1 前言

    紅外光譜是分析化合物結(jié)構(gòu)的重要手段。常規(guī)的透射法使用壓片或涂膜進(jìn)行測(cè)量，對(duì)某些特殊樣品( 如難溶、難熔、難粉碎等的試樣) 的測(cè)試存在困難。為克服其不足，20 世紀(jì)60 年代初出現(xiàn)了衰減全反射( Attenuated Total Refraction ，ATR) 紅外附件，但由于受當(dāng)時(shí)色散型紅外光譜儀性能的限制，ATR 技術(shù)的應(yīng)用研究領(lǐng)域比較局限。80 年代初將ATR 技術(shù)開(kāi)始應(yīng)用到傅里葉變換紅外光譜儀上，產(chǎn)生了傅里葉變換衰減全反射紅外光譜儀( Attenuated Total internal Reflectance Fourier Transform Infraredspectroscopy，簡(jiǎn)稱ATR-FTIR) 。ATR 的應(yīng)用極大地簡(jiǎn)了一些特殊樣品的測(cè)試，使微區(qū)成分的分析變得方便而快捷，檢測(cè)靈敏度可達(dá)10-9g 數(shù)量級(jí)，測(cè)量顯微區(qū)直徑達(dá)數(shù)微米。

    ATR 附件基于光內(nèi)反射原理而設(shè)計(jì)。從光源發(fā)出的紅外光經(jīng)過(guò)折射率大的晶體再投射到折射率小的試樣表面上，當(dāng)入射角大于臨界角時(shí)，入射光線就會(huì)產(chǎn)生全反射。事實(shí)上紅外光并不是全部被反射回來(lái)，而是穿透到試樣表面內(nèi)一定深度后再返回表面。在該過(guò)程中，試樣在入射光頻率區(qū)域內(nèi)有選擇吸收，反射光強(qiáng)度發(fā)生減弱，產(chǎn)生與透射吸收相類似的譜圖，從而獲得樣品表層化學(xué)成份的結(jié)構(gòu)信息。

    ATR-FTIR 通過(guò)樣品表面的反射信號(hào)獲得樣品表層有機(jī)成分的結(jié)構(gòu)信息，它具有以下特點(diǎn):  (1) 制樣簡(jiǎn)單，無(wú)破壞性，對(duì)樣品的大小、形狀、含水量沒(méi)有特殊要求; (2) 可以實(shí)現(xiàn)原位測(cè)試、實(shí)時(shí)跟蹤;(3) 檢測(cè)靈敏度高，測(cè)量區(qū)域小，檢測(cè)點(diǎn)可為數(shù)微米;(4) 能得到測(cè)量位置處物質(zhì)分子的結(jié)構(gòu)信息、某化合物或官能團(tuán)空間分布的紅外光譜圖像微區(qū)的可見(jiàn)顯微圖象;(5) 能進(jìn)行紅外光譜數(shù)據(jù)庫(kù)檢索以及化學(xué)官能團(tuán)輔助分析，確定物資的種類和性質(zhì); (6) 在常規(guī)FTIR 上配置ATR 附件即可實(shí)現(xiàn)測(cè)量，儀器價(jià)格相對(duì)低廉，操作簡(jiǎn)便。

    近年來(lái)，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，ATR 實(shí)現(xiàn)了非均勻、表面凹凸、彎曲樣品的微區(qū)無(wú)損測(cè)定，可以獲得官能團(tuán)和化合物在微分空間分布的紅外光譜圖像。

    總之，ATR-FTIR 作為紅外光譜法的重要實(shí)驗(yàn)方法之一，克服了傳統(tǒng)透射法測(cè)試的不足，簡(jiǎn)化了樣品的制作和處理過(guò)程，極大地?cái)U(kuò)展了紅外光譜的應(yīng)用范圍。它已成為分析物質(zhì)表面結(jié)構(gòu)的一種有力工具和手段，在多個(gè)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。

2 ATR-FTIR 的基本原理

2. 1 衰減全反射(ATR)的原理

    常規(guī)的透射式紅外光譜以透過(guò)樣品的干涉輻射所攜帶的物質(zhì)信息來(lái)分析該物質(zhì)，要求樣品的紅外線通透性好。但很多物質(zhì)如纖維橡膠等都是不透明的，難以用透射式紅外光譜來(lái)測(cè)量，另外有時(shí)人們對(duì)分析物表面感興趣，在這些情況下，紅外反射就成為有力的分析工具。

    反射光譜包括內(nèi)反射光譜、鏡反射光譜和漫反射光譜，其中以內(nèi)反射光譜技術(shù)( Internal Reflection Spectroscopy) 應(yīng)用為多［7］。內(nèi)反射光譜也叫衰減全反射( ATR)光譜，簡(jiǎn)稱ATR 譜，它以光輻射兩種介質(zhì)的界面發(fā)生全內(nèi)反射為基礎(chǔ)。如圖1 所示，當(dāng)滿足條件: 介質(zhì)1( 反射元件) 的折射率n1大于介質(zhì)2 ( 樣品) 的折射率n2，即從光密介質(zhì)進(jìn)入光疏介質(zhì)，并且入射角θ 大于臨界角θc( sinθc = n2 /n1) 時(shí)，就會(huì)發(fā)生全反射［3］。

