综述：傅里叶变换红外光谱用于分子监测的综述：从静态表征到动态趋势

《Journal of Spectroscopy》：A Review of FTIR Spectroscopy for Molecular Monitoring From Static Characterization to Dynamic Trends

　　

傅里叶变换红外光谱（FTIR）已发展成为分子监测不可或缺的分析平台，涵盖从静态组成表征到实时动态趋势分析，跨越环境、工业和生物医学领域。本综述提供了FTIR应用的统一综述，系统地探讨了其与化学计量学算法（包括主成分分析（PCA）、偏最小二乘回归（PLS）和人工神经网络（ANN））的协同作用如何将原始振动光谱转化为可操作的定量和定性信息。探讨的一个核心主题是水在FTIR中的双重作用：其强烈的中红外吸收在工业废物监测中代表主要干扰，但同时又作为氢键环境和水合状态的内在探针，提供了未充分利用的诊断潜力。本综述批判性地评估了基于FTIR的策略，用于气态排放物、废水和固体残留物中的同时多组分定量，以及基于地面、机载和轨道平台的非接触式遥感。在生物医学领域，评估了无标记FTIR诊断和高分辨率化学成像在疾病筛查、治疗监测和单细胞组织病理学中的应用。讨论了跨领域挑战——包括基质干扰、模型可迁移性和灵敏度-便携性权衡，并提出了一个前瞻性路线图，优先考虑可解释的机器学习、统一的光谱库和闭环过程控制。通过从零散文献中提炼常见瓶颈和协同机会，本综述阐述了FTIR在智能数据分析和标准化的增强下，成熟为下一代环境监测和精准诊断的监管级、自主分子监测技术的轨迹。

1. Introduction
分子状态的监测是现代科学研究的基础，在环境污染控制和早期疾病诊断中具有重要实用价值。工业活动规模扩大和慢性疾病负担增加，迫切需要更快、更全面的分子分析技术。傅里叶变换红外光谱（FTIR）基于分子振动对红外光的吸收，通过傅里叶变换将干涉图转化为吸收光谱，提供样品分子组成的独特“指纹”。FTIR具有非侵入性、实时监测、样品制备少等优势，适用于气、液、固各种状态，且能同时多组分检测和远程传感。其高灵敏度和特异性可用于特定官能团和化合物的精确识别。然而，FTIR在复杂样品分析中的潜力需与化学计量学算法（如主成分分析（PCA）和偏最小二乘（PLS）回归）结合，以解决重叠光谱并提取化学信息。尽管已有大量研究，但缺乏系统整合静态识别和动态监测的综述，因此本文旨在填补这一空白，提供多维视角，强调工业废物流（气态排放、废水、固体残留）中FTIR与化学计量学结合的应用，并指出未来发展方向。

2. The Multidimensional Application of FTIR Technology in Molecular Static Characterization and Monitoring of Substance
FTIR光谱从研究工具演变为通用分析仪器，关键在于干涉仪设计改进（如空气轴承镜和激光参考系统）、联用技术（如气相色谱-FTIR（GC-FTIR）和热重分析-FTIR（TGA-FTIR））以及先进附件（如衰减全反射（ATR）和高通量成像系统）的发展。在静态表征中，FTIR通过红外吸收光谱捕捉分子振动模式，揭示化学结构，特别适用于复杂化学混合物的同步分析。工业废物流监测需要应对多相（气、液、固）基质，分辨有机溶剂、无机盐和颗粒物的重叠信号。工程设计中，工业级FTIR强调长期稳定性、温度湿度耐受性和抗腐蚀性，采用密封干涉仪、加热光学台和耐腐蚀材料。

2.1. Molecular Vibration Recognition: Revealing the Chemical Structure of Matter
FTIR通过分子振动模式揭示物质化学结构，例如瓜尔胶的FTIR-ATR光谱显示羟基（OH）和C-O键的特征峰。水在O-H伸缩（3000–3700 cm^-1）和H-O-H弯曲（约1640 cm^-1）区域的吸收对氢键环境敏感，可区分自由水、界面水和结合水。在气体分析中，频率梳傅里叶变换红外光谱（FC-FTIR）系统结合多通池实现了大气甲醛的高精度监测，地面FTIR验证了加拿大高北极地区一氧化碳（CO）的卫星数据。在固体基质中，ATR-FTIR识别了农业土壤中的微塑料（如聚丙烯和聚对苯二甲酸乙二醇酯），FTIR-光声光谱（FTIR-PAS）实现了土壤有机质的深度分辨分析，竞争性自适应重加权采样-偏最小二乘（CARS-PLS）回归预测了森林凋落物碳含量。

2.2. Simultaneous Multicomponent Analysis: Tracking the Presence of Multiple Chemicals
FTIR结合PLS回归实现了温室气体（CO₂、CH₄、N₂O）的高精度同时定量。同步辐射FTIR分析了PM10中的有机和无机成分，并进行了来源解析。在工业排放监测中，FTIR成功量化了低温、低浓度、高湿度废气中的SO₂、NOx、HCl和NH₃，开放式路径FTIR（OP-FTIR）监测了石化罐区的VOCs质量通量，在线FTIR系统在长期高负荷运行中保持稳定。此外，集成光学系统在ppb级别检测了挥发性有机化合物（VOCs），用于环境空气和呼出气分析。

2.3. Contactless Remote Monitoring: Enabling Large-Scale Environmental Surveillance
FTIR的非接触远程分析能力通过OP-FTIR实现，例如单站OP-FTIR监测了N₂O和CO₂的线平均浓度。便携式FTIR平台结合4G/5G通信和云服务器，实现了快速部署和实时数据传输。基于CubeSat的低分辨率FTIR实现了全球尺度的温室气体全天候监测，但空间分辨率较低。地面90m开放路径FTIR验证了Picarro分析仪的高精度测量，城市峡谷中320m开放路径系统监测了CO₂、CO、CH₄和N₂O的昼夜和一周排放模式。

