10-红外光谱二维相关.pptx

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二维相关红外光谱-原理及应用,二维相关光谱的发展,二维谱表现的是两个与频率相关的函数。

在核磁共振中，采用脉冲序列，逐渐增长脉冲序列中的某一时间间隔而产生二维谱。

这种方法很理想，但不能应用于红外光谱，因为每种仪器方法有着不同的时标（timescale）。

时标和频率互为倒数关系。

在红外光谱中，红外光频率为10121013Hz，故时标为10121013s。

如此快速的时标很难用脉冲序列中的时间间隔来实现。

可虑新的途径产生二维红外光谱!

二维光谱面临的问题,二维相关光谱的基本原理,-I.NodaBull.Am.Phys.Soc.31,520,1986-I.NodaJAm.Chem.Soc.111,8116,1989-I.NodaAppl.Spectrosc.44,550,1990,二维相关光谱的特点,定义：

二维相关光谱是表征光谱各信号在外部微扰过程中相互间关系的一种新型光谱，是一种建立在对光谱信号的时间分辨检测基础上的光谱分析方法本质：

三维光谱学，具有两个独立的波数变量特点：

提高一维谱的分辨率得到不同官能团对外界微扰响应的先后顺序判断不同官能团之间相互作用的相对强弱,将现代红外光谱分析带入了一个新的时代！

获取二维相关光谱的流程图,3800.0,3600,3200,3000.0,0.350.300.250.200.150.100.05-0.001,0.50,0.55,0.60,0.65,0.70,0.75,0.8480.80,3400cm-1,0.45A0.40,样品,微扰（机械、电、化学、磁、光、温度等）,动态光谱,相关分析,电磁探针（红外、,紫外、拉曼等）,二维相关光谱,使用某种微扰以激发被测体系的分子。

由于被激发的分子的驰豫过程慢于红外光谱的时标，因而可用前述的时间分辨技术，检测动态过程，经处理得到二维红外光谱。

几种图形的表示方式,平面光谱图横坐标:

代表某一变化参量的（如波长、波数等）纵坐标:

代表体系相应于此变量的某种光谱学性质（如发光强度、吸光度度、透过率等）三维非相关光谱图（堆积图）具有两个独立的变量轴（平面光谱图）和表示体系光谱学性质的因变量轴。

体系的光谱学性质分别随两个变量变化的情况和两个变量之间的相关性二维相关谱图（计算图）将交叉-相关分析方法运用到动态光谱数据中,获得一系列二维相关谱图。

两个变量通常是一个物理量,彼此相关。

两种表示方法同步和异步等高线图,同步和异步鱼网图,二维相关光谱的鱼网图,三维堆积图,三维堆积图和二维相关光谱,二维相关光谱的投影图,二维相关光谱的原理,动态光谱,傅里叶变换,二维相关光谱,Tmin,otherwise,fortTmax,y（,t）y（,t）y（）,0,it,y（,t）edt,）,Y（,1,1,）,*,0,1,（1,2）i（1,2）,（TmaxTmin,Y1（）Y2（,）d,max,T,Tmin,1TmaxTmin,y（,t）dt,y（）,其中,同步图异步图,0,TmintTmax其他情况,y（,t）y（,t）y（）,动态光谱,T,max,Tmin,1TmaxTmin,y（,t）dt,y（）,y（）,即在有外界微扰作用时，假设于变量（此处变量可以是波数、拉曼位移、散射角度等）处测得的光谱强度y，在被检测的时间范围Tmin到Tmax内是一个随时间变化的量：

y（,t）。

其中，y（）为参考光谱，通常将其定义为从Tmin到Tmax内的统计或平均光谱，其表达式为：

傅里叶变换,y（）,dt,it,y（,t）e,）,Y（,1,1,为了得到二维相关谱，必须将时域里测得的动态光谱经傅里叶变换变化到频域中。

动态光谱y（1,t）的傅里叶变换形式为：

y（2,t）,*,类似地，动态光谱,的傅里叶变换的共轭Y2（）为,傅里叶变换中的频率代表y（1,t）随时间变化的独立的频率部分。

dt,it,y（,t）e,2,*,Y2（）,将一对在不同光谱变量和处测得的经过傅里叶变换的动态光谱信号进行数学中的交叉相关分析（Cross-correlationAnalysis），就得到了其广义二维相关光谱，计算公式如下：

