二維振動(dòng)光譜的普適性

二維振動(dòng)光譜的普適性

一、背景介紹1.維相關(guān)技術(shù)理論的發(fā)展二維相關(guān)光譜的基本概念最早起源于30年前的原子能發(fā)生器（nmr）領(lǐng)域。二維核磁譜是通過多脈沖技術(shù)激發(fā)核自旋,采集時(shí)間域上原子核自旋弛豫過程的衰減信號(hào),經(jīng)雙傅里葉變換得到的。其顯著的特點(diǎn)是:將光譜信號(hào)擴(kuò)展到第二維上以提高光譜分辨率,簡(jiǎn)化含有許多重疊峰的復(fù)雜光譜;通過選擇相關(guān)的光譜信號(hào)鑒別和研究分子內(nèi)和分子間的相互作用。各種二維核磁共振技術(shù)(2DNMR)在核磁共振光譜學(xué)家的努力下已建立起來并得到了廣泛的應(yīng)用。但是使人感到奇怪的是,盡管二維光譜在核磁領(lǐng)域蓬勃發(fā)展,但二維相關(guān)技術(shù)卻一直沒能深入其他的光譜分支,如紅外、拉曼、紫外、熒光等。阻礙二維技術(shù)發(fā)展的一個(gè)重要原因是普通光譜的時(shí)間標(biāo)尺(timescale)要比核磁的時(shí)間標(biāo)尺短得多。舉例來說,紅外吸收光譜觀察的分子振動(dòng)時(shí)間標(biāo)尺在皮秒數(shù)量級(jí),而核磁中時(shí)間標(biāo)尺數(shù)量級(jí)一般在毫秒到微秒間。因此基于多重射頻脈沖勵(lì)磁技術(shù)的二維核磁技術(shù)可以成功地在精密而昂貴的核磁儀器上實(shí)現(xiàn),卻不能在普通的紅外、拉曼和紫外等儀器上實(shí)現(xiàn)。1986年,Noda就二維NMR技術(shù)的理論提出了一個(gè)概念性的突破,他把磁實(shí)驗(yàn)中的多重射頻勵(lì)磁看作是一種對(duì)體系的外部擾動(dòng)。以這種全新的視角簡(jiǎn)化看待二維核磁技術(shù),就可以輕易地設(shè)計(jì)出完全不同的二維光譜實(shí)驗(yàn)技術(shù)。為此,1989年Noda提出一項(xiàng)新的實(shí)驗(yàn)方案,用一個(gè)低頻率的擾動(dòng)作用在樣品上,通過測(cè)定比振動(dòng)弛豫慢許多,但與分子尺寸運(yùn)動(dòng)緊密相關(guān)的不同弛豫過程的紅外振動(dòng)光譜,將數(shù)學(xué)相關(guān)分析技術(shù)用于紅外光譜中得到二維紅外相關(guān)光譜圖。這些慢的弛豫過程可以用現(xiàn)有的普通紅外光譜儀,通過簡(jiǎn)單的時(shí)間分辨技術(shù)加以研究。于是,最初的二維紅外相關(guān)光譜技術(shù)的理論就此誕生。然而最初的二維紅外相關(guān)光譜技術(shù)的理論中,外擾的波形僅局限于正弦波形。這就極大地限制了二維相關(guān)技術(shù)在普通光譜上的進(jìn)一步發(fā)展。1993年,Noda再次對(duì)已有理論進(jìn)行修正,破除了外擾波形的局限,并且用Hilbert轉(zhuǎn)換替代了原先二維相關(guān)分析中的Fourier轉(zhuǎn)換,由此縮短了二維處理的時(shí)間,并把新的理論正式命名為“廣義二維相關(guān)光譜技術(shù)”。至此,應(yīng)用的外擾的波形可以多種多樣,從簡(jiǎn)單的正弦波、一串脈沖,到隨機(jī)的噪音或靜態(tài)的物理變化,均可應(yīng)用于外擾。如電場(chǎng)、熱、磁、化學(xué)、機(jī)械,甚至聲波等變化。每種外擾對(duì)體系的影響是獨(dú)特而有選擇性的,由特定的宏觀刺激和微觀或分子級(jí)別的相互作用機(jī)理決定。此后,這種二維相關(guān)分析技術(shù)開始逐漸適用于拉曼、熒光、X射線衍射、GPC等其它譜學(xué)技術(shù)中。2.維相關(guān)函數(shù)二維相關(guān)光譜的基本想法實(shí)際非常簡(jiǎn)單。就是考慮由外擾引起的外擾變量t在Tmin和Tmax間變化時(shí)光譜強(qiáng)度y(ν,t)的變化。體系對(duì)外擾的反應(yīng)經(jīng)常表現(xiàn)為有特征的光譜變化,稱作動(dòng)態(tài)光譜(dynamicspectrum)。因此,二維相關(guān)實(shí)際上測(cè)的就是動(dòng)態(tài)光譜的變化。外擾變量t經(jīng)常被當(dāng)作時(shí)間,但它也可以是任意其它合理的物理變量,如溫度、壓強(qiáng)、濃度、電壓等。光學(xué)變量ν可以是任何合適的光譜量化系數(shù),如拉曼位移、紅外或近紅外波數(shù)、紫外波長(zhǎng),甚至是X光散射角。體系受外擾引起的動(dòng)態(tài)光譜ˉyyˉ(ν,t)可以正式定義為:ˉy(ν,t)={y(ν,t)-ˉy(ν)Τmin≤t≤Τmax0otherwise(1)yˉ(ν,t)={y(ν,t)?yˉ(ν)0Tmin≤t≤Tmaxotherwise(1)ˉyyˉ(ν)是體系的參比光譜。參比光譜的選擇并不一定要嚴(yán)格一致,在大多數(shù)情況下,我們使用光譜的平均值,定義為:ˉy(ν)=1Τmax-Τmin∫ΤmaxΤminy(ν,t)dt(2)yˉ(ν)=1Tmax?Tmin∫TmaxTminy(ν,t)dt(2)在某些應(yīng)用中,我們可以通過選擇在某個(gè)參考點(diǎn)(t=Tref)觀察到的光譜作為參考光譜。