激光光源,如何得到时间域上的数据,如何对数据进行傅里叶分析的呢?3　实验3.1　光源现阶段世界上大部分实验室所用的亚皮秒的红外激光光源都是以掺钛蓝宝石(Ti/sapp hire)激光为基础而组装起来的.基本装置如图1所示.它包括三大部分:(1)振荡器(Ti/sapp hire oscillator)及其泵光源(连续光,532nm);(2)再生放大器(Ti/sap2 p hire regenerative amplifier)及其泵光源(脉冲～150ns,532nm);(3)光学参数放大器(optical para2 metric amplifier,OPA).一般振荡器每12ns(重复频率～76M Hz)产生一束以800nm为中心、频宽为10—100nm(可调)的光束(傅里叶变换极限为几个到100多个f s).每束光的能量大约是6.6nJ (以0.5W输出功率计算).这样的光重复频率太快,单束光能量太低.我们必须用再生放大器把重复频率降下来(通常降到1000Hz,可调),并提高单束光的能量(通常能到1mJ).现在商业化的再生放大器可以常规地以1000Hz的频率产生大于3.5W小于40f s的800nm的激光了.虽然这样的光已经可以足够强和足够快地去做三阶非线性光学实验,但是,它的波长是在可见和近红外区,而不是我们想要的中红外区.因此,我们必须用光学参数放大器把再生放大器的800nm输出光的波长调到中红外区.它一般是利用两种非线性光学晶体来达到目的: (1)BBO晶体把800nm光变成两束近红外光(～1.2nm和～2nm);(2)Ag GaS2晶体把这两束近红外光差频(DF G)得到中红外光.这样的装置能产生几个到上百个μJ的40—200f s的中红外光(～3—13μm).3.2　二维红外光谱仪器现在所有的二维红外技术都基于三阶非线性光学方法.各种技术之间的不同点在于如何做傅里叶变换.一般而言,有两种办法可以做傅里叶变换从而得到频率:一种是仪器傅里叶变换,即用仪器(如光栅或标准具(etalon))来分光而得到频率;另一种是数学傅里叶变换,即是扫描时间得到相干图样,然后用数学的方法对相干图样进行变换得到频率.这两种方法都在二维红外技术中得到应用.因为二维红外需要两次傅里叶变换来得到二维频率,所以,从理图1　二维红外所需的超快红外光源装置图论上讲,应该有四种变换组合去得到一张二维红外图谱.由于仪器变换要比数学变换快很多,目前只流行两种变换组合的方法:(1)ωτ和ωm都由仪器变换得到;(2)数学变换得到ωτ,仪器变换得到ωm.我们可以估算一下两者的快慢(只考虑一次变换).激光的重复频率是1000Hz.一般一个数据点需要大概100个光脉冲(具体数目由信噪比决定),即需要0.1s.数学傅里叶变换要求点与点之间要小于半个光周期(6.7f s,4μm的光).一般实验室采取3f s的时间距离来采集相干图样.一般振动模式的相干时间(dep hasing time)约为1p s.因此,一般相干图样扫描时间长度大约为3p s.一张完整的相干图样就需要100s的时间.假设仪器变换的分辨率是2cm-1,一张谱图的频率范围是200cm-1,那么,得到一张谱图的时间就是10s.它比数学变换快了10倍.这里需要指出来的是,在二维红外里,一般光源的频宽只有200—300cm-1,这就决定了一张相干图样只能包括这么宽的频率范围.如果超快光源能够像一维红外那样覆盖4000cm-1,那么数学变换将更有优势.既然在目前情况下,仪器变换要比数学变换快上10倍以上,为什么大多数组还是用数学变换的方法来得到ωτ呢?这是因为仪器变换要受到测不准原理的限制:如果我们想得到高的频率分辨率,那么时间分辨率将会变差.具体来说,如果ωτ的分辨率是10cm-1,那么激发的时间分辨就只有2个p s左右.数学变换就没有这个问题,因为它是直接用宽频的超快光直接激发样品.这里有个小佯谬.光源的频宽与脉冲时间确实由测不准原理决定,但二维红外的频率与时间的分辨率并不一定是来自同一出处.仪器变换是直接把光源频率变窄,这自然让光源的脉冲变慢,而数学变换没有改变光源的任何性质.因此它有光源本身的时间分辨率.数学变换的频率分辨率来自于后来的数学处理.这是它可以同时拥有好的频率与时间分辨率的原因.另外,一维频率ωm是光与样品作用后的信号的频率,检测它已经不涉及到时间分辨的问题,所以收集数据快速的仪器变换方法(光栅分光)被普遍采用.下面分别介绍目前最主要的两种二维红外的实验装置.3.2.1　ωτ和ωm都由仪器变换得到:窄泵宽浦的泵浦方法(narrow2p ump/broad2probe)这种方法是在两色红外泵浦实验发展起来的[13,19,21,22,33—35].实验装置比较简单,操作起来也很方便.它所用的光源基本上跟上面介绍的一样.实验上,从光学参数放大器出来的光被分为两束(能量比为～20:1),能量小的一束作为探测光(p robe),能量大的一束进入标准具.这个标准具的作用是在大的频率范围里任意挑出一小部分频率.它是由两片半透镜和压电片组成,并通过控制压电片的厚度(随电压而变)来控制通过光的波长并微调光的频宽.通过光的频宽一般先设计好.通过相干器件后,红外光就从宽频的超快光(～150cm-1,100f s)变成了窄频的皮秒光(～15cm-1,1.5p s).这个皮秒光和那束宽频的探测光先后跟样品作用.它们之间的时间延迟(也就是反应时间T w)是由机械延迟线控制它们之间的光程差来实现的.好的延迟线的精度能达到10nm,即0.03f s.如果用光密物质做延迟,精度能更高.皮秒光作为泵光对样品进行激发.宽频的探测光随后探测分子振动被激发后的情况.经过样品后,探测光通过光栅分光,然后由红外检测器检测光强度.比较有泵光和没有泵光的通过样品的探测光的谱图,我们便得知分子振动的激发是如何演化的,从而得知有关分子结构和动态变化的信息.在这种二维红外实验里,ωτ是通过扫描皮秒光的频率(改变加在压电片上的电压)得到的,而ωm是由光栅分光宽频探测光得到的.如果有条件的话,可以用1p s的光学参数放大器代替标准具.这样泵光的频率范围就不会受到宽频光频率的限制,二维频率从而可以独立分开.这样的设备会有更广泛的应用.3.2.2　数学变换得到ωτ,仪器变换得到ωm:相干方法(coherence)这个方法能同时得到小于2cm-1的频率分辨率和快于50f s的时间分辨率.这是上面介绍的泵浦技术无法达到的.当然,代价也是很昂贵的:费时,设置繁复,操作困难,数据处理复杂.