混合物红外光谱分析的关键方法和技术

中药等复杂混合物质量控制的合理路线
整体
全部成分，指纹图谱
定性
中药
定量
部分
特定成分，定性定量
混合物分析：从整体到部分，层层深入
整体：完整样本，所有成分…… 部分：局部样本，特定成分……
血管壁
脂肪
蛋白质
胆固醇结块
兔子血管壁（可见图像） 红外图像(化学图像)
局部样本红外光谱(化学成分)
混合物分析：先定性后定量，准确无误
混合物红外光谱宏观指纹特征
混合物光谱包含各组分特征峰
邻二甲苯
间二甲苯
Absorbance
A
对二甲苯
A
等体积混合物
光谱加和
4000.0 3000 2000 1500 1000 650.0
-1 cm-1 Wavenumber/cm
850.0
800
750 cm-1
700
650.0
混合物红外光谱宏观指纹特征
2900 cm-1
1800.0
1750 2800.0
Wavenumbers /
1700 1200.0 cm-1
1650
1150
cm-1
假阿胶
1600.0 1100 cm-1
1050
1000.0
真伪阿胶：第三级鉴别
东阿阿胶
假阿胶
混合物红外光谱解析的三大方法
多级红外光谱宏观指纹分析法
三级鉴别法
传统红外光谱
二维相关红外光谱
Original
2DCOS
Dynamic
二维相关红外光谱：葡萄糖/乙醇-水溶液
12%vol乙醇-水
20 g/L葡萄糖 12%vol乙醇-水
1107 1085 1044 992
1085 1044
60 g/L葡萄糖 12%vol乙醇-水 1152 1107 1085 1044 1024 992 1152 1107 1085 1065 1044 1024 992
在混合物组合过程中，红外光谱可检查
原料的正确性及其纯度，避免错误原料和 过量杂质的引入；可监控组合过程，及时 发现组合过程中出现的异常，为过程工艺 的优化提供信息；可对中间产物进行快速 分析，避免不合格产物进入下一环节而导 致不必要的损失；可对最终产物进行定性 定量分析，检查其是否合乎相应的要求。
“不分离，即分析”的混合物分析路线
简化步骤而节约时间和成本 得到样本全部成分整体信息 获取各种成分相互作用信息 避免指标成分分析种种弊端
“边分离，边分析”的混合物分析路线
要对混合物进行全面准确的分析
研究，应该遵循“从整体到部分， 先定性后定量”的路线原则，在红
外光谱的指导下，对混合物进行逐
步分离与分析。 红外光谱可以提供混合物整体成
m 3 N 6
1 E Eik Ee ik h ik e 2 i 1 k 1 i 1 k 1
m 3 N 6
混合物红外光谱可以提供的信息
整体样本/局部区域 特定成分
A
4000.0
3000
2000 cm-1
1500
蛋白质
N转化为NH4+ NH3
三聚氰胺
定性: 是不是？
蛋白质 未知物 三聚氰胺
定量: 有多少？
含量分析 ……
为什么选择红外光谱？
红外光谱是一种无需标记的分析技术，在没有先验知识的情 况下即可使用；既可以同时获取混合物中整体成分信息，又 可以对特定成分进行有针对性的检测。 随着计算机与化学计量学技术的发展，红外光谱不仅可以对 混合物成分进行详细的定性分析，还可以对特定成分进行相 当准确的定量分析。 红外光谱既可以对较大尺寸的混合物样品进行分析，也可以 借助显微镜对纳克级的微小样品进行检测，还可以研究宏观 样本中微米级的局部区域。 丰富灵活的采样技术使各种形态样品的红外光谱测试都可以 做到简便、快速、无损，仪器通用，成本低廉，环境友好。 红外光谱适合与其它分析技术联用，获得全面的样品信息。
x 020
定量分析
3 Calculated Height 4 5 5.5
Calibration Graph for Component 1 Method: milkplac Version: 1 (Modified) Analyst: Chenjb Last Modified: 10-01-2010 13:51
三级鉴别法
传统红外光谱
整体解析法
主体成分解析
专家识别法
光谱数据库检索
二阶导数光谱
特定成分解析
相似度量化比较
二维相关光谱
相对含量比较
多组分定量分析
红外光谱三级鉴别法