    由于絕大多數(shù)有機(jī)物的折射率在1. 5 以下，因此根據(jù)n1 ＞ n2要求，要獲得衰減全反射譜需要試樣折射率大于1. 5 的紅外透過(guò)晶體，常用的ATR 晶體材料有: KSR-5、鍺( Ge) 、氯化銀( AgCl) 、溴化銀( AgBr) 、硅( Si) 等［8］，尤以前兩種應(yīng)用zui多。KRS-5是一種混晶，有毒。通常將ATR 晶體做成菱形體，樣品可以放到晶體的兩個(gè)較大的側(cè)面上。晶體的幾何尺寸受到全反射次數(shù)和光譜儀光源光斑大小的約束。

    如果在入射輻射的頻率范圍內(nèi)有樣品的吸收區(qū)，則部分入射輻射被吸收，在反射輻射中相應(yīng)頻率的部分形成吸收帶，這就是ATR譜。

    實(shí)際上，紅外輻射被樣品表面反射時(shí)，是穿透了樣品表面一定深度后才反射出去的。根據(jù)麥克斯韋理論，當(dāng)一紅外束進(jìn)入樣品表面后，輻射波的電場(chǎng)強(qiáng)度衰減至表面處的1 /e 時(shí)，該紅外束穿透的距離被定義為穿透深度dp，即

式中: λ1為紅外輻射在反射介質(zhì)中的波長(zhǎng); θ 為入射角; n1、n2分別為晶體材料和試樣的折射率。

    由式(1) 可知，穿透深度dp與光束的波長(zhǎng)、反射材料和樣品的折射率及入射角三個(gè)因素影響。常用中紅外輻射波長(zhǎng)在2. 5 ～ 25μm( 4000 ～ 400cm － 1 ) 之間，dp與λ1同數(shù)量級(jí)，這說(shuō)明ATR 譜僅能提供距界面微米級(jí)或更薄層的光譜信息，這也是ATR 技術(shù)廣泛用于薄層和界面吸附層研究的一個(gè)重要原因。dp與λ1成正比。不同波長(zhǎng)的IR 光透入樣品層的深度不同，在長(zhǎng)波時(shí)穿透深度大，因此，ATR 譜在不同波數(shù)區(qū)間靈敏度也不相同。在長(zhǎng)波處吸收峰因透入深度大而使峰強(qiáng)增大，在短波處吸收峰較弱，這是ATR 譜與透射譜的主要區(qū)別，也是ATR 譜在短波區(qū)域靈敏度低的原因。

    入射角與穿透深度的關(guān)系如圖2。當(dāng)光束在棱鏡與樣品的接口上的入射角非常接近臨界角時(shí)，穿透深度將極迅速地增大，而在入射角遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于臨界角時(shí)，穿透深度的變化則較緩慢。但當(dāng)小于臨界角時(shí)，幾乎所有能量都進(jìn)入樣品。

    另一與穿透深度有關(guān)的因素ATR 晶體反射面與樣品的接觸效果。盡可能使樣品與ATR 晶體的反射面嚴(yán)密接觸，提高接觸效率，是獲得高質(zhì)量ATR 譜的重要條件。

    經(jīng)過(guò)一次衰減全反射，光透入樣品深度有限，樣品對(duì)光吸收較少，因此光束能量變化也很小，所得光譜吸收帶弱，信噪比差。為了增強(qiáng)吸收峰強(qiáng)度，提高測(cè)試過(guò)程中的信噪比，現(xiàn)代ATR 附件多采用增加全反射次數(shù)使吸收譜帶增強(qiáng)，這就是所謂的多重衰減全反射。其方法如圖3 所示。紅外輻射束投射到一梯形反射元件上，經(jīng)過(guò)20 ～ 50 次全內(nèi)反射，因而在樣品中的總穿透深度大大增加，可以獲得令人滿意的譜圖。通常用下式來(lái)計(jì)算反射次數(shù)N，即

式中: l 為全反射晶體的長(zhǎng)度; d 為兩個(gè)反射面間的距離，θ 為入射角。

    全反射附件中使用ATR 晶體的長(zhǎng)度l 和面間距d 是固定的，而入射角θ 可在一定范圍內(nèi)變化。由式2 可知，減少入射角能夠增加全反射次數(shù)，使光束與樣品作用次數(shù)增加，也就加大了光程，因此可以提高信號(hào)測(cè)試強(qiáng)度。

2. 2 傅里葉變換紅外光譜法(FTIR)的原理

    20 世紀(jì)50 年代，商品紅外光譜儀問(wèn)世，它以棱鏡作色散元件，缺點(diǎn)是光學(xué)材料制造困難分辨率低且儀器要求嚴(yán)格恒溫恒濕。60 年代發(fā)展了以光柵作為色散元件的第二代紅外光譜儀，它彌補(bǔ)了棱鏡紅外光譜儀的缺點(diǎn)因此很快取代了它。70 年代出現(xiàn)了基于干涉調(diào)頻分光的傅里葉變換紅外光譜儀( 簡(jiǎn)稱傅里葉紅外光譜儀) ，使儀器性能得到很大提高［8］。

    傅里葉變換紅外光譜儀沒(méi)有色散元件，主要由光源( 硅碳棒、高壓汞燈) 、邁克爾遜干涉儀、試樣插入裝置、檢測(cè)器( DTGS 或MCT) 、計(jì)算機(jī)和記錄儀等部分組成，其工作原理如圖4 所示。