具体的装置[32,36]如图2所示:从光学参数放大器(见图1)出来的红外光被分为5束.其中3束作为激发光与样品先后作用,一束作为指示光为确定信号的方向提供帮助,最后一束作为定域振荡器(local oscillator,LO)与信号相干(起到放大和确定光子回声信号相位的作用).LO和信号一起被送进光栅分光,分光后由MCT点阵红外检测器测光强.CH为斩波器.图2　相干方法二维红外光谱仪实验的示意图如图3所示.三束激发光从不同方向与样品先后作用.经过这三次作用,一束信号“光子回声”,从特定的方向(三束激发光的矢量和:k echo =k2+k3-k1)产生出来.信号接着跟LO混合并进入光栅分光,最后被点阵检测器检测.在这个实验中,一共有3个时间延迟:第一束与第二束激发光之间的时间差τ;第二束与第三束激发光之间的时间差T w;信号与LO之间的时间差.扫描τ并做数学傅里叶变换,便会得到ωτ,扫描T w(反应时间),就会提供动态信息.在原理上讲,如果扫描信号与LO之间的时间差并做数学傅里叶变换,便会得到ωm.但是,在实验上,我们并不是这样做的.我们固定信号与LO之间的时间差(通常设为零),然后让光栅来对信号与LO同时进行傅里叶变换.也就是说,(3)式里的t3实际上是光在光栅里的相干时间.这里有几个问题必须指出来.第一,为什么我们需要LO?有两个主要原因:一个是放大作用.红外检测器的背景噪音比较大,而三阶的光学信号很小,直接把信号送进检测器有可能让信号淹没在噪音中.用比信号大100倍以上的LO来与信号相干叠加,能有效地减小噪音的影响.另一个原因是LO能帮助检测信号的相位,从而使数学傅里叶变换得到ωτ成为可能.MCT红图3　实验示意图外检测器只测光强,不测相位.如果我们直接把信号输入检测器,扫描第一束与第二束激发光之间的时间差τ,只会得到一根衰减曲线,而不是一个相干图样.如果我们把信号根LO 叠加起来再送到检测器里,那么我们将测得两者叠加后的光强(I s ):I s =│E LO +S ech o │2=│E LO │2│+2R e [E 3LO・S ech o ]+│S ech o │2=│E LO │2+2│E LO │×│S ech o │×cos (ωττ)×cos (ωm t 3)+│S ech o │2.(4)其中│E LO │2是LO 的光强,是个常数,由斩波器除掉.│S echo │2是信号的强度.它比其他两项小很多.因此,实际上只有中间那一项是我们真正测得的有用的信息,它包括了所有我们想知道的东西:两个频率ωτ,ωm 和随反应时间(T w )而变的信号│S echo │.接下来的工作就是傅里叶变换.第二,一次傅里叶变换产生一个实部(吸收谱,图4中的实线)和一个虚部(扩散谱,图4中的虚线).实部是我们所需要的,二维红外需要两次傅里叶变换.对于从一个相位匹配方向(如光子回声,k echo =k 2+k 3-k 1)出来的信号进行两次变换,我们是永远不可能得到纯吸收谱的,如下面方程所示.光子回声的信号能被表达为S echo (τ,T w ,t 3)∝A ×B (τ,T w ,t 3)×e i ωττ×e -i ωm t 3,(5)对(5)式做两次傅里叶变换,我们得到S echo (ωτ,ωm ,T w )=∫∞dτ∫∞d t 3exp (i ωm t 3-i ωττ)×S echo (τ,T w ,t 3)=[R (ωτ)-I (ωτ)i ]×[R (ωm )+I (ωm )i ]=[R (ωτ)R (ωm )+I (ωτ)I (ωm )]-i [I (ωτ)R (ωm )-R (ωτ)I (ωm )],(6)其中R 和I 分别为实部和虚部.由(6)式可以看出,两次傅里叶变换的结果是:无论是虚部或者实部,都是一次变换的虚部和实部的叠加.这样叠加的图谱频率分辨率低,线性通常被扭曲.早期的图谱通常都是这样的[5].如果我们对另外一个相位匹配方向(如反光子回声,k n =-k 2+k 3+k 1)出来的信号S n (τ,T w ,t 3)进行两次变换,那么我们将得到方程(8)式.S n (τ,T w ,t 3)∝A ×B (τ,T w ,t 3)×e -i ωττ×e -iωm t 3(7)S n (ωτ,ωm ,T w )=∫∞d τ∫∞d t 3exp (i ωm t 3+iωττ)×S ech o (τ,T w ,t 3)=[R (ωτ)+I (ωτ)i ]×[R (ωm )I (ωm )i ]=[R (ωτ)R (ωm )-I (ωτ)I (ωm )]+i [I (ωτ)R (ωm )+R (ωτ)I (ωm )].(8)考察(6)式和(8)式的实部,我们发现它们只差一个符号.如果把这两个实部加起来,我们将得到Re (S n (ωτ,ωm ,T w ))+Re (S echo (ωτ,ωm ,T w ))=2R (ωτ)R (ωm ).(9)(9)式告诉我们,二维红外纯吸收谱能够通过叠加两种信号而获得.这里有一个假设:光子回声与反光子回声的信号一样大.实际上,这两种信号并不一样大.回声的信号总比反回声大一点.因此,数据处理必须人为地加进一个幅度参数.以上双信号叠加去除扩散谱的方法可以用图4形象地表示.这种去除扩散谱的方法是从二维核磁共振、二维可见光谱到二维红外光谱一步步地发展起来的[6,18,37].图4　双信号叠加去除扩散谱第三,在实验上,由于多种不确定因素,我们无法100%精确地确定τ和t 3.根据时间转移原理(time shift t heorem )[18],在傅里叶变换中,时间的不确定必然会导致相位的不确定:FT{S (τ-Δτ,t 3-Δt 3)}=e -i ωτΔτ-i ωm Δt 3S (ωτ,T w ,ωm ).(10)相位的不确定会把图谱完全扭曲.因此,我们必须人为地对傅里叶变换后的数据加以处理,结果如下:S 2DIR (ωτ,T w ,ωm )=Re (C ×S n (ωτ,T w ,ωm )×e i ωτΔn τ+i ωm Δnt 3+i ωτωm Δ2n +…)+Re (S echo (ωτ,T w ,ωm )×e i ωτΔe τ+i ωm Δet 3+i ωτωm Δ2e +…),(11)其中C ,Δn τ,Δnt 3,Δ2n ,Δe τ,Δet 3,Δ2e …是人为加进去的可调参数.在实验上,C 可以用两种信号绝对值之比来确定,并且我们可以让Δn τ=-Δe τ,Δnt 3=Δet 3,Δ2n=Δ2e .具体做法是在实验上先固定三束激发光在空。

