在分析化学领域, 红外光谱法是一种惯用的分析化合物分子结构的办法, 常用来确定化合物分子的官能团和氢键结合等结构特征, 也可以对比未知物和标准物质的红外光谱确定未知物的分子^{[6, 7, 8]}。复杂体系的红外光谱由不同简单组分的红外光谱组合而成, 也有研究者将这种现象称为具有一定含量的具有特殊结构的吸收峰出现在复杂体系谱中, 但这种成份的含量会对特征峰的强度和数量产生影响^{[9, 10]}。对低含量组分的鉴定过程, 一般先对光谱增强分辨率, 再利用化学计量学方法展开后续操作以获得更好的测量效果^[11]。

二维相关光谱的前身是NMR光谱, 其原始的产生是通过逐渐变大的脉冲序列的某一时间的间隔, 对自旋核进行激发, 进而拥有频域-频域二维NMR谱, 成功的将光谱信号从单维扩展到二维, 使得光谱的分辨率得以提高。1989年广义二维相关分析光谱的概念被提出, 其工作机理是将外加扰动添加在样品上, 得到相关的光谱^{[12, 13]}, 工作流程如图1所示。

图1

Figure 1

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图1 二维相关光谱产生过程Figure 1 Generation process of two-dimensional correlation spectrum

假设由外扰引起的外扰变量t在 Tmax和 Tmin间变化时光谱的强度为y(v, t), 其外扰变量t可以是时间、浓度、压力和温度等。变量v可以是量化参数, 例如红外、近红外、紫外等。动态光谱如式(1)所示:

y-(v)=1Tmax-Tmin∫TminTmaxy(v, t)dt(1)

式(1)中 y¯为参比光谱, 一般使用式(2)所示的光谱的平均值作为参比光谱:

y-(v)=1Tmax-Tmin∫TminTmaxy(v, t)dt(2)

样品的测量过程如有扰动的产生, 样品的结果和状态就会变化, 光谱也会发生相应的变化, 该变化就是动态光谱^[14]。动态光谱可以组成一个个独立的矩阵, 对其进行计算即可得到同步谱和异步谱。其中同步谱中对角线上的切片谱称为功率谱^{[15, 16]}。当光谱中的一个吸收峰的强度发生巨大的变化时, 功率谱中对应的峰位就会有正值的自相关峰出现和产生, 在扰动的过程中, 峰强度改变的程度会影响其他很多参数, 程度越大, 自相关峰越强。但一个峰的峰强度并不随着外界的扰动而改变, 不会有自相关峰的出现。同步谱中关于对角线对称的峰被称为交叉峰, 交叉峰表示的是在扰动下不同变量处的光谱信号的相似性变化^{[17, 18, 19]}。总之, 不难发现二维相关谱有三个优点:(1)提高光谱的分辨率。二维相关谱可以检测到一维谱中难以检测到的信息; (2)分析分子间和分子内的相互关系。利用二维相关谱可以得到峰强度随扰动的方向和阶数, 进而得到特征峰对应的群关系; (3)解决吸收峰属于未知光谱的问题。利用二维相关谱分析不同光谱区域或不同光谱之间的二维相关性, 将不同光谱的特征峰联系起来, 研究未知光谱的吸收峰归属问题^{[20, 21]}。

随着人们对自己的体重要求变的越来越高, 中成药、保健品类减重产品因其成分天然、效果温和、副作用较小受到追捧, 但一些中成药、保健品类减重产品的生产厂家, 为了加快疗效, 谋求高额利益, 在其产品中添加违禁成份。麻黄碱就是生产厂家常在药和保健品中添加的一种生物碱, 常被用于治疗哮喘类疾病, 也可以作用于中枢神经, 增加人体对热量的消耗, 对体重可以产生一定的影响。但是该成分有很多副作用, 长期使用会对人类的健康造成较大危害。我国禁止麻黄碱在控制体重类产品中使用已达十年之久。本研究将二维相关光谱和化学计量法结合, 用于鉴别减肥类产品中含量为1%~5%的麻黄碱^{[22, 23]}。

实验材料:盐酸麻黄碱, 盐酸伪麻黄碱, 纯度为99.8%的溴化钾, 10种中药均为保健类控制体重产品样本。

实验仪器采用傅里叶变换红外光谱仪和电子天平。

实验1样品制备:将5 mg麻黄碱171241-201809和95 mg的基质混合, 得到质量分数为5%的样品, 将10 mg麻黄碱171237-201510和90 mg的基质混合, 得到质量分数为10%的样品, 以此类推分别配置质量分数为10%、9%、8%、7%、6%、5%、4%、3%、2%、1%的样品。将5 mg伪麻黄碱和95 mg的基质混合, 得到质量分数为5%的样品, 将10 mg伪麻黄碱和90 mg基质混合, 得到质量分数为10%的样品, 以此类推分别配置质量分数为10%、9%、8%、7%、6%、5%、4%、3%、2%、1%的样品。将麻黄碱和伪麻黄碱与基质混合制备含量为10%、5%、1%的样品。

实验2样品制备:将5 mg麻黄碱和95 mg的基质混合, 得到质量分数为5%的样品, 以此递减类推分别配置质量分数为5%、4.5%、4%、3.5%、3%、2.5%、2%、1.5%、1%、0%的样品。将5 mg伪麻黄碱和95 mg基质混合, 得到质量分数为5%的样品, 以此递减类推分别配置质量分数为5%、4.5%、4%、3.5%、3%、2.5%、2%、1.5%、1%、0的样品。将麻黄碱和伪麻黄碱与基质混合均匀制备质量分数为5%、4.5%、4%、3.5%、3%、2.5%、2%、1.5%、1%、0的混合样品。

取(1~2) mg的麻黄碱和伪麻黄碱与200 mg溴化钾研磨混匀, 压成厚度约(1~2) mm的样品薄片。将薄片放入可以测定红外光谱的测定槽中, 对样品进行红外光谱的测定。然后利用数据处理工具对测定的光谱图进行数学处理, 然后使用数学处理后的光谱图进行二维相关分析, 获取相关谱图。

图2(a)、(b)和(c)分别为麻黄碱、伪麻黄碱及麻黄碱与伪麻黄碱混合物的一维红外光光谱分析结果。

图2

Figure 2

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图2 麻黄碱、伪麻黄碱、麻黄碱与伪麻黄碱混合物的一维红外光光谱分析结果Figure 2 Schematic diagram of one-dimensional infrared spectrum analysis

由图2可见, 在其他物质中掺加较少量的麻黄碱或伪麻黄碱时, 麻黄碱或伪麻黄碱中的特征峰会被其他物质的峰掩盖。从图2可以看出, 质量分数为5%、10%的麻黄碱样品, 虽然不同物质的吸收度不同, 但随着样品浓度的不断提高, 吸收峰变的不清晰, 特征峰峰形不明显, 图谱的分辨率降低, 样品浓度的变化会在一定程度上对图谱的分辨率造成影响, 使得少量的麻黄碱或伪麻黄碱较难被简单的一维红外光谱鉴定出来。

图3是麻黄碱、伪麻黄碱及麻黄碱与伪麻黄碱混合物的二维相关功率谱。

图3

Figure 3

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图3 麻黄碱、伪麻黄碱、麻黄碱与伪麻黄碱混合物的二维相关功率谱分析Figure 3 Schematic diagram of two-dimensional correlation power spectrum analysis

由图3可以看出, 经过二维相关功率谱处理后, 麻黄碱样品薄片及伪麻黄碱样品薄片中, 捕捉到其相应的特征峰, 解决了重叠峰分析问题, 为药物领域的快速检测提供了新的解决方案。