【摘要】:隨著接口裝置、紅外光譜儀、數據處理技術的不斷發展與完善，以及與其它分析檢測技術更密切的結合，紅外光譜技術必將在有機污染物分析、復雜混合物的定性定量分析與鑒定、痕量污染物鑒定方面取得更迅速的發展。文章綜合論述了近10年來國內外紅外光譜技術的發展及其在環境科學（液體環境、固體和氣體環境監測，定性分析)中的應用，并對其應用前景進行了討論。
　　【關鍵詞】：紅外光譜；環境科學；應用；展望
　　引言：
　　紅外光譜儀的發展經歷了三代。第一代是基于棱鏡對紅外輻射的色散而實現分光的，屬棱鏡式紅外分光光度計。其缺點是光學材料制造費事，分辨本領較低，而且儀器要求嚴格（恒溫恒濕)。第二代是基于光柵的衍射而實現分光的，屬光柵式紅外分光光度計，與第一代相比，分辨能力有很大提高，且能量較高，價格便宜，對恒溫、恒濕要求不高，是紅外分光光度計發展的方向。隨著電子技術的發展，出現了第三代紅外光譜儀，這就是基于干涉調頻分光的傅里葉變換紅外光譜儀，它的出現為紅外光譜的應用開辟了許多新的應用領域。目前，傅里葉紅外光譜分析是近代環境科學分析技術中的一個重要手段，主要用于環境污染監測、突發性污染控制和污染物質分析。根據波數范圍可分為近紅外(13000～4000cm-1)、中紅外（4000~400-1cm）和遠紅外(400～100-1cm)區域。
　　1． 在環境科學中的應用
　　1．1液體環境監測
　　在牛奶生產過程中，由于要達到出廠產品致化的目標，有時常常需要保持原料成分含量的一致性，有時需要保持發酵進程的統一性。然而，現實加工過程的連續性又不能使生產過程停止來滿足檢測合格的目的。近紅外技術適于在線檢測的特點與光纖技術相結合具有實現生產過程實時控制的潛力。朱俊平等(2003年)【１１】用近紅外光譜技術在1400nm2300nm范圍內對兒童高鈣奶粉進行了測定。他們使用多元線性回歸法分別建立了用近紅外檢測的兒童高鈣奶粉水分、蛋白、脂肪、乳糖和蔗糖的快速測定模型。將近紅外法的測定結果和標準方法的測定結果進行了比較，比較結果相當一致。他們認為近紅外光譜法可以用于奶粉生產過程中的質量控制，并可為食品的無損、快速檢測提供一種新的方法。劉蓉等(2005年)【１２】利用半數重采樣法(RMH)和最小半球體積法(SHV)這兩種簡單算法對測得的牛奶成分的近紅外光譜進行了奇異點的剔除實驗。結果表明，RHM可以快速準確地挑選出奇異點，而SHV距離是對RHM算法的一種驗證，有助于判斷RHM算法中概率較低的樣品是否為奇異點，因此兩種算法的結合是剔除奇異點的一條有效途徑。而且這兩種算法都具有簡單快速、無需計算逆矩陣等優點，具有很好的數值穩定性，適用于近紅外光譜中奇異點的快速剔除，尤其適用于在線測量和分析，如牛奶成分、農產品、藥物的在線測量和在線分析等，可以大大提高模型的穩健性和分析精度。
　　中國農業大學的韓東海等[10]考察了利用紅外光譜技術快速、準確、無損傷地鑒別純牛奶中還原奶的情況，確定了判別原料奶新鮮度的可行性。實驗結果表明，利用判別分析方法建立原奶的鑒別模型，對還原奶摻入量在20％以上的樣品的正確判別率約在90％以上，對還原奶摻入量在50％以上的樣品可以實現兩者的100％判別；利用偏最小二乘(PLS)方法建立了原料奶酸度和PH值預測的定量數學模型，其平均預測誤差<0．5％，可以達到乳品企業快速準確預測的要求；另外，利用定性判別的方法建立了牛奶新鮮度的判別模型，并建立了識別摻假牛奶的模型，其正確判別率均在95％以上。以上結果說明近紅外技術可以很好地實現還原奶摻假的鑒別分析以及原料奶新鮮度的快速測定。
　　1．2固體環境監測