二维红外相关光谱分析对十二烷氧基苯甲酸的相变过程

主题词显微红外 ;二维红外相关光谱 ;对十二烷氧基苯甲酸中图分类号 :O657133 文献标识码 :A 文章编号 :100020593 (2001) 0620778205
广义的二维光谱相关分析与高精度傅里叶红外光谱相结合 ,在研究材料分子官能团运动变化、分子内与分子之间的相互作用方面已有许多论文发表[1] 。尽管二维相关分析对分子聚集态尚不能给出定量的信息 ,但是它却能够在研究分子热解离的复杂机理方面提供可能[2～4] 。由于将红外吸收峰在第二维上扩展开 ,二维相关光谱增加了谱图的分辨率 ,这使我们能够鉴别出在原始谱图中不容易看到的吸收峰。而且二维相关光谱包含了在这个变化过程中光谱强度变化的相对速率的信息 ,有时 ,甚至能够确定这些光谱强度变化的时间顺序 [5] 。
解离和部分氢键集中断裂的过程。
在以下的平衡 :
O O HO OH
OC12 H25
HO 2
O
OC12 H25
2
3
度升高而互相变化的差异。其中的非同步交叉峰即非相关强
度仅当这两个吸收强度变化的信号涨落不同速率时才出现。
对于广义的系列光谱二维相关分析来讲 ,这种吸收强度变化
不同速率的信号涨落是在特定范围内的统计结果 ,而非瞬时
还可以看到 2 91912 ～ 2 84613 cm- 1 , 2 91912 ～ 2 91510 cm- 1及 2 85018～2 84613 cm- 1形成的交叉峰为负 ,而2 91510 ～2 85018 cm- 1 形成的交叉峰为正。我们知道 2 91912 和 2 85018 cm- 1的吸收峰来源于同一种亚甲基的C —H不对称伸缩振动和对称伸缩振动 ;2 91510 和 2 84613 cm- 1的吸收峰也来