參考點(diǎn)可以選擇實(shí)驗(yàn)的初始狀態(tài),即在施以外擾前的足夠長(zhǎng)的時(shí)間(Tref→-∞),或是在實(shí)驗(yàn)開始時(shí)(Tref=Tmin),或是在實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)(Tref=Tmax),甚至是在體系完全不受外擾影響的時(shí)候(Tref→+∞)。當(dāng)然參比光譜也可以簡(jiǎn)單地設(shè)為零,這樣動(dòng)態(tài)光譜就和我們觀察到的光譜強(qiáng)度完全一致了。二維相關(guān)強(qiáng)度X(ν1,ν2)代表在一定外部變化t的區(qū)間內(nèi),對(duì)不同光學(xué)變量ν1和ν2的光學(xué)強(qiáng)度變化?yy?(ν1,t)的函數(shù)進(jìn)行比較。由于相關(guān)函數(shù)是計(jì)算兩個(gè)互不依賴的光學(xué)變量ν1和ν2光學(xué)強(qiáng)度的變化,因此我們可以將X(ν1,ν2)轉(zhuǎn)變?yōu)閺?fù)數(shù)形式:X(ν1,ν2)=Φ(ν1?ν2)+iΨ(ν1,ν2)(3)X(ν1,ν2)=Φ(ν1?ν2)+iΨ(ν1,ν2)(3)組成復(fù)數(shù)的相互垂直的實(shí)部和虛部分別被稱作同步和異步二維相關(guān)強(qiáng)度。同步二維相關(guān)強(qiáng)度Φ(ν1,ν2)表示隨著t值的變化,兩個(gè)在不同光學(xué)變量下測(cè)量的互不依賴的光學(xué)強(qiáng)度的相似性變化。恰恰相反,異步二維相關(guān)強(qiáng)度Ψ(ν1,ν2)表示光學(xué)強(qiáng)度的相異性變化。廣義二維相關(guān)函數(shù)及其定義的同步和異步相關(guān)強(qiáng)度如下:X(ν1,ν2)=1π(Τmax-Τmin)∫∞0?Y1(ω)??Y*2(ω)dω(4)?Y1(ω)=∫∞-∞?y(ν1,t)e-iωtdt(5)?Y*2(ω)=∫∞-∞?y(ν2,t)e+iωtdt(6)X(ν1,ν2)=1π(Tmax?Tmin)∫∞0Y?1(ω)?Y??2(ω)dω(4)Y?1(ω)=∫∞?∞y?(ν1,t)e?iωtdt(5)Y??2(ω)=∫∞?∞y?(ν2,t)e+iωtdt(6)?YY?(ω)是光強(qiáng)?yy?(ν,t)經(jīng)傅立葉變換得到,傅立葉頻率ω代表?yy?(ν,t)隨外擾t變化的個(gè)體頻率。由于二維相關(guān)光強(qiáng)的計(jì)算過程必須描繪二維光譜中的每一點(diǎn),即使使用快速傅立葉算法的計(jì)算步驟來按照公式(4)計(jì)算廣義二維相關(guān)光譜,數(shù)據(jù)也會(huì)多得難以想像,所以我們?cè)谟?jì)算過程中應(yīng)用了適當(dāng)?shù)墓浪?。我們?cè)谕鈹_t變化區(qū)間Tmin和Tmax內(nèi)等間隔地選取m個(gè)動(dòng)態(tài)光譜,Δt=(Tmax-Tmin)/(m-1),同步二維相關(guān)強(qiáng)度可以簡(jiǎn)單地表示為:?yj(νi)是外擾tj點(diǎn)的光學(xué)強(qiáng)度。?yj(νi)=?y(νi,tj)i=1,2(8)如果光譜系列并不是在外擾t上等間隔選取的,那么我們就必須進(jìn)行一定調(diào)整。比如我們可以通過內(nèi)插等方法使本來不均勻的光譜系列變得均勻。同步光譜就按照這個(gè)新的系列由公式(7)給出。異步二維相關(guān)光強(qiáng)的計(jì)算就更加困難。有許多估算方法可以對(duì)異步光譜進(jìn)行合理的估算,然而最簡(jiǎn)單有效的估算方法由下式給出:其中Njk代表Hilbert-Noda轉(zhuǎn)變矩陣的第j行第k列的元素,表示為:Νjk={0j=k1/π(k-j)otherwise(10)3.維相關(guān)譜圖圖1所示為基于外擾的二維相關(guān)光譜實(shí)驗(yàn)的基本流程:對(duì)一個(gè)想要研究的體系施加一個(gè)特定的外擾,由此得到這個(gè)體系的一系列動(dòng)態(tài)光譜;然后對(duì)這一系列動(dòng)態(tài)光譜進(jìn)行二維相關(guān)分析,得到最后的二維相關(guān)光譜。二維相關(guān)光譜譜圖最常見的表示形式就是二維contourmap,如圖2所示。其中2(A)和2(B)分別是同步相關(guān)譜和異步相關(guān)譜,分別介紹如下。(1)同步譜的表現(xiàn)在特定外擾t作用下,ν1、ν2代表的不同官能團(tuán)振動(dòng)如果同時(shí)取向,就會(huì)在二維譜上產(chǎn)生相應(yīng)的同步相關(guān)峰Φ(ν1,ν2)。這種分子微觀結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的同步性表明基團(tuán)之間有很強(qiáng)的協(xié)同作用或可能存在強(qiáng)烈的相互作用。圖2(A)顯示了一個(gè)典型的同步二維相關(guān)譜的強(qiáng)度變化等高線圖。