化合物结构鉴定之四大色谱发展总结

河南大学
2016级化合物结构鉴定结课论文
姓名：徐俊
学号：104754160909
专业：环境工程
学院：化学化工学院
2016年12月20日
四谱技术的应用进展与讨论
摘要：近几年，随着科学技术的迅猛发展，红外光谱、紫外光谱、核磁共振谱及质谱分析技术也在各国迅速地发展起来，其应用面涉及生命科学、有机化学、生物化学、医药卫生、环境保护、食品化学、农业科学、石油化工等各个领域，特别是在生命科学探索、药物开发、毒物分析等研究中起着先导作用。

本文简单介绍红外光谱、紫外光谱、核磁共振谱及质谱的相关原理，并就这四种光谱分析技术在不同领域的应用做了总结和讨论。

关键字：红外光谱；紫外光谱；核磁共振谱；质谱；联用
引言
红外光谱[1]是一种分子吸收光谱，它反映分子振动能级的跳跃情况，提供化合物具有何种官能团的信息。

当样品中分子受到频率连续变化的红外光照射时，某一波长红外光的频率若与分子中某种振动形式的固有频率相同，光子的能量可以传送给分子，如果分子对光子吸收而产生振动能级的跃迁，则相应频率的透射光强度减弱。

以波数或波长为横坐标，吸收强度或透过率为纵坐标记录吸收曲线，就得到红外吸收光谱。

紫外光谱[2]原理是具有光学活性的化合物，在紫外—可见光区(200～800nm)范围内，吸收一定波长的光子后，其价电子在分子的电子能级之间跃迁，由此而产生的分子吸收光谱被称为紫外—可见吸收光谱，简称紫外光谱。

核磁共振[3]原理是原子核在磁场中受到磁化，自旋角动量发生转动，当外加能量与原子核震动频率相同时，原子核吸收能量发生能级跃迁，同时释放出微弱的能量，发射电信号，把这许多信号检出，并使之能进行空间分辨，就得到运动中原子核分布图像质谱。

质谱[4]是一种按质量大小规律（质核比）进行排列的图谱。

原理是是将有机分子在真空中用电子轰击，给出不同质荷比的分子碎片，经质量分离器分离后，检测记录获得质荷比与丰度之间关系的质谱图，依据质谱图可获取化合物分子质量及结构信息。

1 红外光谱应用
1.1 在临床医学和药学方面的应用
除特殊情况外，鉴于每个化合物都有自己独特的红外光谱，故红外光谱能为药品质量的监测提供了快速准确的方法[5]。

如对药材天麻、阿胶以及西药红霉素等药物的研究[6]。

红外光谱在临床疾病检测方面也有广泛的应用，吴汉福等7]用FTIR法对天然牛黄中胆红素钙的含量进行了定量测定。

随着漫反射测试技术的出现，无损药物分析在近红外光谱分析中占有非常重要的位置。

1.2 在农业方面的应用
红外光谱已成功地用于农产品的品质分析，进而扩展到污染物的测定，如烟草、咖啡的分类、农产品产地来源鉴别，还用于检测可耕土壤的物理和化学变化[8]。

在农业领域，近红外光谱可通过漫反射方法，检验种子或作物的质量。

还能用于作物及饲料中的油脂、氨基酸、糖分、灰粉等含量的测定以及谷物中污染物的测定，近红外光谱还被用于烟草的分类、棉花纤维、饲料中蛋白及纤维素的测定，以及监测可耕土壤中的物理和化学变化[9]。

1.3 在食品方面的应用
食品中农药残留分析离不开农药标准品，而标准品研制中一般须经红外光谱进行结构表征[10]。

周向阳、林纯忠等[11]首次采用傅立叶变换近红外光谱法对十字花科、旋药科、菊科、伞形花科、苋科等20余种叶菜类中有机磷农药残留的鉴别进行了系统研究。

近红外光谱还可用于分析肉、鱼、蛋、奶及奶制品等食品中脂肪酸、蛋白、氨基酸等的含量，以评定其品质[12,13]。

近红外光谱还用于水果及蔬菜的分析[14]。

在啤酒生产中，近红外光谱被用于在线监测发酵过程中的酒精及糖分含量[15]。

1.4在环境保护科学方面应用
在水体污染中，有机污染物是主要物质，化学需氧量（COD）是最常用、最重要的表征有机污染程度的指标之一。

比如运用近红外光谱法测量废水COD 的方法[16]。

还有采用红外光谱与原子吸收光谱检测土壤重金属在植物中的积累。

傅里叶变换红外光谱系统特点是结构简单，环境适应性良好，测量速度快，采样范围广，可用于探测大气中一些重要微量组分，可对较大区域的环境气体的监测和研究[17]。

2 紫外光谱
2.1 紫外光谱分析监测水质
目前水质检测采用的分子光谱分析技术是水环境监测中应用最广泛的技术之一，而基于直接紫外光谱分析的水质监测[18]是利用有机物及部分无机物吸收紫外光的特性，建立紫外吸光度和水质参数浓度的相关模型来获得重要的水质参数，具有无需试剂、实时在线、体积小、成本低、多参数检测等优点，在对饮用水、地表水、工业废水等水体的在线监测中具有显著优势，满足现代水质监测对监测仪器提出的微型便携、现场实时、多参数、低成本等需求，成为水质监测仪器的重要发展方向[19,20]。