移动窗口二维相关红外光谱技术对离子液体溶解生物质机理的探索

樊肇胜１，陈建波２，孙素琴１，周群１＊
１．清华大学化学系生命有机磷化学及化学生物学教育部重点实验室，北京１０００８４２．北京中医药大学生命科学学院，北京１０００２９
摘要纤维素、壳聚糖等可以溶解在室温离子液体中并通过加入对抗溶剂的方式得以重生。采用时间依赖的红外光谱技术原位采集了１－丁基－３－甲基咪唑乙酸盐（［Ｂｍｉｍ］Ａｃ）、纤维素的［Ｂｍｉｍ］Ａｃ溶液和壳聚糖的［Ｂｍｉｍ］Ａｃ溶液吸收空气中水分的红外光谱图。在吸收空气中水分的微扰下对采集的红外光谱图进行点点相关和点线相关移动窗口二维相关光谱分析。通过对阴阳离子特征吸收峰的相关分析，我们讨论了壳聚糖
光Ｐｏｉｎｔ－ｐｏｉｎｔ（２９６０ｖｓ１３８８ｃｍ－１）ａｎｄｐｏｉｎｔ－ｌｉｎｅ（２９６０ｖｓ１６５０～９００ｃｍ－１）ｍｏｖｉｎｇｗｉｎｄｏｗｔｗｏｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌｃｏｒｒｅｌａｔｉｏｎｓｐｅｃｔｒａｏｆｍｏｉｓｔｕｒｅａｂｓｏｒｐｔｉｏｎｐｒｏｃｅｓｓ：（ａ）ｐｕｒｅ［Ｂｍｉｍ］Ａｃ，（ｂ）［Ｂｍｉｍ］Ａｃ－ｃｅｌｌｕｌｏｓｅｓｏｌｕｔｉｏｎ，（ｃ）［Ｂｍｉｍ］Ａｃ－ｃｈｉｔｏｓａｎｓｏ－ｌｕｔｉｏｎ
收稿日期：２０１８－０４－３０，修订日期：２０１８－０７－０１
基金项目：国家自然科学基金项目（３１３７０５５６）资助作者简介：樊肇胜，１９９３年生，清华大学生命有机磷化学及化学生物学教育部重点实验室博士生
＊通讯联系人ｅ－ｍａｉｌ：ｚｈｏｕｑｕｎ＠ｍａｉｌ．ｔｓｉｎｇｈｕａ．ｅｄｕ．ｃｎ
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ＢｉｏｍａｓｓＤｉｓｓｏｌｕｔｉｏｎＭｅｃｈａｎｉｓｍｉｎＩｏｎｉｃＬｉｑｕｉｄＥｘｐｌｏｒａｔｉｏｎＡｓｓｉｓｔｅｄｂｙＭｏｖｉｎｇＷｉｎｄｏｗＴｗｏＤｉｍｅｎｓｉｏｎａｌＣｏｒｒｅｌａｔｉｏｎＩｎｆｒａｒｅｄＳｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ

红外光谱技术研究微小生物分子的结构与动态过程

红外光谱技术研究微小生物分子的结构与动
态过程
红外光谱是一种能够检测化学物质分子结构、键合状态以及分子之间的相互作
用的非破坏性仪器分析方法。

由于其无需对样品进行预处理且样品可再次使用的优点，因此红外光谱技术在各个领域都得到了广泛应用，包括生物医疗、化学、环境等领域。

与传统的红外光谱技术相比，ATR红外光谱技术可以便捷地测量固体、液体和气体样品，并且不需要对样品进行任何特殊的预处理。

ATR红外光谱技术在微小
生物研究领域也有广泛的应用，可检测生物分子的结构、构象、动态过程等。

在微小生物领域，ATR红外光谱技术可用于鉴定微生物、检测生物体内代谢产物等。

例如，在研究细菌的代谢过程中，ATR红外光谱技术可以通过检测代谢产
物的不同红外吸收峰来确定其化学组成和浓度。

同时，利用ATR红外光谱技术还
可以分析微生物细胞壁的化学成分，以及生物膜中的生物大分子等。

红外光谱技术的应用不仅限于微生物领域，它还可以应用于研究蛋白质、多肽、糖类等分子的结构和构象等。

红外光谱技术还可以检测生物分子的氧化还原状态，以及微生物与环境中其他生物之间的交互作用等。

总的来说，红外光谱技术在微小生物研究领域中具有广泛的应用前景。

随着技
术的不断进步，将可以更加深入地了解微小生物及其代谢产物的结构和动态过程，为生物医学的发展提供更多的理论支持。

化学反应中的红外光谱

化学反应中的红外光谱红外光谱（Infrared Spectroscopy）是一种重要的化学分析技术，利用物质对于红外辐射的吸收和散射来提供关于分子结构和它们之间的化学键的详细信息。