同步二維相關(guān)譜是關(guān)于對(duì)角線對(duì)稱的(即相應(yīng)光譜的相同波數(shù)坐標(biāo)ν1=ν2),相關(guān)峰可以出現(xiàn)在對(duì)角線上或?qū)蔷€之外。在對(duì)角線上出現(xiàn)的強(qiáng)度峰相當(dāng)于光譜強(qiáng)度變化在觀察的周期T當(dāng)中的自相關(guān)函數(shù)值,這類峰稱為自相關(guān)峰(auto-peak)。自相關(guān)峰強(qiáng)度總為正值(正峰用空白表示,負(fù)峰用陰影表示),其大小代表了在相關(guān)周期中光譜強(qiáng)度動(dòng)態(tài)漲落的總程度。因此,只要光學(xué)變量ν在外擾Tmin和Tmax區(qū)間內(nèi)出現(xiàn)顯著的變化,同步譜中就會(huì)出現(xiàn)相應(yīng)的自相關(guān)峰Φ(ν,ν)。圖2(A)中在波數(shù)A、B、C、D處都出現(xiàn)了自相關(guān)峰,說明這4個(gè)峰在觀察的區(qū)間內(nèi),強(qiáng)度發(fā)生了顯著變化。位于對(duì)角線以外的相關(guān)峰稱為交叉峰(crosspeak),代表的就是不同波數(shù)上光譜信號(hào)的同步變化。圖2(A)中A和C,B和D分別同步相關(guān),A和C形成負(fù)交叉峰,而B和D形成正交叉峰。在外擾t作用下,兩個(gè)基團(tuán)受激發(fā)偶極矩取向方向相同,無論是平行于或垂直于外部擾動(dòng)方向,同步交叉峰為正值;而如果兩個(gè)基團(tuán)受激發(fā)偶極矩取向方向互相垂直,則交叉峰為負(fù)值。簡(jiǎn)單來說,如果光譜強(qiáng)度在相應(yīng)的波數(shù)上同時(shí)增大或減小,相應(yīng)交叉峰為正,如果一個(gè)光譜強(qiáng)度增大的同時(shí)另一個(gè)光譜強(qiáng)度反而減小,相應(yīng)交叉峰為負(fù)。但需要強(qiáng)調(diào)的是相關(guān)分析是一個(gè)數(shù)學(xué)方法,它不能區(qū)分不相關(guān)的協(xié)同過程。因此沒有同步交叉峰表示沒有化學(xué)偶聯(lián)或相互作用,但是有同步交叉峰并不說明有化學(xué)偶聯(lián)或相互作用,僅證明兩者間對(duì)外部擾動(dòng)有協(xié)同響應(yīng)。(2)維相關(guān)譜特性圖2(B)顯示的是一個(gè)異步二維相關(guān)譜的強(qiáng)度變化等高線圖。異步光譜表示的是在ν1和ν2處光強(qiáng)連續(xù)的、繼承的變化。與同步光譜不同的是,異步光譜在對(duì)角線兩側(cè)是反對(duì)稱的。異步相關(guān)譜沒有自相關(guān)峰,只有交叉峰Ψ(ν1,ν2),交叉峰也有正負(fù)之別。從圖中發(fā)現(xiàn)A、B、C、D4個(gè)波數(shù)之間分別出現(xiàn)A和B、A和D、B和C、C和D4個(gè)交叉峰。異步交叉峰僅當(dāng)兩個(gè)動(dòng)態(tài)光譜強(qiáng)度變化,彼此之間信號(hào)漲落的傅里葉頻率成分不同相位時(shí)才出現(xiàn)。這種特性在區(qū)分由不同光譜來源或不同組分形成的重疊峰時(shí)特別有用。判斷兩吸收峰相關(guān)關(guān)系的規(guī)則如下:①如果Φ(ν1,ν2)>0,在ν1>ν2區(qū)域,正異步交叉峰(Ψ(ν1,ν2)>0)說明光譜強(qiáng)度變化在高波數(shù)ν1處先于ν2處發(fā)生;負(fù)異步交叉峰(Ψ(ν1,ν2)<0)說明光譜強(qiáng)度變化在高波數(shù)ν1處晚于ν2處發(fā)生。②如果Φ(ν1,ν2)<0,以上規(guī)則相反。③如果只有同步相關(guān)峰Φ(ν1,ν2),而異步相關(guān)交叉峰強(qiáng)度消失,即Ψ(ν1,ν2)=0,說明兩個(gè)基團(tuán)受激發(fā)偶極矩的取向同時(shí)發(fā)生;④如果同步相關(guān)光譜中的相應(yīng)同步相關(guān)強(qiáng)度消失,即Φ(ν1,ν2)=0,則兩個(gè)基團(tuán)受激發(fā)偶極矩的取向關(guān)系不能確定。除了二維contourmap的表示形式,二維相關(guān)的結(jié)果還能以fishnetrepresentation,一種3D漁網(wǎng)圖表達(dá)(圖3)。雖然fishnet的形式可以更方便地比較各個(gè)二維相關(guān)峰的強(qiáng)度,但卻無法清晰定位相關(guān)峰的波數(shù),因此contourmap的形式還是更為常用。總的來說,二維振動(dòng)光譜相對(duì)于一維振動(dòng)譜有兩大顯著優(yōu)勢(shì):①二維光譜因?yàn)閷⒐庾V信號(hào)擴(kuò)張到第二維上,因此具有較高的分辨率,可以區(qū)分出在一維光譜上被覆蓋的小峰和弱峰;②通過對(duì)同步交叉峰和異步交叉峰的仔細(xì)分析,可以判斷出各個(gè)基團(tuán)相對(duì)于特定外擾的一個(gè)運(yùn)動(dòng)順序,這點(diǎn)在研究體系分子間或分子內(nèi)的結(jié)構(gòu)和構(gòu)象的變化方面顯得尤為重要。二、使用二維相關(guān)光譜的示例1.