2.2 紫外光谱法检测药物
近红外光谱技术已在药物制剂分析中得到了成功的应用，它可以测定药品的许多参数如评定溶解物、包衣厚度、失活时间等，为制药企业在线和实时分析提供了更严格的质量控制分析方法，从而降低次品率、降低生产成本[21,22]。

2.3 紫外光谱分析检测食品
食品安全关乎人们健康和国计民生，由质量问题引起的食品安全事故越来越多，所以食品安全急需对农副食品品质进行快速无损检测[23]。

紫外光谱技术在检测食品中一些威胁人们健康的因素方面有着重要作用。

近年来，利用紫外光谱法对食品领域的研究与应用越来越多，因其具有灵敏可靠、实用性强、简便快捷的优点被推广应用。

同时紫外光谱法在检测食品含量和质量方面也有一定的应用[24,25]。

3 核磁共振技术的应用
3.1 核磁共振技术在化学领域的应用
核磁共振技术是测定分子结构的有效工具，现在已经测定了万余种有机化合物的核磁共振图。

对分子结构的测定，包括对有机化合物绝对构型的测定和对复杂化合物结构的解析。

核磁共振技术应用在有机合成中，不仅可对反应物或产物进行结构解析和构型确定，而且在研究合成反应中的电荷分布及其定位效应、探讨反应机理等方面也有着广泛应用[26]。

3.2 核磁共振技术在医学中的应用
核磁共振作为一种对人体无创、无电离辐射的诊断工具，不仅适合做结构成像，还可以做功能性成像，因而使之和X射线、CT、超声成像等一道成为当今几大最常用的医学成像技术[27]。

核磁共振技术在医学药物研发过程中也有着重
要的应用，它可以提供药物设计的结构信息，还可以通过NMR技术进行配体的筛选，从而在确定药物的有效性等方面有着广泛的应用[28]。

3.3 核磁共振技术在生物技术中的应用
核磁共振分析技术可以无侵入的获取活体生物系统的信息[29]，使NMR技术在活体应用方面的研究进展迅速。

NMR技术可以用于分析生物细胞系统的代谢途径，用于生物反应器系统的优化,设计生物反应器还可用于结构基因组学。

4 质谱分析技术的应用
4.1 生物质谱技术在生命科学研究中的应用
目前，生物质谱的发展趋势是将不同类型的质量分析器串联起来，以提高质谱的工作性能和适用范围。

采用生物质谱技术[30]对蛋白质的复杂性进行分析，较之传统方法更加准确，更加灵敏，所需样品量大大减少，一天就能完成上千个样本的分析，从而缩短了科研时间，使对蛋白质进行大规模分析、鉴定成为可能。

4.2 高分辨率气相色谱一高分辨率质谱联用技术在二噁英分析中的应用
二噁英类化合物是环境荷尔蒙类污染物中重要的一大类化合物，二噁类有毒物质能干扰机体的正常内分泌功能，引起代谢紊乱，导致多种疾病等巨大危害性，给人类健康造成了严重危害。

目前二噁英研究的测定装置趋向专用化，所有实施二噁英控制的国家都指定了高分辨率气相色谱一高分辨率双聚焦质谱仪作为二噁英类分析定量检测的必备关键设备，同时研究制定了HRGC-HRMS定量检测二噁英物质的一系列具体和必要的条件[31]。

4.3 质谱在食品中农药残留及兽药残留分析中的应用
由于食品中的有害物质绝大多数为有机物，因此气相色谱和液相色谱是食品安全检测的主要手段。

用色谱分离待分析组分和干扰杂质，用质谱鉴定分子结构，可用全扫描、选择离子检测、多级质谱检测等方法。

4.4 质谱在组合化学中的应用
组合化学是一门交叉性科学，从其产生发展到今天，始终以有机化学为基础，与各种学科完美结合。

到目前为止，已有三种质谱技术应用于组合化合物库的样品分析。

质谱在组合化学中的应用主要分成两大类：①检测固相产物和固相反应；
②从化合物库中确定活性化合物的结构。

利用质谱法，可将分析速度提高10倍，与合成速度相匹配，因而成为首选的分析方法[32]。

总之，它已成为各个领域研
究中强有力的工具。

5. 总结
随着科学技术的迅速发展，红外光谱、紫外光谱、核磁共振谱及质谱分析技术不断完善。

一方面，随着分析仪器的微型化发展和分析技术的自动化、网络化发展，基于四谱光谱仪和机器将适用于越来越多的检测。

新领域、新方法不断出现，各学科的新成就被应用到分析中。

另一方面，由于现代科学技术的发展，对信息量及分析速度的要求都在提高，采用一种分析技术已无法满足分析任务的要求，于是将几种分析技术结合组成联用技术，相互取长补短，从而提高方法的灵敏度、准确度以及对复杂物质的分辨能力。