在化学反应中，红外光谱被广泛用于研究反应机理、跟踪反应进程以及确认产物的形成。

本文将详细介绍红外光谱在化学反应中的应用，以及与红外光谱相关的一些重要概念。

一、红外光谱的原理红外光谱技术是基于研究物质对于特定波长的红外辐射的吸收和散射现象。

不同的化学键和官能团会在不同的波长范围内发生吸收。

红外光谱仪通过将样品暴露在红外辐射下，检测样品对于不同波长的红外辐射的吸收情况，进而绘制出红外光谱图谱，其中的吸收峰可以提供关于分子结构和化学键的信息。

二、红外光谱在化学反应中的应用1. 反应监测和跟踪红外光谱可以实时监测和跟踪化学反应过程中的物质变化。

通过在不同反应时间点采集样品的红外光谱，可以观察到吸收峰的位置和强度的变化，从而判断反应的进行情况。

这对于研究反应动力学、反应速率以及反应的机理有着重要意义。

2. 反应机理的研究红外光谱可以为研究反应机理提供关键信息。

化学键的形成和断裂、官能团的变化和交换等都会在红外光谱中表现出来。

通过分析红外光谱图谱中的峰位的移动、增强或减弱，可以推断出化学键的变化、官能团的转化等反应机理的相关信息。

3. 结构确认和产物鉴定红外光谱可以用于确认化学反应的产物结构和鉴定未知物质。

通过将待测物与已知化合物进行红外光谱比较，可以确定待测物中的官能团和化学键。

鉴定产物的结构是化学反应过程中的重要任务，红外光谱提供了一种快速、准确的方法。

三、红外光谱中的重要概念1. 波数红外光谱图中横坐标表示波数，以 cm⁻¹为单位，表示红外辐射的能量。

波数和波长的倒数成反比，波数越大，波长越短，红外辐射的能量越高。

2. 吸收峰红外光谱图中的吸收峰表示物质对于红外辐射的吸收强度。

不同官能团和化学键对应的吸收峰具有独特的位置和形状，通过对比已知物质的红外光谱和未知物质的红外光谱，可以进行结构鉴定。

二维红外光谱

二维红外光谱
二维红外光谱（2D IR spectroscopy）是一种用于分析化学体系中分子间相互作用的新型光谱技术。

它为研究特定分子组成的分子组合体（例如蛋白质）提供了全新的思路，能够更快、更准确地显示出蛋白质内部的结构特征和功能信息。

二维红外光谱是一种在光谱分析中应用非常广泛的技术，可以用来对大分子的结构进行精确分析。

它通过测量分子频率和强度之间的关系，来揭示大分子结构的信息，从而帮助科学家们更好地理解大分子的内部结构。

二维红外光谱所涉及到的原理主要是红外振动，它是由分子中的键和受力点的振动所引起的。

当分子被一个外部的电磁场所作用时，它将会产生一种称为“红外振动”的效应，即分子中的原子根据电磁场的作用，在各自的方向上产生振动。

该振动有一个固定的频率，而这个频率是由分子结构所决定的，因此，通过测量红外振动的频率，就可以获得分子结构的信息。

二维红外光谱也可以称为“时域分辨红外光谱”，它可以用来实现对大分子结构的连续测量，其基本原理是：利用一个相关的激光场，在两个不同的时间点上测量红外振动的强度，从而实现对大分子的连续测量。

二维红外光谱的应用非常广泛，它可以用来研究大分子的结构特征，以及分子之间的相互作用，还可以用来研究蛋白质的结构，从而有助于更好地了解蛋白质内部的结构特征和功能信息。

此外，这种技术还可以用来研究其它大分子的结构，例如核酸分子，以及大分子复合体，这有助于更好地理解这些分子的结构和功能，从而有助于研究许多生物体系。

总之，二维红外光谱是一种研究大分子结构和功能的重要工具，可以用来实现对大分子的精确测量，从而有助于更好地理解蛋白质和其他大分子的结构和功能。

二维分子光谱

二维分子光谱
二维分子光谱是一种光谱技术，它涉及到使用激光或其他相干光源来照射样品，然后分析产生的光谱信号。

这种光谱技术的主要优点是可以提供关于分子结构和动态行为的丰富信息，有助于研究分子的性质和行为。

二维光谱的基本思想来自于傅里叶变换光谱学，在这种技术中，将一束激光或其他光源发射到样品上，然后收集并记录产生的散射光。

这个散射光信号包含了样品与光源相互作用的信息，可以进行后续的傅里叶变换，以得到样品的频率和能量信息。

在二维分子光谱中，这个过程被重复两次。

第一次，激光或其他光源以一定的频率和偏振照射样品，然后收集和记录产生的散射光信号。

第二次，激光或其他光源以另一个不同的频率和偏振照射样品，再次收集和记录散射光信号。

然后，这两个散射光信号之间进行傅里叶变换，以得到一个二维的光谱图像。

这个二维光谱图像的每一个点都代表了样品对特定频率和能量的吸收或散射。

通过分析这个图像，科学家可以了解样品的许多性质，包括分子的结构和动态行为。

例如，他们可以了解分子中的振动模式，确定分子的构型和构象，或者研究分子与其他分子或基质的相互作用等。

二维分子光谱技术已经被广泛应用于化学、生物学、材料科学等多个领域。

例如，在化学中，它可以被用来研究分子的结构和化学反应的动力学；在生物学中，它可以被用来研究蛋白质的结构和功能；在材料科学中，它可以被用来研究材料的电子结构和物理性质等。