由紅外光源發(fā)出的紅外輻射經(jīng)準(zhǔn)直鏡準(zhǔn)直后變?yōu)槠叫屑t外光束進(jìn)入干涉儀，經(jīng)調(diào)制后得到一束干涉光; 該干涉光通過(guò)試樣后成為帶有試樣信息的的干涉光被檢測(cè)器檢測(cè)。檢測(cè)器將干涉光信號(hào)變?yōu)殡娦盘?hào)，由計(jì)算機(jī)采集，得到帶有試樣信息的時(shí)域干涉圖，即時(shí)域譜( time domain) 。時(shí)域譜難以辨認(rèn)，經(jīng)過(guò)計(jì)算機(jī)進(jìn)行傅里葉變換的快速計(jì)算，將其轉(zhuǎn)換成以透光率或吸收強(qiáng)度為縱坐標(biāo)，以波束為橫坐標(biāo)的紅外光譜圖，即頻域譜( frequency domain) 。

光譜圖的表達(dá)式( 干涉圖的傅里葉變換) :

式中: FT 為傅里葉積分變換縮寫，B(υ) 為復(fù)原光譜，它與真實(shí)輻射光譜B0(υ) 相差一個(gè)乘數(shù)因子RT。

    FTIR 的ATR 法與透射法相比，其差別主要是載樣系統(tǒng): ATR 法用到衰減全反射附件，透射法通常采用用的KBr 壓片，它們的光路圖比較如圖5 所示。因此只要在在FTIR上配置ATR 附件即可實(shí)現(xiàn)ATR 測(cè)試。傅里葉變換光譜法具有許多優(yōu)點(diǎn): (1) 具有多路傳輸和大光通量?jī)?yōu)勢(shì)，大大提高信噪比、分析速度和靈敏度;(2) 掃描速度快，在整個(gè)掃描時(shí)間內(nèi)同時(shí)測(cè)定所有頻率信息一般只需1s 左右，可測(cè)定不穩(wěn)定物質(zhì)的紅外光譜; (3) 具有很高的分辨率，通常可達(dá)0.1-0.005cm^-1，而一般色散型儀器分辨率只有1-0.2 cm^-1; (4) 其他優(yōu)點(diǎn)，如光譜范圍寬10000-10cm^-1，測(cè)量精度高，重復(fù)性可達(dá)0. 1%，雜散光干擾小，試樣不受因紅外聚焦而產(chǎn)生的熱效應(yīng)的影響等。

    鑒于傅里葉變換紅外光譜儀上述眾多優(yōu)點(diǎn)，它極大地提高了紅外的性能，目前它已經(jīng)成為紅外光譜儀的主導(dǎo)產(chǎn)品。

2.3 ATR-FTIR 制樣要求

    ATR 技術(shù)適用于測(cè)定固體和液體的吸收譜，對(duì)于固體樣品，要求被測(cè)面光滑，使之能與全反射晶體的反射面緊密接觸，因此不適合多孔樣品及表面粗糙的樣品的測(cè)定。測(cè)量時(shí)把全反射晶體裝入其固定座上，把樣品放在全反射晶體的反射面上，進(jìn)行測(cè)定。如果吸收峰太強(qiáng)，可采用單面放入樣品或調(diào)節(jié)入射角的方法來(lái)解決。

    對(duì)于一些能涂在全反射晶體反射面上的液體，可用一般測(cè)量固體樣品的ATR 附件，直接把液體涂在晶體反射面上進(jìn)行測(cè)定。但對(duì)于低沸點(diǎn)液體，或不能在全反射晶體的反射面上形成液層的高沸點(diǎn)液體，必須使用帶液體池的ATR 附件。應(yīng)用ATR 進(jìn)行液體的測(cè)定，其穿透深度容易控制，與透射法相比，更容易得到不產(chǎn)生飽和吸收的光譜圖。

    測(cè)試時(shí)要注意樣品與內(nèi)反射晶體之間不會(huì)由于接觸而產(chǎn)生某種反應(yīng)，或者其它影響測(cè)量精度的因素，即要注意測(cè)試樣品和反射晶體之間的匹配。對(duì)樣品的大小、形狀、狀態(tài)、含水量沒(méi)有特殊要求，屬于樣品表面無(wú)損測(cè)量。

2. 4 ATR-FTIR 的特點(diǎn)

與常規(guī)透射式FTIR 相比，ATR-FTIR 具有如下突出特點(diǎn):

(1) 紅外輻射通過(guò)穿透樣品與樣品發(fā)生相互作用而產(chǎn)生吸收，因此ATR 譜具有透射吸收譜的特性和形狀，因譜圖數(shù)據(jù)庫(kù)中多以透射譜形式出現(xiàn)，ATR 譜的這一特性使它便于與透射譜比較。但由于不同波數(shù)區(qū)間ATR 技術(shù)靈敏度不同，因此ATR 譜吸收峰相對(duì)強(qiáng)度與透射譜相比較并不*一致。

(2) 制樣簡(jiǎn)單，非破壞性，能夠保持樣品原貌進(jìn)行測(cè)定。常用的透射光譜，如KBr壓片法，對(duì)樣品研磨或擠壓可能改變樣品的微觀狀態(tài)。

(3) 可以實(shí)現(xiàn)原位、實(shí)時(shí)、無(wú)損測(cè)量。

(4) ATR 光譜法是一種表面取樣技術(shù)，所獲得的主要是樣品表面層的光譜信息，因此尤其適合觀測(cè)樣品表面的變化?？蓪⒆鳛楸容^的樣品放在參比光路中，待測(cè)樣品置于樣品光路中，調(diào)節(jié)兩光路，使樣品處于同樣條件下，則由這種配置所給出的兩紅外光譜的差減結(jié)果，即差示譜，將反映出待測(cè)樣品表面的各種微小變化。

