从实验室走向现场的分子光谱快速检测技术

【核心介绍】本文讨论了现场快速检测对分析技术的要求，介绍了一些用于现场快速检测的分子光谱技术。随着仪器便携性、采样简易性和软件智能性的发展，不管是对具体成分进行靶向检测，还是对混合物进行整体非靶向控制，简便、快速、通用的红外光谱、拉曼光谱、紫外光谱、荧光光谱等分子光谱技术在现场快速检测领域必将发挥越来越重要的作用。 　

从实验室走向现场的分子光谱快速检测技术

孙素琴*，陈建波

清华大学化学系

 

    摘   要  本文讨论了现场快速检测对分析技术的要求，介绍了一些用于现场快速检测的分子光谱技术。随着仪器便携性、采样简易性和软件智能性的发展，不管是对具体成分进行靶向检测，还是对混合物进行整体非靶向控制，简便、快速、通用的红外光谱、拉曼光谱、紫外光谱、荧光光谱等分子光谱技术在现场快速检测领域必将发挥越来越重要的作用。

    关键词  分子光谱，质量控制，指纹图谱，指标成分，掺假筛查

    中图分类号  O657.3                     

 

Rapid Detection Techniques based on Molecular Spectroscopy from Laboratory to Field

SUN Su-qin*, CHEN Jian-bo

Department of Chemistry, Tsinghua University

 

    Abstract  The requirements on analytical techniques for rapid field detections are discussed. Some molecular spectroscopic techniques for rapid field detections are introduced. As the development of portable instruments, simple sampling techniques, and intelligent softwares, molecular spectroscopies - including IR, Raman, UV-Vis, and molecular fluorescence – should play more and more important roles in the rapid field detections, either for the target detection of specific compounds or for the non-target global control of complex mixtures.

    Key words  Molecular Spectroscopy, Quality Control, Chemical Fingerprints, Marker Compound, Adulteration Screening

 

从工厂里的生产原料到市场上的日常商品，从田野里的科学研究到边境上的安全检查，当代社会对于现场快速检测技术的需求在急剧增长。因此，建立更加准确有效、简便快速、绿色低廉的现场检测技术，成为相关学科的研究热点。更重要的是，实验室研发的快速检测技术必需能够经受现场实际应用的考验，才能够真正服务于社会。

1. 现场快速检测任务对分析技术的要求

现场快速检测技术的测试对象、使用环境、操作人员和结果需求与实验室检测技术有着显著的差异，因此能够用于现场快速检测的分析技术需要满足一些特定的要求：（1）现场快速检测往往需要面对大量的样品，而且要在短时间内获得检测结果，因此要求检测技术的速度快，样品前处理简单或者不需要进行前处理，从而能够在现场进行高通量分析；（2）现场快速检测的实施地点复杂多变，难以像实验室一样具有相对稳定的环境条件，因此要求检测仪器具有很好的便携性和耐用性，从而能够在多样的现场条件下进行操作；（3）现场快速检测的操作人员可能没有经过专业训练或者缺乏相关经验知识，因此要求检测仪器操作方便、检测方法简单易行，从而能够在尽可能节省人力资源的条件下完成检测工作；（4）现场快速检测需要面对的样品和需要完成的测试项目可能多种多样，因此要求检测技术具有较好的通用性，从而能够用尽量少的仪器来完成所需要的检测工作；（5）现场快速检测强调分析结果的时效性和性价比，因此可以在一定程度上降低对检测方法的灵敏度和精密度的要求，从而能够以更低的物质和时间成本获得所需要的样品分析结果。

 

2. 分子光谱技术用于现场快速检测的优势

在现场快速检测中，大部分样品都是或简单或复杂的混合物。在传统分析方法里，混合物样品首先需要经过分离处理，然后才能对纯化后的组分进行检测。但是，过于精细的分离纯化处理必然在一定程度上增加了检测方法的时间、物质和设备成本，严重制约了现场快速检测的发展。因此，样品不经过分离或者只经过粗略的分离处理就进行检测，才能够适应现场快速检测的要求。对于这种混合物样品，基于“化学指纹图谱”的快速检测技术是重要的发展方向。使用一种通用型分析技术同时获得混合物样品中多种成分的检测信号，就得到了样品的“化学指纹图谱”，据此可以对样品的化学成分进行整体分析，既能对重点成分进行靶向定性定量检测，又能对其他成分进行非靶向整体监控。由于不需要对样品进行复杂的前处理，而且能够同时获得样品多种性质信息，基于“化学指纹图谱”的快速检测技术的速度快、成本低，能够在可接受的人力、时间和物质成本内，充分保证混合物样品的真实性、有效性和安全性^[1-2]。