同譜三維技術(shù)(1)水的彎曲振動(dòng)例子:2DATRFTIR光譜研究水在間規(guī)聚丙烯中的擴(kuò)散機(jī)理最近有很多研究關(guān)注水在聚合物中的擴(kuò)散行為[22,23,24,25,26,27,28,29]。這是因?yàn)樵絹碓蕉嗟木酆衔锊牧媳粡V泛應(yīng)用在各個(gè)領(lǐng)域,而水是一種最常用的擴(kuò)散劑。例如,聚丙烯取代玻璃制品越來越多地被應(yīng)用到各種包裝材料,這是因?yàn)榫郾┦且环N高疏水性材料,透水率相對(duì)于其他高分子材料來說比較低。然而即使是極其少量的水也能引起內(nèi)部材料性質(zhì)的變化,所以研究水在聚丙烯膜中的擴(kuò)散機(jī)理是非常有必要的。圖4是典型的水和s-PP混合物的紅外譜圖。通常研究的是水的伸縮振動(dòng)區(qū)域,因?yàn)樗膹澢駝?dòng)峰強(qiáng)度弱,又經(jīng)常被其他峰覆蓋,所以很少有研究水的彎曲振動(dòng)區(qū)域。而在PP體系中,水的彎曲振動(dòng)區(qū)域并沒有和PP本身的吸收區(qū)域相沖突,我們發(fā)現(xiàn)圖4中雖然水的彎曲振動(dòng)的強(qiáng)度不是很大,但是峰卻相對(duì)來說非常獨(dú)立,所以我們想對(duì)PP中水的彎曲振動(dòng)區(qū)域(圖5)進(jìn)行研究。圖5是滲透過程中,ATR晶體檢測(cè)到的一系列不同時(shí)間段下的水和s-PP混合物的紅外譜圖。經(jīng)過二維相關(guān)分析,二維異步譜圖列于圖6。圖中出現(xiàn)的兩個(gè)相關(guān)峰Ψ(1676/1645cm-1),Ψ(1645/1592cm-1)說明一共有3種形態(tài)的水分子擴(kuò)散進(jìn)PP網(wǎng)絡(luò),其出峰位置分別在1676、1645、1592cm-1。和水的伸縮振動(dòng)不同,在水的彎曲振動(dòng)區(qū)域,隨著氫鍵的增強(qiáng),O—H彎曲振動(dòng)峰位發(fā)生藍(lán)移。因此,我們可以認(rèn)定這3種形態(tài)的水中,1676cm-1是指相互間氫鍵最強(qiáng)的結(jié)合水;1645cm-1是指氫鍵相對(duì)來說較弱的結(jié)合水;而1592cm-1是氫鍵作用最弱的水分子,我們簡(jiǎn)單稱之為“自由水”。根據(jù)Noda的理論,正相關(guān)峰Ψ(1645/1592cm-1)的出現(xiàn)說明中等強(qiáng)度結(jié)合水的擴(kuò)散速度比自由水快;而負(fù)相關(guān)峰Ψ(1676/1645cm-1)的出現(xiàn)說明氫鍵最強(qiáng)的結(jié)合水的擴(kuò)散速度比中等強(qiáng)度的結(jié)合水要慢。另外,根據(jù)圖中顯示的1676cm-1與1592cm-1峰的相互關(guān)系,發(fā)現(xiàn)1592cm-1的擴(kuò)散速度小于1676cm-1。也就是說,3種狀態(tài)的水分子中,中等強(qiáng)度的結(jié)合水?dāng)U散速度最快,而自由水的擴(kuò)散速度最慢。根據(jù)已有文獻(xiàn),純水中幾乎所有的水分子都以氫鍵結(jié)合水的形式存在。所以在我們的體系中,結(jié)合水最先擴(kuò)散進(jìn)PP網(wǎng)絡(luò)體系。由于體積的關(guān)系,氫鍵最強(qiáng)的結(jié)合水的擴(kuò)散速度肯定小于中等強(qiáng)度的結(jié)合水。由于s-PP膜是一個(gè)完全疏水的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),隨著擴(kuò)散進(jìn)膜中的水分子含量的增多,越來越多的水分子被局限在s-PP的網(wǎng)絡(luò)體系中無法自由的運(yùn)動(dòng)。為了繼續(xù)擴(kuò)散,有些水分子的氫鍵就必須解離以減弱水分子之間的相互作用力。因此,在擴(kuò)散后期,氫鍵作用被不斷削弱,結(jié)合水被迫解離成“自由水”,最后達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡。因此,ATR晶面先檢測(cè)到的是結(jié)合水,最后才是“自由水”。(2)聚酰胺的結(jié)構(gòu)表征例子:2DFTNIR研究溫度對(duì)無定型聚酰胺的影響聚酰胺和聚氨酯中的氫鍵是很多IR光譜研究的熱點(diǎn)。雖然對(duì)聚酰胺中的氫鍵研究大多數(shù)集中在中紅外區(qū)域(4000—400cm-1),但是近紅外光譜(12500—4000cm-1)目前被證明是一個(gè)非常有效的研究帶氨基基團(tuán)的氫鍵作用的手段。因?yàn)樵谥屑t外區(qū)域,自由的N—H伸縮振動(dòng)強(qiáng)度(ν(NHf))非常弱,并且經(jīng)常被有氫鍵相互作用的N—H伸縮振動(dòng)(ν(NHb))峰覆蓋。而在近紅外區(qū)域,ν(NHf)峰和ν(NHb)峰分得很清楚,這樣就可以較為精確的估計(jì)ν(NHf)峰的強(qiáng)度。圖7是一系列無定型聚酰胺的FTNIR變溫譜圖,溫度范圍從25℃到200℃。圖中發(fā)現(xiàn)ν(CH)振動(dòng)峰隨溫度的變化比較小,而在6300—6800cm-1區(qū)域的有關(guān)酰胺峰的強(qiáng)度和形態(tài)則有劇烈的變化。25℃時(shí),波譜在6535cm-1處出現(xiàn)一個(gè)寬峰,而6765cm-1峰則相對(duì)較弱。