(5) 由于ATR 方法中，紅外穿透深度隨幾個(gè)參數(shù)變化，因此可以調(diào)整它們，由表及里來(lái)檢測(cè)垂直于樣品表面的剖面內(nèi)不同深度處的狀態(tài)。這種不破壞樣品及可獲得表面不同深度處信息是ATR 法的獨(dú)到之處，對(duì)某些需要進(jìn)行表面處理的工業(yè)產(chǎn)品的檢測(cè)是一個(gè)有力的工具。

(6) IR 輻射的電場(chǎng)矢量在介質(zhì)界面上三個(gè)正交方向上的分量數(shù)值是不同的，它們與光線入射角和偏振方向有關(guān)?；诠獾碾娛噶糠较蚺c振動(dòng)偶極躍遷距方向相同時(shí)才能產(chǎn)生紅外吸收的原理，利用在不同入射角或偏振方向時(shí)測(cè)量ATR 譜，根據(jù)譜帶強(qiáng)度變化可以推測(cè)出與譜帶有關(guān)的躍遷距在ATR 晶體基板上的平均取向，由相應(yīng)結(jié)構(gòu)關(guān)系進(jìn)一步得到化學(xué)基團(tuán)的平均取向。

    ATR-FTIR 屬于紅外光譜范疇，具有一般常規(guī)FTIR 的大部分特點(diǎn)。同樣它也存在其他紅外光譜的一些不足，主要表現(xiàn)在: 定量分析不夠好，不適用于痕量組分的分析; 是一種間接分析技術(shù)，方法所用的校正模型依賴于標(biāo)準(zhǔn)方法建立的樣品數(shù)據(jù)庫(kù)的度和適用性?？茖W(xué)家們正在尋求解決這些問(wèn)題的方法，如采用對(duì)相關(guān)檢測(cè)器使用鎖定放大器的辦法提高儀器信噪比，意圖降低水及一些干擾組分的近紅外光譜吸收對(duì)樣品信號(hào)的干擾，從而大大降低檢測(cè)誤差。

3 ATR-FTIR 的應(yīng)用與進(jìn)展

    由于衰減全反射的上述特點(diǎn)，極大地?cái)U(kuò)大了紅外光譜技術(shù)的應(yīng)用范圍，使許多采用透射紅外光譜技術(shù)無(wú)法制樣，或者樣品制做過(guò)程十分復(fù)雜、難度大、而效果又不理想的實(shí)驗(yàn)成為可能，采用ATR-FTIR 可以獲得常規(guī)的透射紅外光譜所不能得到的檢測(cè)效果。目前它在食品藥品、化工輕工食品、環(huán)境、醫(yī)藥臨床、紡織印染、生命科學(xué)與醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域已得到廣泛應(yīng)用，表現(xiàn)出交叉互補(bǔ)的應(yīng)用趨勢(shì)。

3. 1 反應(yīng)動(dòng)力學(xué)及機(jī)理研究

ATR-FTIR 的一大優(yōu)點(diǎn)就是它可以原位測(cè)定、實(shí)時(shí)跟蹤，這對(duì)某些物質(zhì)的物理或化學(xué)變化動(dòng)力學(xué)過(guò)程及機(jī)理的研究非常有利［10］。Robson 等［11］用ATR-FTIR 光譜儀實(shí)時(shí)在線跟蹤單體濃度的變化，進(jìn)行異丁烯聚合反應(yīng)動(dòng)力學(xué)研究。Dunuwila 等［12］用ATRFTIR光譜原位跟蹤測(cè)量溶液的過(guò)飽和度、溶解度和亞穩(wěn)態(tài)，結(jié)果表明該法可行并具有較高的準(zhǔn)確度和度。邱江等［13］用ATR-FTIR 光譜在線跟蹤監(jiān)測(cè)糖化酶發(fā)酵過(guò)程，發(fā)現(xiàn)ATR-FTIR 光譜反映了培養(yǎng)過(guò)程中碳源和氫源的變化，可望用于工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程的常規(guī)監(jiān)測(cè)。John L． Provis 等［14］用ATR-FTIR 對(duì)飛塵地質(zhì)聚合物凝膠形成的早期階段進(jìn)行了原位研究，得到了詳細(xì)的動(dòng)力學(xué)信息。此外，也有不少研究者利用ATR-FTIR 實(shí)時(shí)原位研究光誘導(dǎo)非均相氧化反應(yīng)［15 － 18］，這些研究都表明ATR-FTIR 對(duì)表面吸附分子的分析非常靈敏，為機(jī)理研究提供強(qiáng)有力的工具。

3. 2 界面研究

    ATR光譜法是一種表面取樣技術(shù)，所獲得的主要是樣品表面層的光譜信息。采用透射法時(shí)，在基體中的光程與在涂層中的光程相比是相當(dāng)長(zhǎng)的，以致涂層的光譜難以辨認(rèn); 而在ATR 光譜中，光程在涂層與基體之間的分布極為平均，所以由涂層產(chǎn)生的吸收帶很明顯［8］。ATR 光譜法對(duì)于可分布在大面積ATR 晶體上的微量樣品已成為一種極為有效的方法。