　　鎘是土壤中污染程度最嚴重的金屬之一。利用微生物治理鎘污染已成為研究的熱點。采用紅外光譜與原子吸收光譜分析菌株對CA2的積累，結果表明，在低濃度Cd2溶液中菌株細胞對CA的積累主要靠細胞壁上—NH2與Cd2+配位結合；在高濃度Cd2+抖溶液中，細胞壁上—NH2，—0H，—C00H，—，—M—O(O—M—O)基團吸附Cd2+的能力顯著。Mn2+可以增加細胞壁上有效官能團活性，提高Cd2+積累率。但當有Zn2+,Pb2+,Cu2+重金屬共存時，即使有Mn2+存在，菌體對CA抖吸附積累能力未見提高。通常使用高效液相色譜法檢測農藥中有效成分吡蟲啉的含量。采用紅外光譜法直接測定農藥中吡蟲啉含量，樣品使用KBr壓片法。吡蟲啉標準品和商品吡蟲啉農藥的紅外光譜對照實驗表明：吡蟲啉在93912cm-1處的吸收峰不受農藥中其他成分的干擾，可以選擇此峰為定量分析波數。吡蟲啉紅外光譜在947~92518cm-1處的峰面積與其凈含量滿足線性方程Area=113665×10-1+2137×10-2×c，相關系數r=0.199953。結論是利用紅外光譜快速檢測農藥中有效成分吡蟲啉含量的方法是可行的，可以替代常規的理化分析，能夠滿足快速分析的需要。
　　應用FTIR技術研究了鎘和銅金屬在日本昆布科藻類中的吸附。結果顯示羧基和氨基是重金屬的主要吸附點，且經過甲醇和甲醛預處理后的植物中重金屬的吸收譜圖大致與處理前一致。
　　1．3氣體環境監測
　　設計了一套用于環境氣體分析的長開放光路傅里葉變換紅外光譜系統。傅里葉變換紅外光譜(FTIR)分辨率高，不僅可以反映微生物細胞壁、細胞膜、細胞質甚至細胞核中的蛋白質、多糖、脂質、核酸及其大分子、水分等混合成分的分子震動信息，而且能敏銳地探測分子基團及其周圍環境的變化。因此，通過測定微生物的FTIR譜可獲得微生物及其生物大分子結構的信息，用于鑒別微生物種類和微生物的狀態【２】。在微生物紅外譜圖的分析中，首先要確定微生物紅外譜圖的分析靈敏區，并對此區域內的主要吸收峰進行辨別及歸屬，同時結合分級聚類分析(hierarchicalclusteranalysis，HCA)、主成分分析(principalcomponentanalysis，PCA)和人工神經網絡法(artificialneuralnetwork，ANN)等化學計量學方法，找
　　出不同微生物圖譜問的細微差別，確定不同微生物的特征普峰和圖譜帶，為細菌、酵母菌或其他微生物的判別、分類、鑒定和大范圍篩選提供依據【４】。
　　該系統具有往返250m的開放式長距離采樣光程，使用一臺分辨率為1cm-1的傅里葉變換紅外光譜儀測量采樣路徑內的大氣透過率光譜，然后進行非線性最小二乘光譜擬合，計算出待測組分濃度。驗部分通過選擇特定波段分析了污染空氣中CH4，CO，N2O和CO2的濃度，擬合殘差的均方根誤差小于1%。結果表明，該系統的結構簡單，光路易于校準，環境適應性良好，測量速度快，采樣范圍廣，可用于探測大氣中一些重要的痕量和微量組分，開展較大區域的環境氣體的監測和研究。
　　
　　2． 存在的問題及其展望
　　雖然中紅外光譜及其聯用技術已日漸成熟，但在應用技術方面還受到測試靈敏度和分辨率的限制。如GC／FTLR的靈敏度較低(5~20ng級)，比GC／MS(10~100Pg級)低約2個數量級；可供檢索的Sadtler增強型EPA蒸汽相圖譜庫數量為3240張光譜，與GC／MS的6多萬張質譜圖相比要少得多；而且對沸點為350～500℃中等揮發性有機組成的鑒定有困難。在環境生態修復的應用方面，利用紅外光譜技術分析具耐受性的植株對介質中重金屬、有機污染物的累積作用，從而為探討其作用機理、提高植物累積率、揭示其介質吸附過程的主要影響因素提供一個新的思路，對預測污染物在介質中的歸宿、評估污染介質對人類及環境危險性提供科學的依據，為生態修復環境系統拓展新的空間，是個大有前途的領域。
　　參考文獻
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　　［4］.EnergyEnvironmentalProtection(能源環境保護)，2005，19(6)：18．
　　
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