相关光谱计算,实部和虚部分别代表动态光谱的同步和异步相关光谱。

实部代表在两个独立波数处测得的光谱强度随时间动态变化的相似性。

当发生在和处的动态变化完全一致时，达到最大值；当两个动态变化正交时，它的值为；当两个动态变化完全相反时，它达到最小值（负的最大值）。

虚部代表动态变化的差异性。

当两个动态变化完全一致或者完全相反时，它的值都为0；而只有当两个动态变化彼此正交时，它才达到最大或最小值。

T,0,1212,Y1（）Y2（）d*,（,）i（,）1,同步相关强度的计算,1,12,m,y（）y（）,（,）,j1j2,m1j1,通常为了方便表达，动态光谱集可以用列向量表示,则上面公式可简化为：

2,1,m,y（,t）,y（,t）,y（,t）,y（）,1,2,1,12,）,y（）y（,（,）,m1,在实际的谱图测定中，数据的获得不可能是连续的，只能是有限个数据点。

因此在进行二维相关强度的数值计算时，必须用求和来代替连续的积分。

假设在微扰变量t的作用下，按等间距测得m个数据点，则所测得的动态光谱集可以表示为yj（）y（,tj）j=1,2,L,m其同步二维相关光谱强度数值的表达式为：

异步相关强度的计算

（一）,对于异步相关强度的数值计算方法较多，其中最简单有效的方法，是通过Hilbert变换得到。

其中，,12,j2,m,j1,（）（）,m1,）1,z,y（,j1,m,z,k1,j2,（v）,Ny（）jkk2,其他情况,01,而Njk对应于Hilbert-Noda转换矩阵中的第j行k列元素jk,Njk,（kj）,异步相关强度的计算

（二）,则异步相关强度由下式给出：

其中N是Hilbert-Noda变换矩阵，,1,2,1,12,）,y（）Ny（,（,）,m1,1,1032,1,2,10,1123112101,1,0,N11,二维同步相关谱,二维异步相关谱,二维相关光谱的图形表达,二维相关同步谱的解释,同步相关光谱是关于对角线对称的。

在主对角线上处有一组峰，它是动态IR信号自身相关得到的，称为自相关峰（Autopeak）。

自相关峰总是正峰，它们代表吸收峰带对一定微扰的敏感程度。

处于非主对角线处的峰称为交叉峰（Crosspeaks）。

当两个独立波数处的动态IR信号彼此相关或反相关时，就会出现交叉峰，交叉峰可正可负。

交叉峰的出现说明在官能团之间存在着相互作用，这些作用可以限制他们独立的变向运动。

当两个不同官能团的振动相应的暂态电偶极矩以同一方向发生变化，就产生一个同相交叉峰；当两个不同官能团的振动相应的暂态电偶极矩发生相反方向的变化，则产生一个异相交叉峰。

简单地说，两个官能团对微扰的响应是一致的（同时增强或减弱），交叉峰为正，反之若一个增强一个减弱，则交叉峰为负。

二维相关异步谱的解释,二维异步相关谱仍呈正方形，但无对角线峰，仅有对角线外的峰，即交叉峰。

异步相关谱中的交叉峰表明与它相应的两个红外吸收的偶极跃迁矩的重定向行为是独立的，因此这种“相关峰”正好说明与这两个吸收相对应的官能团没有相互连接、相互作用的“相关”。

异步相关谱也有正、负号之分，它反映了所对应的两个偶极跃迁矩重定向的相对快慢。

一个正的交叉峰说明在v1处的光谱强度的变化比在v2处的变化提前发生，而负的交叉峰则恰恰相反，说明在v2处的光谱强度的变化比在v1处的变化提前发生。

（，）、（，）符号,，变化顺序,同号（同正或者同负）异号（1，2）=0（1，2）=0,先于后于1，2完全异步1，2完全同步,同步图，红色区域标识的为负峰。

可总结为：

“同号横先变，异号纵先变”,事件发生先后顺序的判断,异步图，红色圆圈标识的为负峰。

思考题,哪个峰先变？

二维相关光谱分析软件,步骤一：

选择谱图所在路径,步骤二：

设置分析的波段,步骤三：

设置波数间隔,步骤四：

设置等高线数目,步骤五：

设置阈值（0-100之间）,步骤六：

绘图,一共可以提供五种类型的图形：

二维同步图（2Dsynchronousmap）;二维异步图（2Dasynchronousmap）;自动峰图（Auto-Peakmap）;三维同步图（3Dsynchronousmap）;三维异步图（3Dasynchronousmap）,举例,参数设置如下,点击Plot,绘制二维相关同步图（等高线图）,点击Command|Asynchronous绘制二维相关异步图（等高线图）,点击Command|Auto-Peak绘制自相关峰图（对角线图）,点击Command|3D-Syn绘制三维相关同步图（鱼网图）,点击Command|3D-Asyn绘制三维相关同步异（鱼网图）,其他功能,应用举例:

三种红木的红外光谱,2000.0,1800,1600,1400,1000,800,600,400.0,1200cm-1,A,1736,1614,1510,1463,14281317,1273,13721230,1160,1030,895,835,656,600,558,1740,16191508,1460,14251329,137212701159,12301107,1030,899,835,658,599,1739,1640,1509,13401375,1316,1267116016121463,1030,898,833,779698744,529,558491,Sandalwood黄花梨木DalbergiaodoriferaTChen,Rosewood花梨木PterocarpussantalinusL.F.,Padaukwood亚花梨木Pterocarpusspp.,三种红木的二维相关红外光谱,SandalwoodDalbergiaodoriferaTChen,RosewoodPterocarpussantalinusL.F.,PadaukwoodPterocarpusspp.,二维相关光谱的拓展,数据的预处理技术（消除噪音、基线校正等）二维相关光谱的差异分析混合二维相关光谱（Hetero2D）样本样本相关光谱（Sample-Sample）杂合光谱（Hybrid2D）移动窗口二维相关光谱（Moving-Window2D）相关系数,数据的预处理,消除噪音小波变换人工神经网络主成分分析基线校正MSC导数光谱其他预处理方法归一化差谱去卷积,-DaqiZhanetal,LectureNotesinArtificialInteligence.3801:

965,2005-R.J.BerryetalAppl.Spectrosoc.56,1462,2002.-Y.M.JungetalAppl.Spectrosoc.56,1562,2002.,小波消噪方法的应用,小波消噪,不同生长年限的黄连样品（a）一年生；（b）二年生；（c）三年生；（d）四年生二年生样品与其他年差异较大，与液相色谱结果相吻合。

二维相关光谱的差异分析,对于复杂体系，二维相关光谱提供了丰富的信息，但也提出了问题如何区分及描述两张二维相关光谱之间的差异？

4000.0,3500,3000,1500,1000650.0,96.69080706050403020100.0,25002000cm-1,%T,二维相关光谱的差异分析,二维相关红外光谱图间距离的定义,二维相关红外光谱图间相似系数的定义,红酒二维相关光谱图的差异分析,U01-U03为盲样,市场购买23瓶酒No.TypeEthanol,Sugarg/L,D10DryR,12.0%,DryDryDryDryDryDryDryDryDryDry,No.TypeEthanolSugarg/L,S10Red12.0%,Sweet,4g/L4g/L4g/L4g/L4g/L4g/L4g/L,4g/L,干红的类间距离,Mean:

0.022;Standarddeviation:

0.007;Range:

0.034,干红与甜红两类酒之间的距离,Mean:

0.269;Standarddeviation:

0.105;Range:

0.323,分布图,intradistancewithindryredwines,interdistancesbetweendryandsweetredwines,假设检验（Onetailedt-test）,12,11,s,nn,xy,t,2,（n1）s2（n1）s2,s1122,n1n22,ttn1n22,1,H0:

inout,AcceptH0,otherwise,when,in,inin,D:

N（,2）,out,out,out,D:

N（,2）,Din,Dout,Din,Dout,盲样的检测,H0:

dDDD,（thesampleisdryredwine）,D01U010.022U020.013U030.188,D020.0170.0130.193,D030.0410.0340.207,D040.0150.0160.190,D050.0250.0190.202,D060.0240.0200.201,D070.0200.0140.195,D080.0350.0300.210,D090.0200.0220.202,D100.0160.0120.190,D0.0240.0190.198,Std.HPdf0.00800.27912.300.00800.81613.080.00810.00012.87,样品鉴别正确！

CriticalSig.level=0.05JChen,QZhou,INoda,SSun,Appl.Spectrosc.,2009,63（8）:

920-925,混合二维相关光谱（Hetero2D）,构筑在不同类型或不同区域光谱之间应用：

两个相互关联的光谱技术之间的相关性，例如,IR/NIR,IR/Raman-F.E.BartonIIetalAppl.Spectrosc.46,420,1992.2DIR/NIR-A.AwichietalAppl.Spectrosc.56,897,2002.2DIR/NIR-M.A.CzarneckietalChem.Phys.Let,283,326,1998.2DIR/NIR-Y.M.JungetalJ.Phys.Chem.B104,7812,2000IR/Raman两个完全不同的类型的光谱方法或技术之间的相关性，例如，IR/X-ray,IR/ESRetal-I.NodaChemtract:

Macromol.Chem.1,89,19902DIR/X-ray-N.NagaietalAppl.Spectrosc.55,1207,2001.2DIR/ESR-H.C.ChoietalJ.Phys.Chem.B107,5806,20032DX-ray/Raman,IRspectraintheamideIIIregionoflactoglobulininbuffersolutions（1,2,3,4,and5wt%）.,RamanspectraintheamideIIIregionoflactoglobulininbuffersolutions（1,2,3,4,and5wt%）.,-Y.M.JungetalJ.Phys.Chem.B2000,104,7812-7817,混合二维相关光谱举例,随浓度变化的b-lactoglobulin的二维IR-Raman混合相关图,1235cm-1sheet1258cm-1Unorderedstructure1268cm-1Tyrresidue,（a）Synchronous同步谱中出现的1245，1235cm-1与1295,1283和1265cm-1的负交叉峰可以认为是不同的二级结构所导致的，而（1245,1256）cm-1的正交叉峰表明IR的1245cm-1和Raman谱的1256cm-1峰同属二级结构无规卷曲。

（b）Asynchronous,异步谱中可以指认出蛋白分子中不同的二级结构，以及氨基酸残基。

样本样本相关二维光谱,以样本（如观察到的不同的时间、温度以及浓度等）为轴来描述样本之间的相关信息,1vvm11Hvvm1,-aic,SetalJ.Phys.Chem.A2000,104,6380.-aic,S.etalJ.Phys.Chem.A2000,104,6388,1,n1,s,sv,n1,1,Y,YT,样本样本相关光谱举例,RNaseA随温度变化的红外光谱和常规二维相关光谱,样本样本相关的二维光谱,同步谱图体现的是光谱对外界微扰变化的响应结果,Slice图（剖面图）体现出变化点,移动窗口二维相关光谱（Movingwindows2DCOS）,对角线上自动峰（官能团）对温度的响应ThomasM.andRichardsonH.H.,Vib.Spectrosc.2000,24:

137-146,二维相关光谱法中的相关系数,ZWYu,LChen,SQSunandINoda,J.Phys.Chem.A,2002,106:

6683-6687F.B.BartonII,etal,Appl.Spectrosc,46,420,1992;47,19201993,DMSO水正癸胺在过量的正十二烷中，SO，OH，和NH2官能团之间二维相关系数。

二维相关谱图其核心在于将交叉-相关分析方法运用到动态光谱数据中，获得一系列二维相关谱图（这是一个软件技术，通过对一系列谱图的计算而得到的）。

它的两个变量通常是一个物理量，彼此之间是相关的。

同步相关它表征同时测量（波数不同的）两个相关信号的相关性；异步相关它表征在相隔时测量（波数不同的）两个相关信号的相关性。

自相关峰总是正峰，代表吸收峰对一定微扰的敏感程度。

同步交叉峰的出现说明在官能团之间存在着分子内或分子间的相互作用。

异步交叉峰表明与它相应的两个红外吸收的偶极跃迁矩的重定向行为是独立的。

异步相关谱的正、负号，反映了所对应的两个偶极跃迁矩重定向的相对快慢。

二维相关谱峰与一维光谱相比有一些微弱的差别。

二维相关分析本身不能产生额外的物理信息，只代表一维光谱中所覆盖的微弱结构变化的信息。

二维相关光谱要点小结,二维相关光谱的应用,聚合物分析研究蛋白质二级结构分子动力学液晶复杂体系的宏观监控中药：

中药材、配方颗粒、饮片、注射剂等食品：

奶粉、葡萄酒、保健品等,参考资料,书籍IsaoNoda,YukihiroOzaki,Two-DimensionalCorrelationSpectroscopy，2004孙素琴，周群，秦竹，中药二维相关红外光谱鉴定图集，2003孙素琴，周群，陈建波，中药红外光谱分析与鉴定，2010,软件下载http:

/sci-tech.ksc.kwansei.ac.jp/ozaki/2D-shige.htm,Thanksforyourattention!