二维相关红外光谱研究再生蚕丝蛋白膜的构象与温度之间的关系

2004年第62卷第21期,2127～2130化学学报ACT A CHIMICA SINICAV ol.62,2004N o.21,2127～2130・研究通讯・二维相关红外光谱研究再生蚕丝蛋白膜的构象与温度之间的关系彭显能陈　新武培怡邵正中ΞΞ(复旦大学高分子科学系　教育部聚合物分子工程重点实验室　上海200433)摘要　通过二维相关红外光谱,研究了再生蚕丝蛋白膜的构象及其转变与温度之间的关系.实验结果表明,将样品从130℃升温到220℃、或在180℃的恒温过程中,丝素蛋白分子链的构象会发生变化,且不同构象对温度升高过程或180℃恒温过程响应的顺序是无规线团变化先于β2折叠、α2螺旋的形成.关键词　二维相关红外光谱,桑蚕,丝蛋白,薄膜I nvestigation on the Conformation Transition of R egenerated Silk Fibroin Filmsunder Thermal Treatment by tw o 2dimensional (2D)correlation FT 2IR spectroscopyPE NG,X ian 2Neng CHE N ,X in W U ,Pei 2Y i SH AO ,Zheng 2Zhong Ξ(Department o f Macromolecular Science ,The K ey Laboratory o f Molecular Engineering o f Polymer s ,Fudan Univer sity ,Shanghai 200433)Abstract With the advantage of tw o 2dimensional (2D )correlation FT 2IR spectroscopy ,the con formation transition of regenerated silk fibroin film was studied under thermal treatment.The results showed that the con formation changed when the film was heated from 130to 220℃as well as maintained at 180℃for different time courses.It was als o found that the con formation response order was random coil prior to β2sheet and α2helix.K eyw ords tw o 2dimensional correlation FTIR spectroscopy ,Bombyx mori ,silk protein ,film 桑蚕(Bombyx mori )丝蛋白,包括蚕丝纤维,再生丝蛋白,以及直接从蚕腺体中得到的丝蛋白,前人有过不少研究[1～4].由于一些物理或化学的因素例如甲醇浸泡、加热等可以导致丝蛋白分子链发生构象转变[5,6],为此人们采用了各种测试手段对其进行了深入的研究.其中,红外光谱因其简单实用,是最早也是最常用的研究蛋白结构包括丝蛋白结构的方法[2,5～8].我们的研究小组也曾利用红外光谱,研究了丝蛋白的三种主要二级结构:即无规线团,螺旋结构和β2折叠,以及其他一些结构,例如转角和弯曲之间的相互转变[9～12].但是,由于技术和理论上的局限性,丝蛋白构象转变过程中的一些重要问题仍未能弄清,如宏观上以无规构象为主的丝腺体中的丝蛋白,可以在较温和的条件下转变成以β2折叠构象为主的丝纤维,但在此过程中是先形成β2折叠还是无规的丝蛋白先发生变化却不甚明确.在本研究中,我们利用二维相关傅立叶变换红外光谱研究再生蚕丝蛋白膜中分子链的构象变化与温度之间的关系,以期对丝蛋白的构象变化过程进行深入了解.N oda [13]在1986年首次将二维相关的技术引入红外光谱,1993年,他又把二维相关光谱的概念推广到了广义二维相关光谱[14],即从红外光谱推广到了拉曼,近红外,以及荧光光谱等.二维相关光谱有两个主要的优势:第一,它比一维光谱有更高的分辨率;第二,它能区分不同基团对外界刺激的响应顺序,从而在峰位归属上有着重要的用途.对于再生蚕丝蛋白膜而言,由于构象的改变需要能量,因此,如果对丝蛋白膜进行加热,其构象转变就有可能发生[15].由于二维相关红外光谱可以区分在这个过程中不同结构的响应顺序,从而这种新技术在传统的峰位归属之外,还能给我们提供许多独特的有用信息.ΞE 2mail :zzshao @Received April 12,2004;revised June 5,2004;accepted July 7,2004.国家自然科学基金(N os.50373006,20244005,20274010,20221402)、教育部优秀青年教师资助计划项目.1　实验部分1.1　材料准备B.mori蚕丝(废丝)首先在浓度为w=1%的Na2CO3溶液中煮沸1h左右,去除丝胶,用清水冲洗3次,60℃下烘干后,50℃下溶解于9m ol/L的LiBr溶液,得到再生丝蛋白盐溶液.盐溶液用去离子水流动透析3d去除离子,得到再生丝蛋白水溶液(w=3%).将一定量的丝蛋白水溶液浇铸在3 cm×3cm聚苯乙烯塑料盒内,室温(25℃,50%相对湿度)下干燥成膜(约需24h).再生丝蛋白膜厚约为5μm,丝蛋白膜样品放置在干燥器中备用.1.2　红外光谱测试采用Therm o2Nicolet Nexus2479傅立叶变换红外光谱仪测定,测试中采用32次扫描叠加,分辨率为4cm-1.再生丝蛋白膜被夹于两片NaCl盐片中间,并固定在一热台附件上.热电偶连接在热台上以控制样品的温度.为去除水份可能带来的影响以及避免丝蛋白分子链大范围的热分解,实验温度选定在100至230℃.两个系列的实验分别为:其一,选择130至220℃温度区间,每间隔10℃测量一次光谱图,在每一测量温度上的平衡时间为5min.其二,将再生丝蛋白膜恒温在180℃下,检测丝蛋白分子的构象在一定温度下随着时间的变化,每分钟测定一次光谱.1.3　二维红外光谱的相关运算使用2D P ocha软件(由日本K wansei G akuin大学Daisuke Adachi所编写)进行相关运算,得到二维红外相关图[16].在图中,非阴影部分是正相关的区域,阴影部分是负相关的区域.无论是在同步还是异步谱图中,由于存在对称或反对称的关系,故仅讨论左上角区域.关于二维相关光谱的基本概念,可以参阅参考文献[17,18],本文将在结果与讨论中稍作阐述.2　结果与讨论2.1　丝蛋白二级结构的红外光谱研究再生蚕丝蛋白膜在逐级升温过程中其红外图谱列于图1;而图2则显示了其在180℃下随时间的变化.由于我们希望了解丝蛋白的构象与温度之间的关系,而丝蛋白的红外光谱中酰胺Ⅰ区域的信号最强烈,因此我们的实验仅选取酰胺Ⅰ区域进行讨论.对于酰胺Ⅰ区域,丝蛋白红外谱图中各峰位的归属比较清晰:1630,1650,1660cm-1附近的特征峰分别对应于β2折叠,无规线团和α2螺旋结构[2,6～12].从图1中我们可以发现,在酰胺Ⅰ区域内,蚕丝蛋白膜的红外吸收随温度的升高而变化,具体表现在各个峰位存在着一定的微小位移,峰的相对强度也有渐进式的增强或减小.由此我们认为,在我们的实验条件下,再生丝素蛋白膜中蛋白质分子链的构象在一定程度上发生了转变.我们选定一个温度180℃(温度太低变化太微弱,温度太高则氧化太快),观察丝蛋白膜的红外光谱随温度的变化.为了清楚地展示光谱的细微变化,图2中显示的谱图是在每分钟一次红外测试得到的光谱之中等间隔(5min)选取的一些谱图,而且经过纵向位移.我们发现,丝蛋白膜的红外吸收在高温下也随加温时间发生改变,如逐级升温中看到的一样,这种改变非常微弱,甚至比前者更小.