    ATR-FTIR 可用于表面活性劑吸附的測(cè)試研究，其主要優(yōu)點(diǎn)在于它能夠同時(shí)原位監(jiān)視多種物質(zhì)的吸附，分辨率可達(dá)0.1-2s。這是其他方法如中子散射( neutronreflection) 、橢圓光度法(ellipsometry) 、反射測(cè)定法(reflectometry) 和表面等離子體共振(surface plasmon resonance) 所難以達(dá)到的［19］。張穎懷等［20］研究比較了與有機(jī)膜層/金屬粘接界面相關(guān)的表征方法，結(jié)果表明: ATR-FTIR 用以分析高聚物表面結(jié)構(gòu)、表面吸附、聚合物表面取向，對(duì)研究金屬表面涂層分子取向、金屬表面化學(xué)反應(yīng)比較有效; XPS研究粘接界面能較好地表征出金屬與高聚物間的相互作用，分析界面間的化學(xué)反應(yīng); 拉曼光譜與常規(guī)電化學(xué)方法相結(jié)合，在研究電極表面吸附、確定表面膜組成和厚度等方面的研究比較理想，但表面增強(qiáng)拉曼散射( SERS) 于基底為金、銀、銅的金屬，顯微共聚拉曼聚焦位置與所研究部位能否*一致有待進(jìn)一步探討?？傊琗PS 與FTIR 結(jié)合是相對(duì)理想的表征界面的方法。zui近Al-Abadleh等［21］通過(guò)搜集不同PH值、離子強(qiáng)度、時(shí)間等條件下的ATR-FTIR 譜圖，原位分析了吸附在鐵氧體表面上的對(duì)氨苯基胂酸的表面結(jié)構(gòu)。

3. 3 高分子材料研究

    ATR可克服傳統(tǒng)透射法無(wú)法制樣，或者樣品制備過(guò)程十分復(fù)雜、難度大、而效果又不理想等困難，在塑料、纖維、橡膠、涂料、粘合劑等高分子材料的結(jié)構(gòu)分析上已有廣泛應(yīng)用［5］。

    羅傳秋［22］用ATR-FTIR 對(duì)兩種表面改性的耐藥性能良好的醫(yī)用橡膠樣品進(jìn)行了研究，比較改性前后橡膠表面的紅外譜圖，得出兩種樣品表面層和體相組成*不同。改性前表面層為氟化聚合物，C 與F 的連接主要以-CF2-和-CFH-為主，體相為丁基橡膠; 改性后樣品表面層氟的含量高于未改性樣品表面，且以-CF2-為主。為橡膠表面改性的研究提供了有利手段。陳曉紅等［23］用FTIR-ATR 分析三種不同類型復(fù)合材料成分，探討了FTIR-ATR 技術(shù)進(jìn)行定性分析中的問(wèn)題，并運(yùn)用掃描電鏡和光電子能譜方法對(duì)結(jié)果進(jìn)行了確證，實(shí)驗(yàn)表明FTIR-ATR 技術(shù)在復(fù)合材料表層和夾層中高分子材料成分的分析應(yīng)用中有明顯的優(yōu)勢(shì)，簡(jiǎn)化了繁雜的分離純化樣品工作，方法簡(jiǎn)單、易于操作。

3. 4 質(zhì)量檢測(cè)與控制

    盡管ATR-FTIR 才走過(guò)二十多年的歷程，但其技術(shù)已經(jīng)發(fā)展得相對(duì)成熟。由于儀器價(jià)格低廉、制樣簡(jiǎn)單、容易操作、測(cè)試快捷準(zhǔn)確，除了用于科學(xué)研究外，目前它已成為工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域分析檢測(cè)的重要工具和手段。

    王宏菊［24］應(yīng)用ATR-FTIR，采用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)采樣技術(shù)無(wú)損鑒定紡織纖維。與以往的ATR 技術(shù)相比，該方法無(wú)需調(diào)整光路，操作方便，只要將樣品直接放在ATR 附件上就可以直接測(cè)量且靈敏度高，可得到高質(zhì)量的紅外光譜圖。與常規(guī)的光譜方法相比，該法更直接快速，并且不損壞樣品。潘純?nèi)A［1］應(yīng)用ATR 附件對(duì)橡膠管、紗手套、表面過(guò)塑的不同品牌滌綸薄膜進(jìn)行成分分析和刑偵鑒別，所得樣品的紅外譜圖與標(biāo)準(zhǔn)譜圖進(jìn)行對(duì)照，并對(duì)其定性，為有關(guān)部門偵破案件提供了重要線索。徐琳［25］利用ATR-FTIR 技術(shù)分析皮革材料的結(jié)構(gòu)，依據(jù)不同物質(zhì)所得ATR 譜的不同，從而快速、簡(jiǎn)便地分析鑒別革和人造革。該技術(shù)不破壞樣品，能夠準(zhǔn)確地對(duì)皮革樣品進(jìn)行鑒定，易實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)自動(dòng)化測(cè)試。趙佳根［26］用ATR-FTIR 對(duì)不同品牌的輪胎橡膠進(jìn)行了檢測(cè)，所需樣品量小、檢測(cè)速度快、重現(xiàn)性較好、結(jié)果準(zhǔn)確。  

    王家?。?7］應(yīng)用ATR-FTIR 分析技術(shù)，結(jié)合偏zui小二乘法( PLS) 建立了預(yù)測(cè)BOPP薄膜厚度和定量等物理指標(biāo)的校正模型。該方法用于BOPP 薄膜厚度和定量等物理指標(biāo)的測(cè)定，操作簡(jiǎn)捷、準(zhǔn)確，結(jié)果令人滿意。他們還采用ATR-FTIR 采集了420 個(gè)卷煙樣品主流煙氣總粒相物異丙醇萃取液的FT-IR-ATR 光譜［28］，并應(yīng)用二階微分法和KarlNorris 濾波器對(duì)這些IR 光譜信號(hào)進(jìn)行了基線校正和降噪處理，再通過(guò)PLS 法將預(yù)處理的390 個(gè)卷煙萃取液試樣的IR 光譜與用標(biāo)準(zhǔn)方法測(cè)定的煙氣焦油、煙堿和水分含量進(jìn)行擬合，建立了預(yù)測(cè)卷煙主流煙氣焦油、煙堿和水分含量的校正模該法適用于卷煙主流煙氣焦油、煙堿和水分的快速分析。