其中6765cm-1峰是ν(NHf)的一階倍頻峰。隨著溫度的上升,6765cm-1峰位沒有變化,但是強(qiáng)度急劇增加,說明自由的NH基團(tuán)比例的增大。6535cm-1峰位偏往更高的頻率,強(qiáng)度下降,而6650cm-1峰的強(qiáng)度有少量增加。因此,我們把6535cm-1峰歸屬為ν(NHb)的一階倍頻峰。圖8是一系列溫度范圍下得到的無定型聚酰胺的二維譜圖。圖8(A)中自相關(guān)峰6765cm-1峰的出現(xiàn)說明ν(NHf)的一階倍頻峰對(duì)溫度非常敏感。而負(fù)的相關(guān)峰(6535/6765cm-1)和(6250/6765cm-1)的出現(xiàn)說明隨著溫度的升高,ν(NHb)倍頻振動(dòng)和ν(NH)+ν(CH)的振動(dòng)(6250cm-1)的強(qiáng)度降低。圖8(B)中相關(guān)峰(6535/6765cm-1)的出現(xiàn)說明帶氫鍵的NH基團(tuán)的減少和自由的NH基團(tuán)的增加是不同步的,帶氫鍵的NH基團(tuán)的峰強(qiáng)減弱比自由的NH基團(tuán)的峰強(qiáng)增大要快。而這個(gè)相關(guān)峰的不對(duì)稱性說明還可能存在6650cm-1峰,這個(gè)峰可能是具有弱氫鍵相互作用的酰胺基團(tuán)的ν(NHb)倍頻振動(dòng)。這個(gè)結(jié)果說明在升溫過程中,分子間的氫鍵作用逐漸減弱。同時(shí),(6740/6780cm-1)相關(guān)峰的出現(xiàn)說明6765cm-1(2*ν(NHf))有兩個(gè)來源,而且6780cm-1峰強(qiáng)對(duì)溫度的響應(yīng)速度快于6740cm-1峰。6740和6780cm-1兩個(gè)峰可能分別來自一個(gè)端基自由的NH基團(tuán)和完全自由的NH基團(tuán)。圖9是C—H振動(dòng)區(qū)域的二維譜圖。圖9(A)中在6010、5980、5900、5810和5690cm-1處都出現(xiàn)了自相關(guān)峰。其中,前三個(gè)峰屬于芳香族C—H振動(dòng)(ν(CH))的一階倍頻峰,后兩個(gè)分別是CH2反對(duì)稱和對(duì)稱伸縮振動(dòng)(νas(CH2)和νs(CH2))的一階倍頻峰。結(jié)合圖7,負(fù)相關(guān)峰(5810/5690cm-1)的出現(xiàn)說明隨著溫度的升高,5810cm-1峰強(qiáng)逐步下降,而5690cm-1峰強(qiáng)有少許增強(qiáng)。根據(jù)文獻(xiàn),5810cm-1具體歸屬為以一種高度耦合形式存在的聚酰胺的ν(CH2)倍頻振動(dòng)。在圖9(B)異步譜中出現(xiàn)的(5810/5690cm-1)相關(guān)峰說明5810cm-1(高度耦合)的變化比5690cm-1(耦合程度較低)要快。同時(shí),從同步譜中得到的(5900/6010cm-1)和(5980/6010cm-1)說明熱擾動(dòng)導(dǎo)致的6010cm-1峰的變化方向和另兩個(gè)峰相反。另外,這三個(gè)峰在異步譜圖中形成的相關(guān)峰說明6010cm-1峰相對(duì)于5900和5980cm-1兩個(gè)峰來說,在更低的溫度就發(fā)生變化。而6010cm-1和5810cm-1之間強(qiáng)烈的同步關(guān)系,同時(shí)沒有異步峰的出現(xiàn),說明這兩個(gè)峰是同源的。圖10把N—H振動(dòng)區(qū)域和C—H振動(dòng)區(qū)域關(guān)聯(lián)起來看相互間的關(guān)系。值得一提的是,在異步譜圖中,6535cm-1峰變化比5980、5900、5690cm-1要快,而所有的C—H振動(dòng)都比6765cm-1快。5810、6010和6535cm-1之間沒有出現(xiàn)異步峰,說明這三個(gè)峰都來自耦合程度較高的聚酰胺?？偟膩碚f,自由的和有氫鍵作用的NH基團(tuán)之間的異步關(guān)系揭示了無定型聚酰胺樣品中,不同氫鍵狀態(tài)的存在及其分裂是一個(gè)非常復(fù)雜的機(jī)理;6740和6780cm-1相關(guān)峰的存在說明自由NH基團(tuán)的特征峰有兩個(gè)不同的來源;而在C—H振動(dòng)區(qū)域,5810cm-1(脂肪族)和6010cm-1(芳香族)兩個(gè)峰對(duì)溫度很敏感。(3)光降解產(chǎn)物的檢測(cè)例子:2DRaman光譜研究β-胡蘿卜素的非氧化性的光降解行為眾所周知,β-胡蘿卜素在光和氧的作用下很容易發(fā)生迅速降解。而我們還知道,即使沒有氧氣存在,β-胡蘿卜素也很容易發(fā)生降解反應(yīng)。這一特性,使得β-胡蘿卜素是一個(gè)十分有用的生物相容性的保護(hù)材料。而Raman光譜被廣泛地應(yīng)用于研究β-胡蘿卜素或其他相關(guān)物質(zhì)上,主要因?yàn)棣?胡蘿卜素具有非常強(qiáng)的Raman散射性。所以,這個(gè)工作中,2DRaman相關(guān)光譜被用于研究非氧化性的β-胡蘿卜素的光降解行為。圖11是在無氧條件下,對(duì)β-胡蘿卜素進(jìn)行光降解得到的一系列不同時(shí)間段的Raman譜圖,采集時(shí)間分別為0、1、2、5、6、7、8、13天。