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行測量，對某些特殊樣品( 如難溶、難熔、難粉碎等的試樣) 的測試存在困難。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，簡稱ATR-FTIR) 。ATR 的應(yīng)用極大地簡了一些特殊樣品的測試，使微區(qū)成分的分析變得方便而快捷，檢測靈敏度可達10-9g 數(shù)量級，測量顯微區(qū)直徑達數(shù)微米。

    ATR 附件基于光內(nèi)反射原理而設(shè)計。從光源發(fā)出的紅外光經(jīng)過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，入射光線就會產(chǎn)生全反射。事實上紅外光并不是全部被反射回來，而是穿透到試樣表面內(nèi)一定深度后再返回表面。在該過程中，試樣在入射光頻率區(qū)域內(nèi)有選擇吸收，反射光強度發(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 通過樣品表面的反射信號獲得樣品表層有機成分的結(jié)構(gòu)信息，它具有以下特點:  (1) 制樣簡單，無破壞性，對樣品的大小、形狀、含水量沒有特殊要求; (2) 可以實現(xiàn)原位測試、實時跟蹤;(3) 檢測靈敏度高，測量區(qū)域小，檢測點可為數(shù)微米;(4) 能得到測量位置處物質(zhì)分子的結(jié)構(gòu)信息、某化合物或官能團空間分布的紅外光譜圖像微區(qū)的可見顯微圖象;(5) 能進行紅外光譜數(shù)據(jù)庫檢索以及化學(xué)官能團輔助分析，確定物資的種類和性質(zhì); (6) 在常規(guī)FTIR 上配置ATR 附件即可實現(xiàn)測量，儀器價格相對低廉，操作簡便。

    近年來，隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，ATR 實現(xiàn)了非均勻、表面凹凸、彎曲樣品的微區(qū)無損測定，可以獲得官能團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驗方法之一，克服了傳統(tǒng)透射法測試的不足，簡化了樣品的制作和處理過程，極大地擴展了紅外光譜的應(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樣品的干涉輻射所攜帶的物質(zhì)信息來分析該物質(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測量，另外有時人們對分析物表面感興趣，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)進入光疏介質(zhì)，并且入射角θ 大于臨界角θc( sinθc = n2 /n1) 時，就會發(fā)生全反射［3］。

    由于絕大多數(shù)有機物的折射率在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。

    實際上，紅外輻射被樣品表面反射時，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)一紅外束進入樣品表面后，輻射波的電場強度衰減至表面處的1 /e 時，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; 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、反射材料和樣品的折射率及入射角三個因素影響。常用中紅外輻射波長在2. 5 ～ 25μm( 4000 ～ 400cm － 1 ) 之間，dp與λ1同數(shù)量級，這說明ATR 譜僅能提供距界面微米級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重要原因。dp與λ1成正比。不同波長的IR 光透入樣品層的深度不同，在長波時穿透深度大，因此，ATR 譜在不同波數(shù)區(qū)間靈敏度也不相同。在長波處吸收峰因透入深度大而使峰強增大，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，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，穿透深度的變化則較緩慢。但當(dāng)小于臨界角時，幾乎所有能量都進入樣品。

    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)過一次衰減全反射，光透入樣品深度有限，樣品對光吸收較少，因此光束能量變化也很小，所得光譜吸收帶弱，信噪比差。為了增強吸收峰強度，提高測試過程中的信噪比，現(xiàn)代ATR 附件多采用增加全反射次數(shù)使吸收譜帶增強，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。通常用下式來計算反射次數(shù)N，即

式中: l 為全反射晶體的長度; d 為兩個反射面間的距離，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，因此可以提高信號測試強度。