由于一维红外谱图所给出的丝蛋白分子链构象与温度之间的关系不甚清晰明了,因此我们运用二维红外相关光谱技术对其进行处理,以期获得更多的有用信息.图1　不同温度下(130～220℃)蚕丝蛋白膜的红外光谱图Figure1　FT2IR spectra of silk fibroin film as temperature increased from130to220℃图2　蚕丝蛋白膜在180℃恒温的条件下红外光谱随时间的变化(0～60min)Figure2　FT2IR spectra of silk fibroin film as temperature maintained at180℃2.2　蚕丝蛋白膜的二维相关红外光谱在二维红外光谱中,同步相关光谱是关于主对角线对称的.谱图上的峰Ψ(ν1,ν2)有两种:在主对角线位置(ν1=ν2)处的一组峰称为自动峰(autopeak).自动峰总是正峰,它们代表吸收谱带对一定微扰影响的敏感程度.位于非主对角线的峰称为交叉峰(crosspeak),通常代表两个吸收峰位有同向或异向的变化(以正或负峰分别表示)[17,18].8212 化学学报V ol.62,2004图3　从130～220℃升温过程中丝蛋白膜的二维相关红外光谱(a )—同步谱,(b )—异步谱.非阴影等高区为正峰;阴影等高区为负峰Figure 3　2D correlation FT 2IR spectra of silk fibroin film as temperature increased from 130to 220℃(a )—Synchronous spectrum ,(b )—Asynchronous spectrum.The unshaded regions are defined as the positive correlation intensities ,whereas shaded regions are defined as negativeones图4　180℃下丝蛋白膜随时间变化(0～60min )的二维相关红外光谱(a )—同步谱,(b )—异步谱.正、负峰的表示同图3Figure 4　2D correlation FT 2IR spectra of silk fibroin film as temperature maintained at 180℃(a )—Synchronous spectrum ,(b )—Asynchronous spectrum.The positive and negative correlations are the same as those defined in Figure 3 由图3(a )中可见,在从130～220℃的逐级升温过程中,丝蛋白膜的同步二维相关红外光谱有两个自动峰:1650,1720cm -1,前者代表了酰胺Ⅰ区的无规线团结构峰,而后者可能是由于热氧化降解而产生的非酰胺C O 双键振动峰[19].我们发现1650和1720cm -1负相关,这一现象可以被解释为,随着实验温度的升高,丝蛋白膜中的无规线团结构不断减少,同时由于热氧化而产生的非酰胺羰基数量则随升温过程不断增加的缘故.同样的信息也可以从图4(a )中得到,在180℃下保持恒温的丝蛋白膜的同步二维相关红外光谱中,同样有两个自动峰:1650,1720cm -1,并且也是负相关的.在二维红外光谱中,异步相关光谱是对主对角线反对称9212N o.21彭显能等:二维相关红外光谱研究再生蚕丝蛋白膜的构象与温度之间的关系的,交叉峰Ψ(ν1,ν2)的符号正负给出了关于峰位ν1和ν2变化的顺序.根据N oda的理论,如果Ψ(ν1,ν2)是正的(主对角线上方),说明ν1是先于ν2变化(响应)的;反之,则说明ν1后于ν2变化(响应)[17,18].130～220℃逐级升温和180℃下恒温的丝蛋白膜的异步二维相关红外光谱见图3(b)和4(b).在图3(b)和图4(b)中主对角线的上方均可以清楚地看到,在～1650,1630cm-1出现了正交叉峰,而在1660,～1650cm-1处存在负交叉峰.由交叉峰的正负,我们可以得出如下的谱带响应顺序,即:～1650,1660cm-1;～1650,1630cm-1.此外,在图3(b)和图4(b)中我们还发现在1720,1660cm-1处出现了负交叉峰,并且在图3(b)中,还有另外一个清晰的负交叉峰[在图4(b)中也存在但不明显]出现在1720,1630cm-1,由于在同步谱图中这一区域是负峰,这里得到的响应顺序应该与谱图上读出来的刚好相反[14],因此得到谱带响应顺序为:1720,1660 cm-1;1720,1630cm-1.如前所述,1630cm-1对应于β2折叠结构,～1650cm-1是无规线团结构的特征位置,而1660 cm-1则表示α2螺旋结构,至于1720cm-1,应当是由于热氧化降解而产生的非酰胺C O双键振动峰[19],因此,我们推断,在升温或高温恒定的过程中,丝蛋白膜中的分子链无规线团构象以及氧化而产生的非酰胺C O结构的响应先于β2折叠和α2螺旋结构,即响应次序应该是:首先是无规线团的“崩溃”以及氧化过程的发生,然后才是β2折叠或α2螺旋结构的增加和完善.至于在图3(b)和图4(b)中出现在1750cm-1左右的交叉峰,我们认为可能是由于红外检测中基线的微小波动产生的或者是由于氧化产生的COOH基团所导致的[19].3　结论从130℃升温到220℃,以及在保持180℃的恒温过程中,再生丝素蛋白膜中分子链的构象将发生相应的变化,而其响应的顺序是无规线团先于β2折叠和α2螺旋结构.同时由于二维光谱的独特优势,通过变换测试的条件和手段,有可能进一步明确在升温情况下丝蛋白二级结构的变化和响应顺序,为丝蛋白在升温过程中构象转变的本质提供实验基础.R eferences1Zhang,H.;Mag oshi,J.;Becker,M.;Chen,J.2Y.;Matsunaga,R.J.Appl.Polym.Sci.2002,86,1817.2T retinnikov,O.N.;T amada,ngmuir2001,17,7406.3T anaka,T.;K obayashi,M.;Inoue,S.I.;Tsuda,H.;Mag oshi,J.J.Polym.Sci.B:Polym.Phys.2003,41, 274.4Mag oshi,J.;Mag oshi,Y.;Becker,M.A.;K ato,M.;Zhang,H.;T anaka,T.;Inoue,S.I.;Nakamura,S.Thermochim.Acta2000,352,165.5Tsukada,M.;G otoh,Y.;Nagura,M.;Minoura,N.;K asai, N.;Freddi,G.J.Polym.Sci.B:Polym.Phys.1994,32, 961.6Freddi,G.;M onti,P.;Nagura,M.;G otoh,Y.;Tsukada,M.J.Polym.Sci.B:Polym.Phys.1997,35,841.7S onoyama,M.;Nakano,K.Appl.Spectrosc.2000,54,968. 8S onoyama,M.;Miyazawa,M.;K atagiri,G.;Ishida,H.Appl.Spectrosc.1997,51,545.9Chen,X.;Shao,Z.2Z.;Marinkovic,N.S.;Miller,L.M.;Zhou,P.;Chance,M.R.Biophys.Chem.2001,89,25.10Chen,X.;K night, D.P.;Shao,Z.2Z.;V ollrath, F.Biochemistry2002,41,14944.11Chen,X.;Zhou,L.;Shao,Z.2Z.;Zhou,P.;K night,D.P.;V ollrath,F.Acta Chim.Sinica2003,61,625(in Chinese).