3. 5 環(huán)境分析檢測(cè)

    ATR-FTIR 也可用于監(jiān)測(cè)分析環(huán)境中的污染物。李浩然［29］采用多重衰減全反射附件測(cè)定加氫渣油的紅外光譜，討論渣油組成的紅外光譜信息，用偏zui小二乘法(PLS)建立紅外光譜測(cè)定渣油四組分的4 個(gè)校正模型，該方法的測(cè)定結(jié)果與經(jīng)典洗脫色譜法(EC)的結(jié)果吻合。與EC法相比，該方法具有快速、操作簡(jiǎn)單、不需分離、重復(fù)性好等優(yōu)點(diǎn)。D.A.Beattie［30］原位ATR-FTIR 研究了針鐵礦goethite 上的硫酸鹽(SO4)和銅的協(xié)同吸附作用?；贏TR-FTIR 和本體吸附數(shù)據(jù)，他們推測(cè)在針鐵礦-水的界面處的SO4和Cu 在實(shí)驗(yàn)條件下并不具備三元復(fù)合物的性質(zhì)。這點(diǎn)對(duì)于根據(jù)PH 和溶液濃度評(píng)估起始硫酸羥基銅的比偶安眠沉積至關(guān)重要。

3. 6 生物大分子的研究及醫(yī)療診斷

    與透射式紅外類似，ATR-FTIR也可用于生物大分子的研究，尤其適合某些膜蛋白的研究，只需將膜蛋白固放在ATR 棱鏡上，在灌注不同緩沖液的過(guò)程中記錄紅外線的改變［31］。這種技術(shù)已被用來(lái)研究在-系列酶體系里的配體結(jié)合［32］、還原反應(yīng)［33］及中間產(chǎn)物形成［34］等過(guò)程中伴隨的結(jié)構(gòu)改變［35］。

    人體各種組織和細(xì)胞都是由蛋白質(zhì)、核酸、脂類等生物分子組成，每種物質(zhì)都有其特征的紅外譜帶。正常組織與癌變組織的各種生物分子構(gòu)型、構(gòu)象以及成分構(gòu)成比例車存在差異，借此可利用ATR-FTIR 進(jìn)行鑒別。目前臨床診斷腫瘤的方法主要有影像方法，如MRI、CT、B 超、X 射線透視、內(nèi)窺鏡方法，以及組織學(xué)診斷方法和各種生化檢驗(yàn)方法等［36］。但在手術(shù)過(guò)程中對(duì)腫瘤性質(zhì)的確定以及手術(shù)切除范圍的判定，上述各種物理、生化診斷方法等目前都無(wú)法應(yīng)用，*的判斷依據(jù)是冰凍切片的檢測(cè)結(jié)果。但是此方法診斷時(shí)間長(zhǎng)( 約需30 min) 。因此，腫瘤臨床手術(shù)迫切需要一種快速、準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)，能夠原位在體檢測(cè)腫瘤組織的新方法。

    紅外光譜方法可以從分子水平反映腫瘤組織和正常組織的差別，可望發(fā)展成為一種檢測(cè)腫瘤組織的靈敏方法。上利用紅外光譜法研究腫瘤組織已經(jīng)有近20 年的歷史，但迄今國(guó)內(nèi)外的研究仍處于基礎(chǔ)性研究階段［37］。

    徐怡莊課題組自1994 年開(kāi)始腫瘤組織紅外光譜診斷新方法的探索性研究， 1995 年提出了“利用中紅外光纖與衰減全反射( ATR) 相結(jié)合的紅外光譜快速測(cè)定腫瘤新方法”［38］，針對(duì)臨床應(yīng)用的明確目標(biāo)，開(kāi)展了實(shí)時(shí)診斷腫瘤的紅外光譜新方法的系統(tǒng)研究。通過(guò)各種紅外光譜法的比較研究，發(fā)現(xiàn)ATR-FTIR 的診斷結(jié)果與病理檢驗(yàn)結(jié)果符合很好［39］，測(cè)試方便，符合快速診斷的要求。另外，利用光纖的可移動(dòng)性，將中紅外光纖和衰減全反射光譜測(cè)量方法相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了手術(shù)過(guò)程中腫瘤組織的原位、在體、實(shí)時(shí)檢測(cè)和診斷［40］。累計(jì)研究了十幾種腫瘤和相應(yīng)的正常組織。與病理診斷結(jié)果進(jìn)行對(duì)照發(fā)現(xiàn)紅外光譜法診斷符合率達(dá)90% 以上［36］。于舸等［41］采用ATR-FTIR 研究乳腺良性病變組織和癌變組織，從譜型、吸收頻率、相對(duì)強(qiáng)度等譜學(xué)參量分析其差異性，揭示這兩類病變組織組成和分子結(jié)構(gòu)的差異，發(fā)現(xiàn)它們之間存在明顯而規(guī)律的光譜差異，表明傅里葉變換紅外光譜可以從分子水平上揭示良、惡性腫瘤的分子結(jié)構(gòu)信息，極有潛力成為一種臨床原位診斷腫瘤的新方法。