2. 2 傅里葉變換紅外光譜法(FTIR)的原理

    20 世紀(jì)50 年代，商品紅外光譜儀問世，它以棱鏡作色散元件，缺點是光學(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，它彌補了棱鏡紅外光譜儀的缺點因此很快取代了它。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、檢測器( DTGS 或MCT) 、計算機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外光束進入干涉儀，經(jīng)調(diào)制后得到一束干涉光; 該干涉光通過試樣后成為帶有試樣信息的的干涉光被檢測器檢測。檢測器將干涉光信號變?yōu)殡娦盘枺捎嬎銠C采集，得到帶有試樣信息的時域干涉圖，即時域譜( time domain) 。時域譜難以辨認(rèn)，經(jīng)過計算機進行傅里葉變換的快速計算，將其轉(zhuǎn)換成以透光率或吸收強度為縱坐標(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，它與真實輻射光譜B0(υ) 相差一個乘數(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 附件即可實現(xiàn)ATR 測試。傅里葉變換光譜法具有許多優(yōu)點: (1) 具有多路傳輸和大光通量優(yōu)勢，大大提高信噪比、分析速度和靈敏度;(2) 掃描速度快，在整個掃描時間內(nèi)同時測定所有頻率信息一般只需1s 左右，可測定不穩(wěn)定物質(zhì)的紅外光譜; (3) 具有很高的分辨率，通?？蛇_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，如光譜范圍寬10000-10cm^-1，測量精度高，重復(fù)性可達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，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)適用于測定固體和液體的吸收譜，對于固體樣品，要求被測面光滑，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定。測量時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，進行測定。如果吸收峰太強，可采用單面放入樣品或調(diào)節(jié)入射角的方法來解決。

    對于一些能涂在全反射晶體反射面上的液體，可用一般測量固體樣品的ATR 附件，直接把液體涂在晶體反射面上進行測定。但對于低沸點液體，或不能在全反射晶體的反射面上形成液層的高沸點液體，必須使用帶液體池的ATR 附件。應(yīng)用ATR 進行液體的測定，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。

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

2. 4 ATR-FTIR 的特點

與常規(guī)透射式FTIR 相比，ATR-FTIR 具有如下突出特點:

(1) 紅外輻射通過穿透樣品與樣品發(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 譜吸收峰相對強度與透射譜相比較并不*一致。

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

(3) 可以實現(xiàn)原位、實時、無損測量。

(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，因此尤其適合觀測樣品表面的變化。可將作為比較的樣品放在參比光路中，待測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參數(shù)變化，因此可以調(diào)整它們，由表及里來檢測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 法的獨到之處，對某些需要進行表面處理的工業(yè)產(chǎn)品的檢測是一個有力的工具。

(6) IR 輻射的電場矢量在介質(zhì)界面上三個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)。基于光的電矢量方向與振動偶極躍遷距方向相同時才能產(chǎn)生紅外吸收的原理，利用在不同入射角或偏振方向時測量ATR 譜，根據(jù)譜帶強度變化可以推測出與譜帶有關(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)系進一步得到化學(xué)基團的平均取向。

    ATR-FTIR 屬于紅外光譜范疇，具有一般常規(guī)FTIR 的大部分特點。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)庫的度和適用性?？茖W(xué)家們正在尋求解決這些問題的方法，如采用對相關(guān)檢測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樣品信號的干擾，從而大大降低檢測誤差。

3 ATR-FTIR 的應(yīng)用與進展

    由于衰減全反射的上述特點，極大地擴大了紅外光譜技術(shù)的應(yīng)用范圍，使許多采用透射紅外光譜技術(shù)無法制樣，或者樣品制做過程十分復(fù)雜、難度大、而效果又不理想的實驗成為可能，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)出交叉互補的應(yīng)用趨勢。

3. 1 反應(yīng)動力學(xué)及機理研究

ATR-FTIR 的一大優(yōu)點就是它可以原位測定、實時跟蹤，這對某些物質(zhì)的物理或化學(xué)變化動力學(xué)過程及機理的研究非常有利［10］。Robson 等［11］用ATR-FTIR 光譜儀實時在線跟蹤單體濃度的變化，進行異丁烯聚合反應(yīng)動力學(xué)研究。Dunuwila 等［12］用ATRFTIR光譜原位跟蹤測量溶液的過飽和度、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)測糖化酶發(fā)酵過程，發(fā)現(xiàn)ATR-FTIR 光譜反映了培養(yǎng)過程中碳源和氫源的變化，可望用于工業(yè)生產(chǎn)過程的常規(guī)監(jiān)測。John L． Provis 等［14］用ATR-FTIR 對飛塵地質(zhì)聚合物凝膠形成的早期階段進行了原位研究，得到了詳細(xì)的動力學(xué)信息。此外，也有不少研究者利用ATR-FTIR 實時原位研究光誘導(dǎo)非均相氧化反應(yīng)［15 － 18］，這些研究都表明ATR-FTIR 對表面吸附分子的分析非常靈敏，為機理研究提供強有力的工具。