混合物样品中多种成分对光的吸收（或者发射、散射等）是同时进行的，因此分子光谱技术可以同时探测混合物样品中多种成分的光信号，从而建立样品的“分子光谱化学指纹图谱”。因此，不管是对具体成分进行靶向检测，还是对整体成分进行非靶向控制，简便、快速、通用的红外光谱（中红外光谱和近红外光谱）、拉曼光谱、紫外光谱、荧光光谱等分子光谱技术在纯物质和混合物样品的现场快速检测分析中都起着至关重要的作用。

 

3. 针对现场快速检测应用的分子光谱技术

3.1 便携的分子光谱测量仪器

对于现场快速检测来说，小型化、便携式、坚实耐用的检测设备是基础条件。随着制造技术的不断进步，各种分子光谱仪器的便携性能也在不断提升。根据仪器体积和重量，当前的便携式分子光谱仪器可以进一步细分为移动式分子光谱仪和手持式分子光谱仪两大类。

手持式分子光谱仪的体积小、重量轻，可以使用电池供电，一般操作人员可以手持仪器进行测量，因此使用起来更加灵活方便。为了尽可能减小仪器的体积和重量，手持式仪器的性能往往在一定程度上打了折扣，不及实验室研究型仪器。但是，对于绝大部分现场快速检测任务来说，手持式仪器的性能足以符合要求。市场上常见的手持式傅里叶变换型中红外光谱仪有Agilent 4100 ExoScan、Thermo TruDefender FT等，常见的手持式近红外光谱仪有Ocean Optics NIRQuest、Thermo Nicolet microPHAZIR AS、BWTEK i-Spec nano等，常见的手持式激光拉曼光谱仪有Ocean Optics IDRaman mini、TSI/Enwave ProTT-EZRaman H、BWTEK NanoRam、Thermo FirstDefender RM、Horiba HE等。Thermo Scientific Gemini将中红外光谱和拉曼光谱测量功能集成在同一台手持式仪器上，为现场快速检测技术提供了更加有力的设备支持。

移动式分子光谱仪的性能一般优于手持式仪器，可以使用电池或车载电源供电，有些质量较好的移动式仪器甚至可以替代实验室研究型仪器来使用。但是，移动式分子光谱仪的体积和重量一般也要大于相应的手持式仪器，现场使用时需要一定的放置空间。市场上常见的移动式傅里叶变换型中红外光谱仪有PerkinElmer Spectrum Two、Agilent Cary630、Thermo Nicolet iS5、Bruker Alpha等，常见的移动式（现场分析/过程分析）近红外光谱仪有Bruker MATRIX-I、Bruker TANGO、Thermo Nicolet Antaris MX NIR、BWTEK i-Spec Plus等，常见的移动式激光拉曼光谱仪有TSI/Enwave ProTT-EZRaman A、钢研纳克Smart等。

3.2简易的分子光谱采样方法

样品前处理简单或者不需要进行前处理，对于建立简便快速的现场检测方法来说是非常必要的。近红外光谱和拉曼光谱可以对绝大部分样品进行直接测量，不需要任何前处理过程。紫外光谱和荧光光谱可以直接测量一些样品，或者经过简单的衍生处理后进行测量，也比较方便。

中红外光谱的传统测试方法是溴化钾压片法，需要将样品粉末与溴化钾粉末混合，然后使用压片机制成薄片。显然，这种测试方法难以适合现场快速检测技术的要求。因此，基于中红外光谱的现场快速检测技术一般使用衰减全反射（ATR）、漫反射、镜面反射等测量方式。例如，Thermo TruDefender FT手持式傅里叶变换型中红外光谱仪^[3]使用ATR采样方式，内反射晶体为金刚石，可以耐强酸、强碱和腐蚀性物质。测量液体样品时将样品直接滴在采样头上即可，而借助采样头上的压杆可以方便地测量固体样品。

