1  引言

　　二維相關光譜是一種實驗設計與數據處理相結合的分析技術。對于每一種樣品體系，需要根據研究目的，設計合適的實驗方案，通過對樣品施加特定的微擾(包括機械拉伸力、溫度、壓力、濃度、磁場、光照等)，誘導光譜信號產生動態變化，對一系列的動態譜圖進行相關分析計算，便得到二維相關譜圖(圖1)。二維相關譜圖反映的是樣本中各種組成成份或者微觀結構單元相應于外界微擾的變化情況，以及這些變化之間相互的聯系。目前應用最廣泛的是以溫度為變量的二維相關紅外光譜技術。

　　2  二維相關光譜的特性

　　二維相關光譜可用三維立體圖或二維等高線圖進行可視化顯示，便于直觀地對二維信息進行解析。在二維相關光譜的等高線圖中，z坐標軸值用x-y平面中的等高線表示。同步相關光譜代表兩個動態紅外信號之間的協同程度，它是關于主對角線對稱的。相關峰在對角線和非對角線區域均會出現。在對角線上有一組峰，它是動態紅外信號自身相關而得到的，所以稱為自動峰。自動峰總是正峰，它的強度代表外擾引起的變化程度。強的自動峰對應于動態譜中強度變化較大的區域，而保持不變的區域則顯示出非常小或沒有自動峰，這與微觀環境對官能團運動的影響是密切相關的。在二維相關圖中(見圖1)，以圓圈的個數代表Φ(ν1,ν2)的絕對值。在坐標(A,A)，(B,B)，(C,C)和(D,D)處的自動峰分別具有2，1，4和2個圓圈，表明(C,C)處的自動峰最強，而(B,B)處的自動峰最弱。

　　二維同步相關光譜中位于主對角線以外的峰叫做交叉峰，它顯示擾動發生過程中ν1和ν2處的強度變化的相關變化。為了便于觀察自動峰和交叉峰的強度的相關變化，可以構造一個相關正方形，把對角線上的自動峰和兩側的交叉峰連貫起來。所以A和C，B和D是同步相關的(圖1a)。交叉峰的符號既可為正也可為負。如果發生在ν1和ν2處的強度變化是同一方向的，那么Φ(ν1,ν2)為正；反之，如果發生在ν1和ν2處的強度變化是沿著相反方向的，那么Φ(ν1,ν2)為負。

圖1 二維光譜（a）同步 （b）異步

　　異步光譜代表兩個動態紅外信號的光譜強度變化順序。與同步光譜不同的是，異步光譜是主對角線反對稱，沒有自動峰，完全是由對角線兩側交叉峰組成(圖1b)。但可用一對反對稱的交峰和對角線上相應的點繪制異步相關正方形。異步交叉峰的產生是由于兩個光譜峰的強度變化存在相對的加速度，這種特性可幫我們區分重疊在一起的起源不同的峰。

　　在一維動態光譜中，因靠得太近而重疊在一起的兩個吸收峰，如果是來自不同的官能團，就有可能在二維異步相關光譜中呈現為兩個明顯的獨立峰。二維異步相關分析常用來提高光譜的分辨率，系統中的不同化學組成、相同化學成分的不同相、同相中相同化學成分的不同官能團，在外部干擾下都可能有非同步的響應，從而產生異步相關峰。

　　異步交叉峰的符號可以是正的，也可以是負的(用陰影表示)，可以幫助指認亞分子官能團的變向運動次序，這有助于研究官能團間化學相互作用的機理和動力學。如果當同步相關光譜對應位置的強度為正（Φ(ν1,ν2)＞0）時，正的異步交叉峰（ψ(ν1,ν2)＞0）表示ν1處的強度變化總是先于ν2處的強度變化，負的表示ν1處的強度變化總是滯后于ν2處的強度變化；當Φ(ν1,ν2)＜0時，上述規則正好相反。

　　3  應用

　　二維相關譜學反映的是由外界擾動(如溫度、壓力、濃度等)引起的光譜變化的細微特征，將吸收峰在第二維的尺度上展開，從而提高光譜分辨率，有可能區分在一維光譜上被覆蓋的小峰和弱峰，從而提高光譜的解析能力。另外，二維相關譜學還可以提供以下信息：通過譜峰之間相關性來分析分子內部與分子之間的相互作用；檢測光譜強度的變化次序，能有效地對化學反應過程和分子振動的動力學過程進行詳細的研究；可以在不同類型的光譜之間(如紅外和拉曼光譜)進行相關性分析，從而獲得通常光譜所不能獲得的信息。

　　二維紅外相關光譜在藥物、聚合物、蛋白質、生物學等領域取得了成功的應用，如應用于聚合物材料的結構性能研究，生物蛋白質的次級結構研究，化學反應的反應機理探討和動力學研究，中草藥成分的鑒定區別等。我國在中藥二維相關光譜方面做了大量的工作，編輯出版了《中藥二維相關紅外光譜鑒定圖集》，并將溫度變化的二維相關紅外圖譜用于中藥鑒別、質量控制和中藥變質的機理研究等。

　　其中一個典型的實例是將二維相關紅外光譜用于“清開靈”中藥針劑的質量檢測。清開靈注射劑的主要成分為牛黃、水牛角、黃芩、金銀花、梔子等，具有清熱解毒、化痰通絡、醒神開竅的功效，對于熱病身昏、中風偏癱等疾病有很好的臨床效果。圖2是清開靈變質前后的紅外光譜，兩光譜的主要吸收峰非常相近，無法分辨。

圖2 清開靈變質前后的紅外光譜

　　圖3和圖4分別是清開靈變質前后的變溫二維相關紅外光譜，溫度變化范圍為30～150℃，間隔20℃。變質前的二維紅外同步光譜中出現大量相關峰，可以發現，1611 cm-1實際上是由1572 cm-1，1667 cm-1和1729 cm-1三個吸收峰組成。這三個吸收峰互相關聯，且1729 cm-1吸收峰的熱敏性與其它兩個吸收峰相反。這些吸收峰分別是生物堿、黃酮衍生物、其它羰基化合物吸收引起的。在其異步光譜的信息中，1667 cm-1變化要比1572 cm-1快而比1729 cm-1慢。對比圖3和圖4可以看出，變質后與未變質的二維紅外光譜區別非常明顯，變質后的同步光譜中沒有發現自動相關峰1667 cm-1和交叉峰(1417 cm-1，1667cm-1)，因此推斷室溫下清開靈的變質主要是因為黃酮的氧化引起。與此同時，與1059 cm-1吸收峰相關的交叉峰也減少了，1059 cm-1是糖苷類物質的特征吸收峰。由此可知，針劑的變質主要是黃酮氧化和糖苷熱降解導致。而異步光譜中則主要觀察到1729 cm-1，1667 cm-1，1572 cm-1，1417 cm-14組對溫度比較敏感的吸收峰的相互變化關系。顯然，將二維相關紅外光譜結合模式識別技術可實現藥品的自動識別，以及其他類似的應用場合，這將是今后該技術的主要研究方向之一。

圖3 清開靈變質前的二維相關紅外光譜 （a）同步相關（b）異步相關

圖4 清開靈變質后的二維相關紅外光譜 （a）同步相關（b）異步相關