    紅外線短時(shí)間照射對(duì)患者無(wú)痛苦、無(wú)傷害，相對(duì)于MRI 和CT 其成本低廉，檢測(cè)簡(jiǎn)便、快速、準(zhǔn)確率高。雖然從體表檢測(cè)皮膚的紅外光譜來(lái)診斷皮下腺體的機(jī)理尚待深入研究，但是以上初步研究結(jié)果表明該方法可望發(fā)展成為無(wú)創(chuàng)傷早期診斷腫瘤的新方法［42］，具有重要的臨床實(shí)用意義和廣闊的發(fā)展前景。

總之，由于ATR-FTIR 固有的優(yōu)點(diǎn)，使其在許多領(lǐng)域已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用并取得了良好的效果，顯示出廣闊的應(yīng)用前景。

4 展望

    ATR-FTIR 光譜技術(shù)具有制樣簡(jiǎn)單、操作簡(jiǎn)便、可以實(shí)時(shí)原位跟蹤無(wú)損測(cè)試等突出有優(yōu)點(diǎn)，極大地?cái)U(kuò)展了紅外光譜的應(yīng)用領(lǐng)域。ATR-FTIR 光譜的發(fā)展一方面是儀器的改進(jìn)，另一方面是新應(yīng)用領(lǐng)域的開(kāi)發(fā)，同時(shí)，新的分析方法也正在不斷建立。針對(duì)紅外定量性不夠好的不足，利用化學(xué)計(jì)量學(xué)將建立新的數(shù)學(xué)模型加以克服。ATR-FTIR 在表面分析、動(dòng)力學(xué)、醫(yī)學(xué)診斷上的應(yīng)用將仍是科學(xué)工作者們研究的熱點(diǎn)。

參考文獻(xiàn):

［1］潘純?nèi)A，張衛(wèi)紅，陳芬等.ATR 紅外光譜法在高分子材料表面成份分析上的應(yīng)用［J］．廣州化工，

2000，28( 3) : 34-36.

［2］江艷，沈怡，武培怡. ATR-FTIR 光譜技術(shù)在聚合物膜研究中的應(yīng)用［J］.化學(xué)進(jìn)展，2007，19( 1) :

173-185

［3］吳瑾光.近代傅里葉變換紅外光譜技術(shù)及應(yīng)用( *版) ［M］.北京: 科學(xué)技術(shù)文獻(xiàn)出版社，1994.［4］  

薛奇.高分子結(jié)構(gòu)研究中的光譜方法［M］.北京: 高等教育出版社，1995.

［5］方林，黃紅海.ATR-FTIR 光譜技術(shù)在高聚物研究中的應(yīng)用［J］.化學(xué)工程師，2008，3: 33 － 36.

［6］王兆民王奎雄吳宗凡.紅外光譜學(xué)-理論與實(shí)踐［M］.北京: 兵器工業(yè)出版社，1995.

［7］徐琳.ATR-FTIR在界面領(lǐng)域的應(yīng)用研究［M］.南京理工大學(xué)碩士學(xué)位論文，2004.

［8］曾泳淮，林樹昌.分析化學(xué)( 儀器分析部分) ( 第二版) ［M］.北京: 高等教育出版社，2004.

［9］ http: / /www. sintef. no /cgi-bin /MsmGo. exe? grab _ id = 0＆page _ id = 2933＆query = FTIR＆hiword =

FTIR%20FTIRBASED%20.

［10］劉敏娜，王桂清，盧其斌.紅外光譜技術(shù)的進(jìn)展及其應(yīng)用［J］.精細(xì)化工中間體，2001，31( 6) : 9-12.

［11］Robson F，Donnalley Andrew B. Isobutylene polymerization kinetics at low［TiCl4］via real-time in situ

FTIR-ATR spectroscopy ［J］.Polymer Preprints，1998，39( 1) : 32.

［12］Dunuwila D D，Berglund K A. ATR FTIR spectroscopy for in situ measurement of supersaturation ［J］.

Journal of Crystal Growth，1997，179( 1-2) : 185-193.

［13］邱江，潘紅春，韓崇家等． 紅外光譜監(jiān)測(cè)糖化酶發(fā)酵過(guò)程［J］.光譜學(xué)與光譜分析，1999，19( 6) :

831-833.

［14］Catherine A. Rees，John L.Provis，Grant C.Lukey，and Jannie S. J. van Deventer． In Situ ATRFTIR

Study of the Early Stages of Fly Ash Geopolymer Gel Formation［J］.Langmuir ，2007，23: 9076-9082.

［15］Ana Rita Almeida，Jacob A. Moulijn，and Guido Mul.In Situ ATR-FTIR Study on the Selective

Photo-oxidation of Cyclohexane over Anatase TiO2［J］. J. Phys.Chem. C.，2008，112: 1552-1561.

［16］ Dolamic I． ，Burgi T． Photoassisted Decomposition of Malonic Acid on TiO2 Studied by in Situ

Attenuated Total Reflection Infrared Spectroscopy ［J］.J.Phys.Chem.B.，2006，110: 14898-14904.

［17］ Nakamura R.，Imanishi A.，Murakoshi K.et al.In Situ FTIR Studies of Primary Intermediates of

Photocatalytic Reactions on Nanocrystalline TiO2 Films in Contact with Aqueous Solutions ［J］.J.Am.

Chem.Soc.，2003，125: 7443-7450.

［18］ Warren D.S.，McQuillan A.J.Influence of Adsorbed Water on Phonon and UV-Induced IR Absorptions of 

TiO₂ Photocatalytic Particle Films［J］.J.Phys. Chem.B.，2004，108: 19373-19379.