圖12就是對(duì)圖11中一系列時(shí)間分辨的Raman光譜進(jìn)行二維相關(guān)分析,得到的二維同步譜圖。在譜上,出現(xiàn)了一個(gè)獨(dú)立的自相關(guān)峰1537cm-1。1537cm-1峰代表的究竟是什么物質(zhì),現(xiàn)在還沒有完全定論,只知道這個(gè)峰和β-胡蘿卜素的一些順式異構(gòu)體有關(guān)。然而非常有趣的就是在氧氣存在的情況下研究β-胡蘿卜素的降解行為時(shí),1537cm-1峰強(qiáng)沒有明顯增加。由此證明,1537cm-1峰嚴(yán)格來說就是光降解得到的產(chǎn)物,圖13中可以更加明顯地得到這個(gè)結(jié)論。圖13是對(duì)圖12在1550—1500cm-1區(qū)域的局部放大圖。圖中,1520cm-1和1522cm-1兩個(gè)峰都和1537cm-1峰形成負(fù)相關(guān)峰。1520cm-1和1522cm-1兩個(gè)峰歸屬為β-胡蘿卜素的共軛結(jié)構(gòu)的伸縮振動(dòng)。伴隨著光降解反應(yīng)的進(jìn)行,這兩個(gè)峰的峰強(qiáng)都開始下降,而1537cm-1峰峰強(qiáng)卻開始上升,說明1537cm-1峰正是光降解反應(yīng)的產(chǎn)物。圖14是β-胡蘿卜素在光降解反應(yīng)中得到的二維異步譜圖。相關(guān)峰Ψ(1537/1522cm-1)Ψ(1537/1520cm-1)的出現(xiàn)說明β-胡蘿卜素構(gòu)象的消失和降解產(chǎn)物的出現(xiàn)準(zhǔn)確來說,存在一定的異步關(guān)系。也就是說,并不能簡(jiǎn)單地認(rèn)為β-胡蘿卜素降解的同時(shí)生成了新的特征峰位于1537cm-1的降解產(chǎn)物。相反,負(fù)相關(guān)峰Ψ(1537/1522cm-1)Ψ(1537/1520cm-1)說明在1522、1520cm-1兩個(gè)峰完全消失前,1537cm-1峰已經(jīng)出現(xiàn)了。β-胡蘿卜素的進(jìn)一步降解還生成了其他物質(zhì),而這些物質(zhì)的特征峰并不在1537cm-1的位置。為了進(jìn)一步找出其他的降解產(chǎn)物,1550—1500cm-1和1170—1120cm-1的同步相關(guān)區(qū)域被放大,如圖15所示。同步負(fù)相關(guān)峰Φ(1522/1133cm-1)和同步正相關(guān)峰Φ(1537/1133cm-1)的出現(xiàn)說明1133cm-1也是一個(gè)降解產(chǎn)物的特征峰。而在異步圖中沒有出現(xiàn)相應(yīng)的異步峰,說明1133cm-1峰和1537cm-1峰是同時(shí)出現(xiàn)的。綜上所述,2DRaman相關(guān)光譜被應(yīng)用在研究β-胡蘿卜素的無氧光降解行為上,并得到了一些非常有趣的結(jié)論。二維光譜證實(shí),在無氧條件下,β-胡蘿卜素光降解產(chǎn)物較為復(fù)雜,在反應(yīng)的早期就生成特征峰位于1537cm-1的產(chǎn)物,并隨著降解反應(yīng)的進(jìn)行,還生成了其他產(chǎn)物。通過對(duì)不同波數(shù)范圍的一維譜圖進(jìn)行相關(guān)還發(fā)現(xiàn)的1133cm-1峰有可能和1537cm-1同源,但也有可能是和1537cm-1峰出現(xiàn)時(shí)間大致相同的不同的降解產(chǎn)物。(4)符合及在熒光和文獻(xiàn)作用下的應(yīng)用例子:2D相關(guān)技術(shù)研究馬的心臟肌血球素中色氨酸的熒光光譜色氨酸(Trp)的熒光光譜被廣泛用于研究蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)和構(gòu)象變化。用Trp熒光光譜研究蛋白質(zhì)的優(yōu)勢(shì)在于Trp是蛋白質(zhì)中固有的熒光團(tuán),因而可以避免因?yàn)槭褂闷渌饨绺蓴_而產(chǎn)生的副作用。雖然Trp熒光光譜非常有用,但由于Trp熒光對(duì)其在蛋白質(zhì)中位置的依賴性,所以熒光光譜又經(jīng)常顯得過于復(fù)雜而無法分析。例如馬的心臟肌血球素(HM)中就包含兩種Trp:一種處于第7位的較為親水,稱為W7;另一種處于第14位的則深深包埋在憎水性的蛋白質(zhì)主體中,稱為W14。由于Trp的熒光光譜對(duì)外界的極性非常敏感,因此相對(duì)于W14,W7熒光峰的峰位發(fā)生紅移。盡管如此,兩者的交疊現(xiàn)象仍很明顯,因此文中還應(yīng)用猝滅技術(shù)來輔助研究Trp的熒光光譜。文中應(yīng)用了碘離子(I-)和丙烯酰胺(AA)兩種猝滅劑。由于碘離子處于水相,所以較易親近W7,而較難和W14接觸,而丙烯酰胺則和兩者都能夠接觸。圖16是在猝滅劑存在時(shí)HM的熒光光譜,其中(A)為I-,(B)為AA。圖中虛線描繪的是水的Raman峰。隨著猝滅劑含量的增加,熒光強(qiáng)度不斷降低。比較兩個(gè)圖,我們發(fā)現(xiàn)AA的猝滅效率比I-高。這主要是AA因?yàn)槟軌蚪佑|到W7和W14,而I-卻無法滲入W14的區(qū)域。根據(jù)圖16(A)計(jì)算得出了二維同步和異步譜圖,列于圖17。