使操作和数据处理快速、准确和简便化、自动化，使分析方法大为改观。

总之，四谱联用分析技术已成为当前分析方法发展的方向，并已成为科学技术的先进领域和现代实验化学的重要支柱。

参考文献
[1]曾泳淮，林树昌．仪器分析[M]．北京：高等教育出版社，2004．
[2]于为雄．基于紫外吸收原理的在线COD数字变送器的研制[D]．哈尔滨工业大学硕士学位论文，2013：15～20．
[3]高明珠．核磁共振技术及其应用进展[J]．信息记录材料，2011，12(3)：48～51．
[4]陈焕文，胡斌，张燮．复杂样品质谱分析技术原理与应用[J]．分析化学(FENXIHUAXUE)特约来稿，2010，38(8)：1069～1088．
[5]杨梅成．现代色谱及联用技术在抗生素药品杂质分析中的应用研究[D]．华东师范大学博士学位论文，2014：20～31．
[6]王旭明．近年来红外光谱在临床医药学中的应用新进展[J]．现代仪器，2007(1)：5～9．
[7]吴汉福．红外光谱技术的应用[J]．六盘水师范高等专科学校学报，2006，18(3)：51～54．
[8]王多加，周向阳，金铭明等．近红外光谱检测技术在农业和食品分析上的应用[J]．光谱学与光谱分析，2004，24(4)：447～450．
[9]郭静婕，陈智理，李健等．色谱技术的发展与应用[J]．农产品加工（学
刊），2013(4)：66～68．
[10]姚炜，夏彩云．红外光谱技术在食品安全检测中的应用[J]．中国卫生检验杂志，2009，19(6)：51～52．
[11]周向阳，林纯忠，胡祥娜等．近红外光谱法(NIR)快速诊断蔬菜中有机磷农药残留[J]．食品科学，2004，25(5)：151～153．
[12]徐琳，王乃岩，李玉春等．近红外光谱法(NIR)快速诊断蔬菜中有机磷农药残留[J]．食品科学，2003，20(6)：888～890．
[13]文韬，郑立章，龚中良等．基于近红外光谱技术的茶油脂肪酸含量的快速检测[J]．湖南农业大学学报(自然科学版)，2016，42(6)：676～681．
[14]李彦文，周凤琴，王丽萍等．酸枣仁与其伪品滇枣仁的FTIR指纹图谱鉴别[J]．中医药学刊，2005，23(4)：713～715．
[15]黄艳，王锡昌．近红外光谱分析在食品检测中的最新进展[J]．食品研究与开发，2007，28(7)：137～140．
[16]李英华，孙丽娜，胡晓钧等．红外光谱技术在环境科学中的应用与展望[J]．光谱学与光谱分析，2008，28(10)：2326～2328．
[17]丁敏，袁鹏．COD在线监测仪在监控石化污水出水中的应用[J]．河南化工，2012，29(11)：44～46．
[18]陈玥．城帀供水水质异常检测方法研究[D]．浙江大学硕士学位论文，2013：45～51．
[19]Catherine Gonzalez, Philippe Quevauviller, Richard Greenwood. Rapid Chemical and Biological Techniques for Water Monitoring. Chichester:John Wiley&Sons Ltd, 2009,(7): 303～308.
[20]Thomas O. UV-Visible Spectrophotometry of Water and Wastewater. Oxford: Elsevier, 2007, (7): 179～182.
[21]孙阔．阿司匹林合成过程的拉曼光谱监控[D]．广西科技大学，2013，36～45．
[22]张小玲，粟晖，姚志湘等．紫外光谱法监测阿司匹林合成体系中的阿司匹林和水杨酸[J]．光谱实验室，2011，28(4)：1911～1915．
[23]张小玲，吕重莹，加平平等．紫外光谱技术在食品分析中的应用[J]．渭
南师范学院学报，2014，29(7)：93～96．
[24]李先端，钱琼，秋何勇．酿造醋和配置醋质量分析与鉴别[J]．中国食物与营养，2011，17(2)：27～30．
[25]叶旭君，马志静，张立宏等．基于紫外-可见-近红外光谱技术的蔬菜细胞ATP 含量无损检测研究[J]．光谱学与光谱分析，2012，34(4)：978～981．
[26]陈玉宝．核磁共振技术在我国石油工程项目中的应用概述[J]．工程技术-能源与动力工程，2012，(s1)：169～170．
[27]于小波，沈文斌，相秉仁．中国药科大学分析测试中心[J]．药学进展，2010，34(4)：93～85．
[28]赵桂生．核磁共振技术在医学临床的应用[J]．医院放射科，2011，8(4)：84．
[29]姜凌，刘买利．核磁共振技术在生物研究中的应用[J]．医院放射科，2012，40(6)：366～373．
[30]夏其昌，曾嵘．蛋白质化学与蛋白质组学[M]．北京：科学出版社，2004．
[31]陈左生，李伟．挑战高分辨率气相色谱一高分辨率质谱连用技术极限的二略英分析[J]．分析测试学报，2003，(22)：168～172．
[32]Nicholas K. Terrett著，许家喜等译．组合化学[M]．北京：北京大学出版社，1999．。