(陈新,周丽,邵正中,周平,K night D.P.,V ollrath F.,化学学报,2003,61,625.)12Chen,X.;Shao,Z.Z.;K night,D.P.;V ollrath, F.Acta Chim.Sinica2002,60,2203(in Chinese).(陈新,邵正中,K night D.P.,V ollrath F.,化学学报,2002, 60,2203.)13N oda,I.Bull.Am.Phys.Soc.1986,31,520.14N oda,I.Appl.Spectrosc.1993,47,1329.15Nakamura,S.;Mag oshi,J.;Mag oshi,Y.In Silk Polymer s.Materials Science and Biotechnology,V ol.Symposium Series544, Eds.:K aplan,D.;Adams,W.W.;Farmer,B.;Viney,C., American Chemical S ociety,Washington,1994,pp.211～221. 16Shen,Y.;Wu,P.2Y.J.Phys.Chem.B2003,107,4224. 17N oda,I.;D owrey,A. E.;Marcott,C.;S tory,G.M.;Ozaki, Y.Appl.Spectrosc.2000,54,236.18Wang,Q.;Hu,X.2Y.Spectrosc.Spect.Anal.2000,20(2), 175(in Chinese).(王琪,胡鑫尧,光谱学与光谱分析,2000,20(2),175.) 19Li,R.2F.;Hu,X.2Z.Acta Polym.Sin.2000,(2),136(in Chinese).(李荣福,胡兴洲,高分子学报,2000,(2),136.)(A0404127　CHE NG,B.;ZHE NG,G. C.)0312 化学学报V ol.62,2004V ol.62,2004N o.21,Ⅰ～Ⅳ G raphical Abstract I nvestigation on the Conform ation T ransition ofR egenerated Silk Fibroin Films underTherm al T reatment by tw o 2dimensional (2D)correlation FT 2IR spectroscopyPE NG,X ian 2Neng ;CHE N ,X in ;W U ,Pei 2Y i ;SH AO ,Zheng 2ZhongActa Chimica Sinica 2004,62(21),2127Fromtheasynchronoustw o 2dimensionalcorrelation FTIR spectrum of silk fibroin film as temperature increased from 130to 220℃,we could find several peaks ,which showed the response order of the different con formation ofsilk fibroin.P arallelization of MRCI ProgramS UO ,Bing ;ZH AI ,G ao 2H ong ;W ANG,Y u 2Bin ;WE N ,Zhen 2Y i ;H U ,X iang 2Qian ;LI ,Le 2MinActa Chimica Sinica 2004,62(21),2131Parallel performance of the MRCI program on Linux W orkstation Cluster was tested throughtw o examples ,one is NSF with 83711668CFS and the other is C 4H 6with 51189722CFS.The speed up curves on 1,2,4,6and 8nodes were obtained.Adsorption for S Atom on Ni Low 2I ndex and (311)Step SurfaceDI AO ,Zhao 2Y u ;Y U ,Shuai 2Qin ;W ANG,Z e 2X in ;QI AO ,Qing 2AnActa Chimica Sinica 2004,62(21),2136The 52parameter M orse potential (for short 52MP )of the interaction between S atom and Ni surface has been constructed.The ads orption of S atom on Ni low index surface and (311)step surface was investigated and all critical characteristics were obtained.The calculated results are in g oodagreement with experiments.In order to show clearly the potential energy surface contour figuresof ads orbing and diffusing of S atom on Ni surfaces ,they have been drawn by origin 510as shown in the left figure.E ffect of Cob alt in Modifying Pt/γ2Al 2O 3C atalyst for Preferential Oxid ation of CO in H ydrogen 2rich StreamY AN ,Jing ;M A ,Jian 2X in ;ZH OU ,Wei Acta Chimica Sinica 2004,62(21),2143The figrue showed the effect of Pt loading and the addition of C o on preferential oxidation of C O over Pt/γ2Al 2O 3.Over the catalysts with Pt loading of w Pt =0.05,the conversion of C O was m ore than 99%and the selectivity of O 2was 27%at 160℃.While over the C o prom oted catalyst with Pt loading of w Pt =0.01and C o loading of w C o =0.03and in the conditions of temperature at 120℃and φO 2/φC O =1.8,the conversion of C O could reach nearly 100%and the selectivity of O 2was 27%.The addition of C o to Pt/γ2Al 2O 3could notnoly improve the activity at low 2temperature but als o reduce significantly the Pt laoding in the catalysts.Ⅰ。