同步圖中只發(fā)現(xiàn)在335nm處出現(xiàn)一個(gè)自相關(guān)峰。由于選用猝滅劑作為外擾,在猝滅劑濃度增加的情況下,兩種Trp的含量都有所降低,因此只出現(xiàn)一個(gè)自相關(guān)峰。而在異步譜圖中,出現(xiàn)了位于Ψ(322/348nm)的相關(guān)峰。我們把322nm峰歸屬為W14,348nm峰歸屬于W7。這個(gè)相關(guān)峰說明了二維相關(guān)光譜的高分辨率。同時(shí)根據(jù)Noda的理論,Ψ(322/348nm)還說明348nm峰比322nm峰先變化,這是因?yàn)樵贗-的作用下,W7比W14更容易發(fā)生猝滅。圖18顯示的是在AA作用下得到的二維同步和異步熒光光譜。和I-作用的情況相同,在圖18(A)上也只顯示一個(gè)自相關(guān)峰。然而從異步譜圖中則看不出任何相關(guān)峰的存在。這個(gè)結(jié)果也不奇怪,因?yàn)锳A能同時(shí)猝滅W7和W14,而且對(duì)W7和W14的猝滅速率不會(huì)有很大差別,因此異步譜圖中就看不見相關(guān)峰。另外,值得一提的是一維熒光譜圖中出現(xiàn)的水的Raman峰對(duì)二維熒光數(shù)據(jù)處理沒有任何影響。這主要是因?yàn)殁鐒┑募尤氩⒉挥绊慠aman峰的強(qiáng)度,而這也是二維熒光光譜技術(shù)的另一大優(yōu)勢(shì),因?yàn)樵趥鹘y(tǒng)的一維熒光光譜中,譜圖和容易受一些Raman峰的干擾。2.通過紅外譜圖檢測(cè)預(yù)聚反應(yīng)過程中的特征峰把兩種不同性質(zhì)的光譜進(jìn)行相關(guān)分析從而得到有用的信息并不是非常新的想法,但是卻非常難以實(shí)現(xiàn)。而在廣義二維相關(guān)技術(shù)問世以后,這個(gè)問題迎刃而解。上世紀(jì)90年代末期已出現(xiàn)用2DIR-NIR光譜研究尼龍12和核糖核酸酶A(ribonucleaseA)的相關(guān)報(bào)道,但是用二維異譜相關(guān)技術(shù)進(jìn)行的研究仍不是很多。本文中介紹的是用2DNIR-IR光譜研究bis(hydroxyethylterephalate)(BHET)的預(yù)聚過程。例子:2DNIR-IR光譜研究BHET的預(yù)聚過程實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)化學(xué)反應(yīng)無論對(duì)基礎(chǔ)理論研究還是工業(yè)研究來說都具有及其重要的意義。而各種各樣的光譜正日益被證明是在一在線監(jiān)測(cè)的有效手段。用ATR/FTIR和NIR光譜來實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)BHET在220、250和270℃時(shí)的預(yù)聚過程。將各個(gè)溫度下得到的一系列光譜用2DIR、2DNIR進(jìn)行相關(guān)分析,由此得到大量反應(yīng)過程中的有用信息,并根據(jù)2DNIR-IR相關(guān)分析的結(jié)果確認(rèn)了乙二醇(EG)在NIR光譜中特征峰的歸屬。圖19是BHET在250℃發(fā)生預(yù)聚反應(yīng)時(shí)原位測(cè)量得到的隨反應(yīng)時(shí)間變化的一系列ATR/FTIR譜圖。類似地,也得到了220℃和270℃溫度下的一系列紅外譜圖(沒有列出)。根據(jù)文獻(xiàn),峰的歸屬也標(biāo)于圖中。對(duì)220℃時(shí)測(cè)得的紅外譜圖做二維相關(guān)分析,得到的二維同步和異步譜圖中出現(xiàn)的1032cm-1峰做二維slice分析的結(jié)果列于圖20。從同步slice圖中,發(fā)現(xiàn)1032cm-1和880、861cm-1形成正相關(guān)峰,說明這三個(gè)峰很可能同源。與純EG的紅外譜圖(圖21)進(jìn)行比較后,發(fā)現(xiàn)這3個(gè)峰都是預(yù)聚反應(yīng)中產(chǎn)生的EG的特征峰。通過對(duì)預(yù)聚反應(yīng)的NIR光譜的分析,發(fā)現(xiàn)5830cm-1峰很可能也是EG的特征峰。由于EG在紅外譜中的特征峰已經(jīng)通過前面的分析得到確認(rèn),我們把NIR和IR譜圖相關(guān)分析,以尋求5830cm-1峰和1032cm-1和880,861cm-1峰的相互關(guān)系。在235℃下,用NIR和IR光譜同時(shí)監(jiān)測(cè)預(yù)聚反應(yīng)過程,得到的2DNIR-IR相關(guān)譜圖列于圖22中,圖A為同步譜圖,圖B為異步譜圖。其中IR的波數(shù)范圍在1060—800cm-1,NIR的波數(shù)范圍在6200—5500cm-1。同步譜圖中,5830cm-1峰和861、1030cm-1形成正相關(guān)峰,而在異步譜中,5830cm-1峰沒有和這兩個(gè)峰相關(guān),這足以證明5830cm-1峰和861、1030cm-1峰同源,都?xì)w屬為EG的特征峰。三、廣義二維相關(guān)譜圖隨著越來越多相關(guān)研究人員的介入和發(fā)展,二維光譜技術(shù)的概念在近幾年中早已不僅僅局限于二維相關(guān)分析和紅外、拉曼、熒光等光譜的結(jié)合。