［19］ Spencer C.Clark ，William A.Ducker.Exchange Rates of Surfactant at the Solid-Liquid Interface Obtained by ATR-FTIR［J］.J.Phys.Chem.B.，2003，107: 9011-9021.

［20］張穎懷，許立寧，路民旭.高聚物/金屬界面微觀的表征方法［J］.材料導(dǎo)報(bào).2007，21( 4) : 44-47.

［21］ Matthew Chabot，Tuan Hoang，Hind A.Al-Abadleh.ATR-FTIR Studies on the Nature of SurfaceComplexes and Desorption Efficiency of p-Arsanilic Acid on Iron ( Oxyhydr) oxides ［J］.Environ.Sci.Technol.，2009，43( 9) : 3142-3147.

［22］羅傳秋，劉泳，楊繼萍等.表面改性醫(yī)用橡膠的光譜研究［J］.光譜學(xué)與光譜分析，1999，19( 4):553-555.

［23］陳曉紅，張倩芝，張衛(wèi)紅等.多重衰減全反射－ 紅外光譜法在復(fù)合材料表面分析中的應(yīng)用［J］.光散射學(xué)報(bào)，2007，19( 2) : 158 － 162.

［24］王宏菊，陳旭輝，王成云.FTIR-ATR 無(wú)損快速鑒定紡織纖維［J］.印染，2001，3: 45-47.

［25］徐琳.傅里葉變換衰減全反射紅外光譜法鑒定皮革產(chǎn)品［J］.光譜實(shí)驗(yàn)室，2005，22( 6) : 1274-1276.

［26］趙佳根，張金莊.傅立葉紅外光譜( ATR) 法無(wú)損檢測(cè)輪胎橡膠［J］.遼寧警專學(xué)報(bào).2009，5: 66-68.

［27］王家俊，汪帆，馬玲.ATR-FTIR光譜法快速測(cè)定BOPP薄膜的厚度和定量［J］.光譜實(shí)驗(yàn)室，2005，9( 5) : 999-1002.

［28］王家俊，楊清，汪帆． FTIR-ATR 法預(yù)測(cè)卷煙主流煙氣中的焦油、煙堿和水分［J］.煙草學(xué).2007，9: 33-37.

［29］李浩然，袁洪福.多重衰減全反射紅外光譜測(cè)定加氫渣油四組分方法的建立［J］.現(xiàn)代儀器，2004，6:13-17.

［30］D.A.Beattie，J.K.Chapelet，M.Grafe et al.In Situ ATR FTIR Studies of SO4Adsorption on Goethite in the Presence of Copper Ions［J］.Environ.Sci.Technol. 2008，42: 9191-9196.

［31］Rich P.R.，Iwaki M.In Biophysical and Structural Aspects of Bioenergetics ［M］.Royal Society of Chemistry，Cambridge，2005.

［32］Iwaki M.，Rich P.R.Direct Detection of Formate Ligation in Cytochrome c Oxidase by ATR-FTIR Spectroscopy［J］.J.Am.Chem.Soc.，2004，126: 2386 － 2389.

［33］Iwaki M.，Osyczka A.，Moser C.C.et al.ATR-FTIR Spectroscopy Studies of Iron? Sulfur Protein and Cytochrome c1 in the Rhodobacter capsulatus Cytochrome bc1 Complex ［J］. Biochemistry，2004，43:9477-9486.

［34］Iwaki M.，Puustinen A.，Wikstro¨m M． et al． ATR-FTIR Spectroscopy of the PM and F Intermediates of Bovine and Paracoccus denitrificans Cytochrome c Oxidase ［J］.Biochemistry，2003，42: 8809-8817.

［35］Masayo Iwaki，Nick P.J.Cotton，Philip G.Quirk et al. Molecular Recognition between Protein and Nicotinamide Dinucleotide in Intact，Proton-Translocating Transhydrogenase Studied by ATR-FTIR Spectroscopy ［J］.J.Am.Chem.Soc.，2006，128: 2621-2629.

［36］徐怡莊，趙瑩，徐智等.腫瘤臨床診斷的紅外光譜新方法［J］.光譜學(xué)與光譜分析，2005，25(11) : 1775-1778.

［37］S Gerald Steiner，Anthony Shaw，Lin-P'ing Choo-Smith et al.Distinguishing and grading human gliomas by IR spectroscopy ［J］. Biopolymers，2003，72( 6) : 464 － 471.

［38］孫傳文，徐怡莊，孫開(kāi)華等.中紅外光纖技術(shù)用于腮腺腫瘤診斷的研究［J］.光譜學(xué)與光譜分析，1996，16( 5) : 22 － 25.

［39］任予，徐怡莊，趙瑩等.腫瘤組織傅里葉變換紅外光譜診斷方法的比較研究［J］.光譜學(xué)與光譜分析， 2004，124( 18) : 930 － 932.

［40］楊麗敏，徐智，張?jiān)５?中紅外光纖技術(shù)用于腫瘤在體原位診斷的研究［J］.光譜學(xué)與光譜分析， 2003，23( 5) : 883 － 884.

［41］于舸，呂淑華，許家林等． 衰減全反射紅外光譜用于人乳腺癌組織的研究［J］.光子學(xué)報(bào).2005，34( 3) : 390-393.

［42］曹書霞，韓華云，鮑改玲． 紅外光譜法在癌癥早期診斷中的應(yīng)用［J］.光譜實(shí)驗(yàn)室，2003，20( 6) :924-926.