Agilent 4100 ExoScan手持式傅里叶变换型中红外光谱仪^[4]可以配备ATR探头、外反射探头、漫反射探头、掠角反射探头等多种探头，更换方便，可以针对待测样品选择最佳采样方法。ATR探头可以用于绝大部分固体和液体样品的接触式检测，而各种反射探头则可以用于一些特殊样品的非接触式检测。外反射探头可用于检测具有高反射表面的样品，漫反射探头可用于检测具有粗糙表面的样品，而掠角反射探头可用于检测高反射表面基底上的薄膜样品。通过专利的液体测量技术，Agilent Cary630移动式傅里叶变换型中红外光谱仪^[5]可以方便快速地测量液体样品的透射红外光谱。

3.3智能的分子光谱数据软件

通过小巧便携的光谱仪器和简便灵活的采样技术，可以快速准确地获得待测样品的分子光谱。从光谱曲线获得所需要的样品性质信息，则是基于分子光谱的现场快速检测技术的另一个关键步骤。

对于纯物质样品或简单混合物样品来说，光谱数据库是现场快速检测技术的基础组成部分。将待测样品的光谱与数据库中的标准光谱进行比较，可以准确迅速地识别待测样品。光谱数据库可以直接植入在便携式仪器的数据分析软件中，也可以通过在线检索的方式来使用。但是，考虑到一些分析现场可能因为地点偏远或者其他因素而难以顺利连接到互联网，在便携式仪器上植入全部或部分光谱数据库还是非常必要的。虽然仪器厂家或第三方提供的数据库检索软件一般都能找到与待测样品最相似的标准光谱，但是“最相似”不等于“完全一致”。因此，对检索出的标准光谱与待测样品光谱进行快速的人工比较，有助于进一步确认检索结果的有效性。

对于复杂混合物样品来说，光谱数据库或许能够提供一些信息，但是往往很难预先获得非常匹配的标准样品光谱。因此，建立基于大量样品光谱的多元统计分析的模式识别和定量校正模型，对于待测样品的定性识别和成分含量估计是非常必要的。对于掺假样品检测来说，模式识别模型可以发现掺假样品，但是难以识别掺假成分的种类；定量校正模型可以估计已知掺假成分的含量，但是难以发现未知的掺假成分。因此，PerkinElmer公司在其Spectrum软件中集成了Adulterant Screen方法，可以通过主成分分析（PCA）根据已知的未掺假样品的光谱建立光谱基组，根据光谱拟合残差识别掺假样品，然后借助潜在掺假成分的光谱数据库识别样品中的掺假成分。该方法不仅可以有效识别掺假样品，还能够对样品中的掺假成分进行半靶向识别^[6]。

 

4. 总结

最理想的现场快速检测技术应该是用一种便携式的仪器可以分析很多种类型的样品、获得多种性质的信息，而且测试过程基本不需要对样品进行前处理，测试方法快速、简便、易学，测试成本低廉、环境友好，真正做到随时随地、人人可用。混合物样品中多种成分对光的吸收（或者发射、散射等）是同时进行的，因此分子光谱技术可以同时探测混合物样品中多种成分的光信号，从而建立样品的“分子光谱化学指纹图谱”。随着仪器便携性、采样简易性和软件智能性的发展，不管是对具体成分进行靶向检测，还是对混合物进行整体非靶向控制，简便、快速、通用的红外光谱、拉曼光谱、紫外光谱、荧光光谱等分子光谱技术在现场快速检测领域必将发挥越来越重要的作用。

 

参考文献

[1] Sun S Q, Zhou Q, Chen J B. Infrared Spectroscopy for Complex Mixtures - Applications in Food and Traditional Chinese Medicine. Beijing: Chemical Industry Press, 2011.

[2] Sun S Q, Chen J B, Zhou Q. et al. Application of mid-infrared spectroscopy in the quality control of traditional Chinese medicines. Planta Med, 2010, 76: 1987-1996.

[3] http://www.instrument.com.cn/netshow/C125803.htm

[4] http://www.instrument.com.cn/netshow/C141660.htm

[5] http://www.instrument.com.cn/netshow/C142612.htm

[6] PerkinElmer Application Note (No. 011481) DairyGuard: Augmenting Nutritional Testing of Milk Powder with Adulterant Screening.