本世紀(jì)初,廣義二維相關(guān)光譜在應(yīng)用光譜上出現(xiàn)了兩個(gè)新的進(jìn)展。2002年,Izawa等報(bào)道了二維GPC技術(shù),并將之應(yīng)用于溶膠凝膠(sol-gel)的聚合反應(yīng)動(dòng)力學(xué)的研究。而Kim等把二維相關(guān)分析技術(shù)應(yīng)用到了X射線衍射譜上,來研究電化學(xué)反應(yīng)的機(jī)理。同時(shí),Kim充分利用二維異譜相關(guān)技術(shù)的優(yōu)勢(shì),把X射線衍射譜和拉曼散射譜進(jìn)行相關(guān)來確認(rèn)一些峰的歸屬。他們的工作,總的來說讓我們更加深切地體會(huì)到廣義二維相關(guān)光譜的廣泛適用性。四、有關(guān)二維成像技術(shù)的擴(kuò)展和發(fā)展本世紀(jì)初廣義二維相關(guān)光譜的理論得到了進(jìn)一步的發(fā)展,由此衍生出了新的二維相關(guān)分析方法。1.基于二維相關(guān)分析的二維景譜分析技術(shù)我們知道,得到一張傳統(tǒng)的廣義二維相關(guān)光譜譜圖的基本流程如圖1所示。從二維同步和異步譜圖上得到的不同波數(shù)的光譜強(qiáng)度的變化程度及其相互順序,我們可以分析得到應(yīng)用的外擾對(duì)所研究的體系的作用,由此來具體化地研究體系的結(jié)構(gòu)/構(gòu)象變化和反應(yīng)機(jī)理等問題。這種二維相關(guān)分析技術(shù)可以用術(shù)語“二維變量-變量相關(guān)技術(shù)(2Dvariable-variablecorrelationanalysis)”來表示。但是,如果換種角度思考,發(fā)現(xiàn)二維相關(guān)光譜,無論是同步還是異步光譜,都可以看作是相關(guān)積的矩陣(cross-productmatrices)。另外,廣義二維相關(guān)光譜技術(shù)和主成分分析法(principalcomponentanalysis)有一定的相似性。基于以上理論,Ozaki等人進(jìn)一步深入探討廣義二維相關(guān)光譜技術(shù)的本質(zhì),提出了“二維樣品-樣品相關(guān)技術(shù)(2Dsample-samplecorrelationanalysis)”的概念。通常的二維光譜以波數(shù)作x和y軸坐標(biāo),對(duì)不同峰之間的相互關(guān)系進(jìn)行討論,而樣品-樣品相關(guān)的二維技術(shù)則以任意變量為坐標(biāo)(例如溫度、時(shí)間、濃度、壓力等),由此直接得到體系濃度的信息。兩種二維分析技術(shù)的區(qū)別,可以用下圖(圖23)概括。為了從二維樣品-樣品相關(guān)譜圖上得到有效的信息,并且能直接和二維變量-變量相關(guān)技術(shù)(2Dvariable-variablecorrelationanalysis)譜圖得到的信息相聯(lián)系和比較。通常,先把原始的一系列一維譜圖進(jìn)行預(yù)處理,然后進(jìn)行樣品-樣品二維相關(guān)分析,得到樣品-樣品二維相關(guān)分析的同步和異步譜圖。與變量-變量二維相關(guān)分析得到的結(jié)果相比較,發(fā)現(xiàn)二維樣品-樣品相關(guān)的同步譜圖體現(xiàn)的就是光譜對(duì)外擾響應(yīng)的結(jié)果,而樣品-樣品二維相關(guān)的異步譜圖體現(xiàn)的就是光譜強(qiáng)度變化的不同速率。然而,樣品-樣品二維相關(guān)技術(shù)的表示手法更為直接,更容易讓人接受。為了驗(yàn)證二維樣品-樣品相關(guān)分析技術(shù)的廣泛適用性,Ozaki等人用樣品-樣品相關(guān)技術(shù)來研究溫敏性油酸(oleicacid)的NIR光譜(圖24)。在大量的光譜和物化實(shí)驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上,Iwahashi等人發(fā)現(xiàn)溫敏性的油酸有3種液體結(jié)構(gòu):從熔點(diǎn)(15℃)到30℃,油酸是一種準(zhǔn)近晶型的液晶結(jié)構(gòu),30℃到55℃,規(guī)整度下降,是一種接近無序的結(jié)構(gòu),55℃以上,則呈各向同性的結(jié)構(gòu)。而通過樣品-樣品二維相關(guān)技術(shù),從譜圖中(見圖25)同樣得到了兩處溫度的突變點(diǎn),32℃和55℃,這不僅從一個(gè)新的角度證明了溫敏性油酸兩次相變和三種結(jié)構(gòu)的存在,也證明了樣品-樣品相關(guān)分析技術(shù)的有效性。2.廣義二維相關(guān)譜圖技術(shù)目前,我們所說的任何二維振動(dòng)光譜都是針對(duì)同一個(gè)體系,在同一個(gè)外擾作用下得到的。然而我們知道,有很多情況下,是有兩個(gè)或兩個(gè)以上的變量同時(shí)作用于所要研究的體系,例如在一個(gè)升溫的反應(yīng)過程中,時(shí)間(t)和溫度(T)兩個(gè)變量就同時(shí)發(fā)生變化。兩種不同的變量可能會(huì)對(duì)體系產(chǎn)生相同的作用,而研究?jī)煞N外擾對(duì)體系的協(xié)同作用又會(huì)是非常有趣的課題。但是如何用二維光譜