Infrared Spectral Tri-step Identification
一级鉴别（the primary identification）
op m-
成分种类或含量不同，混合物光谱不同
邻、间、对二甲苯 1 ：1 ：1
m-
Absorbance
2 ：1 ：1
A
A
1 ：1 ：2
1 ：2 ：1
4000.0 3000 2000 1500 1000 650.0
-1 cm-1 Wavenumber/cm
850.0
800
750 cm-1
700
650.0
1044 1044 1085 1044
12%乙醇
1086 1045
1084 1156 1044 992
20 g/L葡萄糖 12%乙醇
A
992 1085 1045
1083 1152 992
1043 1081
60 g/L葡萄糖 12%乙醇
1153
1108 1083 1044
1014 991
1151
993
分信息，指导进一步的分离分析；
红外光谱可以监督各步分离产物 的成分，检查分离方法的合理性， 拣选含有目标成分的分离产物； 红外光谱可以用于解析和确认各 种分离组分的结构……
“边组合，边分析”的混合物分析路线
对混合物进行分析研究，了解其构成与
性质的联系，能够为得到具有更优异性质 的混合物提供指导。
4000.0
3000
2000 1500 cm-1 / cm-1 Wavenumbers
1000
400.0
真伪阿胶：第二级鉴别
东阿阿胶
2nd derivative
2958
2873
1059
1159
1029
A
A
2925
2853 1746
A
1628
1081
1047 1159
2874
2853
1016
3000.0
… …
指标成分
“先分离，后分析”的混合物分析路线
一般分析过程中首先要从混合物中分离
出相应的纯组分，然而分离并不等同于分 析。分离只是将混合物分解为不同部分，
而各部分的结构和含量确定还需要多种分
析方法相结合。 对混合物进行分离，不可避免对原成分
造成影响，分离所得物质与原始成分往往
具有一定的差异。 对混合物进行分离，很难直接观察到各
100 g/L葡萄糖 12%vol乙醇-水
真伪阿胶：第一级鉴别
1658 1535 3330 2928 1333 1451 1239
东阿阿胶
667
AAbsorbance
1079
922 1657 3372 1534 1450 2933 1334 1079 667 466 876 1239 1027
假阿胶
混合物红外光谱解析方法
多级红外光谱宏观指纹分析法
multilevel infrared spectral macro-fingerprints analysis
使用多级光谱增强谱图分辨能力
根据特征谱峰进行相应组分解析
借助统计方法实现客观量化分析
混合物红外光谱解析的三大方法
多级红外光谱宏观指纹分析法
特征峰表现与浓度和重叠程度有关
间二甲苯
90% 间二甲苯
Absorbance
A
50% 间二甲苯
A
33% 间二甲苯
5% 间二甲苯
4000.0 3000 2000 1500 1000 650.0 cm-1 -1 Wavenumber/cm
850.0
800
750 cm-1
700
650.0
混合物红外光谱宏观指纹特征
• 普通红外光谱
Conventional Infrared Spectroscopy, conventional IR
二级鉴别（the secondary identification）
• 二阶导数红外光谱
Second Derivative Infrared Spectroscopy, SD-IR
三级鉴别（the tertiary identification）
混合物的红外光谱
纯化合物
E
3 N 6 k 1
混合物光谱

k 1
k
(Qk )
成分A光谱
Ek
3 N 6
3 N 6

1 k h k 2 k 1
成分B光谱
多组分混合物
ik e
i 1 k 1 m 3 N 6
成分C光谱
1000
650.0
5
0
整体成分
1.10
5
定性分析
Concentration
1.0