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，在基體中的光程與在涂層中的光程相比是相當(dāng)長的，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試研究，其主要優(yōu)點在于它能夠同時原位監(jiān)視多種物質(zhì)的吸附，分辨率可達0.1-2s。這是其他方法如中子散射( neutronreflection) 、橢圓光度法(ellipsometry) 、反射測定法(reflectometry) 和表面等離子體共振(surface plasmon resonance) 所難以達到的［19］。張穎懷等［20］研究比較了與有機膜層/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*一致有待進一步探討。總之，XPS 與FTIR 結(jié)合是相對理想的表征界面的方法。zui近Al-Abadleh等［21］通過搜集不同PH值、離子強度、時間等條件下的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)透射法無法制樣，或者樣品制備過程十分復(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 對兩種表面改性的耐藥性能良好的醫(yī)用橡膠樣品進行了研究，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)進行定性分析中的問題，并運用掃描電鏡和光電子能譜方法對結(jié)果進行了確證，實驗表明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，簡化了繁雜的分離純化樣品工作，方法簡單、易于操作。

3. 4 質(zhì)量檢測與控制

    盡管ATR-FTIR 才走過二十多年的歷程，但其技術(shù)已經(jīng)發(fā)展得相對成熟。由于儀器價格低廉、制樣簡單、容易操作、測試快捷準(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)域分析檢測的重要工具和手段。

    王宏菊［24］應(yīng)用ATR-FTIR，采用點對點采樣技術(shù)無損鑒定紡織纖維。與以往的ATR 技術(shù)相比，該方法無需調(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 附件對橡膠管、紗手套、表面過塑的不同品牌滌綸薄膜進行成分分析和刑偵鑒別，所得樣品的紅外譜圖與標(biāo)準(zhǔn)譜圖進行對照，并對其定性，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)確地對皮革樣品進行鑒定，易實現(xiàn)現(xiàn)場自動化測試。趙佳根［26］用ATR-FTIR 對不同品牌的輪胎橡膠進行了檢測，所需樣品量小、檢測速度快、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)的測定，操作簡捷、準(zhǔn)確，結(jié)果令人滿意。他們還采用ATR-FTIR 采集了420 個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 濾波器對這些IR 光譜信號進行了基線校正和降噪處理，再通過PLS 法將預(yù)處理的390 個卷煙萃取液試樣的IR 光譜與用標(biāo)準(zhǔn)方法測定的煙氣焦油、煙堿和水分含量進行擬合，建立了預(yù)測卷煙主流煙氣焦油、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

    ATR-FTIR 也可用于監(jiān)測分析環(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)建立紅外光譜測定渣油四組分的4 個校正模型，該方法的測定結(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、操作簡單、不需分離、重復(fù)性好等優(yōu)點。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)，他們推測在針鐵礦-水的界面處的SO4和Cu 在實驗條件下并不具備三元復(fù)合物的性質(zhì)。這點對于根據(jù)PH 和溶液濃度評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程中記錄紅外線的改變［31］。這種技術(shù)已被用來研究在-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方法等［36］。但在手術(shù)過程中對腫瘤性質(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法應(yīng)用，*的判斷依據(jù)是冰凍切片的檢測結(jié)果。但是此方法診斷時間長( 約需30 min) 。因此，腫瘤臨床手術(shù)迫切需要一種快速、準(zhǔn)確、實時，能夠原位在體檢測腫瘤組織的新方法。

    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定腫瘤新方法”［38］，針對臨床應(yīng)用的明確目標(biāo)，開展了實時診斷腫瘤的紅外光譜新方法的系統(tǒng)研究。通過各種紅外光譜法的比較研究，發(fā)現(xiàn)ATR-FTIR 的診斷結(jié)果與病理檢驗結(jié)果符合很好［39］，測試方便，符合快速診斷的要求。另外，利用光纖的可移動性，將中紅外光纖和衰減全反射光譜測量方法相結(jié)合，實現(xiàn)了手術(shù)過程中腫瘤組織的原位、在體、實時檢測和診斷［40］。累計研究了十幾種腫瘤和相應(yīng)的正常組織。與病理診斷結(jié)果進行對照發(fā)現(xiàn)紅外光譜法診斷符合率達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、相對強度等譜學(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。

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

總之，由于ATR-FTIR 固有的優(yōu)點，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)具有制樣簡單、操作簡便、可以實時原位跟蹤無損測試等突出有優(yōu)點，極大地擴展了紅外光譜的應(yīng)用領(lǐng)域。ATR-FTIR 光譜的發(fā)展一方面是儀器的改進，另一方面是新應(yīng)用領(lǐng)域的開發(fā)，同時，新的分析方法也正在不斷建立。針對紅外定量性不夠好的不足，利用化學(xué)計量學(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。

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