Correlation: 0.9992 StdErr ofPrediction: 0.0146 x 080 x 070 x 090
x 100
0
0.8
5
0.6
x 050
x 060
0
0.4
x 030
x 040
5
0.2
x 010
复杂混合物红外光谱分析的 关键方法和技术
孙素琴 清华大学化学系
sunsq@tsinghua.edu.cn
Tsinghua University
中药等复杂混合物质量控制的难题
成分复杂多样，难以
成分 1
成分 2
完全逐一分离并检测
不够全面 不能准确反映中药药效和质量 难以鉴别药材产地等多种属性 无法安全控制其他大多数成分 检测困难 检测方法复杂且检测成本过高 缺乏定性分析而导致定量错误 人为添加可改变指标成分含量
种成分共存时的相互作用。
对混合物进行分离并对所有组分逐一分 析，需要消耗大量的时间、人力和物力。
“先分离，后分析”的混合物分析路线
实际过程中研究者们往往只关注所感兴 趣的一小部分分离产物，不能够得到混合
物整体成分信息。
如果提取分离方法不恰当，就无法得到 待测样本中所含有的全部的目标成分，而 且会在分离产物中混入其他杂质成分。 如果对于分离产物没有
• 二维相关红外光谱
Two-dimensional Correlation Infrared Spectroscopy, 2D-IR
普通红外光谱 精密度，准确度，信噪比，分辨率
重复性
1
相关系数
1.0000
Average / Abs
0.8 0.6 0.4 0.2
平均光谱
Absorbance
0.9997
100 g/L葡萄糖 12%乙醇
900.0 1200.0
1152
1107 1082
1030 1013 991 1044
0
1200 cm-1
1100 1000 Wavenumbers / cm-1
1150
1100
1050 1000 -1 cm-1 / cm Wavenumbers
950
FTIR
SDIR
进行准确的定性分析，就
可能将杂质成分与目标成 分混淆在一起，影响定量
分析的准确性。
中药成分信息的多维层次结构与合理分析原则
宏观整体样本
全部成分 主体成分 部分成分 少量成分
微观局部样本
单一成分 微量成分
定性信息
定量信息
有些信息只要粗略了解，有些信息必需细致分析
渐进式分析：从整体到部分，先定性后定量
整体解析法
主体成分解析
专家识别法
光谱数据库检索
二阶导数光谱
特定成分解析
相似度量化比较
二维相关光谱
相对含量比较
多组分定量分析
主体成分解析——官能团分析
0.550
2924
奶粉的红外光谱
脂肪 蛋白质
1746 2853 1073 1658 1159 3357
0.50 0.45 0.40 0.35 A 0.30 0.25 0.20 0.150 4000. 0 3000
1.00 0.9
2921 741
0.8 0.7
3017 1494
768
Absorbance
0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1
2866
1515
1464
794
A
1610
1379
邻、间、对二甲苯混合物 4000.0 3000
0.00
2000 cm-1
1500
1000
650.0
Wavenumber/cm-1
0
0.00 0.0
x 000
1
2
5
混合物红外光谱解析的三大难题
根源：成分复杂，谱图重叠
样本分辨难
如何获得优质谱图
成分解析难
如何解析主体成分
谱图分析难
如何智能化解析
如何提高分辨能力
如何解析特定成分
如何智能化鉴别
如何增加信息表达
如何解析相对含量
如何智能化定量
混合物红外光谱宏观指纹特征
同种官能团吸收峰相邻，重叠峰给出物质群组信息
Std / Abs
0.0015
标准差光谱
0.0010
0.9998
0.0005
1.0000
0 4000
3500
3000
2500
2000
-1
1500
1000
Wavenumbers /cm
0.9998 Wavenumbers / cm-1
CO2和H2O干扰扣除
二阶导数红Baidu Nhomakorabea光谱
二阶导数红外光谱：葡萄糖/乙醇-水溶液