3. Multidimensional Application of FTIR Technology in Monitoring the Dynamic Trend of Material Molecules
动态分子监测中，FTIR可追踪物质分子状态的时间变化，涵盖生物医学诊断和化学反应动力学。在生物医学中，通过红外吸收光谱实现无标记、非侵入的疾病组织生化变化识别；在化学中，实时监测反应过程以阐明机理。

3.1. Biomolecular Vibrational Spectroscopy: Monitoring Biochemical Changes in Diseased Tissues
FTIR监测了X射线照射后人神经母细胞瘤细胞的蛋白质二级结构变化，观察到酰胺I带中β-折叠含量增加、α-螺旋含量减少。癌症组织样本揭示了DNA、蛋白质和脂质的特征光谱变化。抗疟药双氢青蒿素（DHA）处理卵巢癌细胞后，脂质和核酸积累显著。快速扫描FTIR监测了蓝细菌光系统II（PSII）中Mn₄CaO₅簇的光激活，揭示了锰离子配位和蛋白质构象变化。

3.2. Chemical Imaging of Cells and Tissues: High-Resolution Pathology Analysis
FTIR化学成像提供了生物样品中生物分子的空间分辨化学图谱。干燥血清样本的成像结合机器学习区分了原发性骨髓纤维化患者，准确率0.923–1.00。FTIR成像结合免疫组化（IHC）绘制了轻度创伤性脑损伤大鼠脑皮层中的蛋白质和脂质减少。乳腺癌组织成像显示了癌症与健康组织间的显著大分子差异。同步辐射宏ATR-FTIR微光谱成像实现了单个疟原虫感染红细胞的2μm空间分辨率化学图谱，区分了寄生虫、血红蛋白和疟色素。

3.3. Label-Free Rapid Diagnosis: Noninvasive Identification of Pathological Conditions
FTIR结合光谱库和聚类分析快速识别了制药洁净室中的环境细菌。ATR-FTIR结合机器学习（支持向量机（SVM））从唾液样本中筛查2型糖尿病，实现了高诊断准确率。胶质母细胞瘤组织样本中发现了1612 cm^-1新峰和β-折叠蛋白结构增加，结合机器学习以近100%准确率区分癌症与非癌症。偏最小二乘判别分析（PLS-DA）区分了三种黑色素瘤细胞系。FTIR结合多变量分析以98%准确率筛查了高危人乳头瘤病毒（HR-HPV）。在卵巢癌中，FTIR不仅用于诊断，还监测了肿瘤进展和耐药性。

3.4. Real-Time Reaction Monitoring: Applications in Process Monitoring and Quality Control
实时FTIR监测了柴油发动机润滑油中的燃油稀释现象，保护设备。FTIR识别了汽车汽油中不合规的添加剂，防止发动机损坏。ATR-FTIR结合多变量校准快速预测了原油的API度、氮和硫含量。FTIR结合PLS建立了小麦麸皮固态发酵过程中蛋白质、水分、总酚和粗纤维的定量模型，实现在线控制。微流控反应器集成片上ATR-FTIR实现了试剂和产物的实时多点测量，用于动力学研究。

3.5. Exploring Reaction Mechanisms: Elucidating Chemical Reaction Pathways
原位FTIR研究了非热等离子体（NTP）去除NO的反应路径，追踪了NO₂和N₂O₅等中间体。FTIR结合¹H NMR研究了高温高压蒸汽/石脑油共注下重质原油的化学转化，揭示了石脑油降低粘度的机理。专用ATR-FTIR装置获得了水蒸气与粉末材料相互作用的动力学数据。流动型FTIR结合NMR检测了苯并噁唑合成中的低强度中间体信号。原位FTIR结合二维相关光谱（2DCOS）揭示了Paal–Knorr吡咯合成中中间体的动态生成过程。

4. Technical Limitations and Challenges
FTIR性能受多种挑战制约。空间分辨率受中红外光衍射限制，通常为几微米，无法可视化纳米结构。时间分辨率受干涉仪扫描速度限制，难以监测超快反应。高灵敏度需要长采集时间或特种光源（如同步辐射）。环境干扰方面，水汽和CO₂强吸收严重掩盖目标物光谱，复杂基质引入背景噪声和光谱重叠。数据依赖化学计量学模型（如PLS、PCA），模型精度和泛化性依赖训练数据集质量，存在过拟合和跨仪器迁移问题。此外，系统成本高、复杂，便携性与性能存在权衡，缺乏标准化光谱库和校准转移协议。

5. Outlook and Suggestions
未来研究方向包括：增强核心仪器性能，开发高效光学元件（如超表面和3D超材料）、下一代探测器（如量子级联探测器（QCD）和双梳量子级联激光器），优化信号处理算法。推进多技术融合，如GC-FTIR微流控芯片、FTIR与拉曼光谱结合，以及数据融合和算法优化（如堆叠稀疏自编码器（SSAE）和去卷积算法）。发展智能数据分析，采用可解释机器学习（如SHAP和LIME）、迁移学习和领域自适应，以及深度学习。促进小型化，如纳米FTIR基于散射型扫描近场光学显微镜（s-SNOM）实现纳米级空间分辨率，用于聚合物、二维材料和生物材料。建立标准化协议，包括光谱采集、数据格式和模型报告，以促进工业废物监测的监管认可和跨实验室可比性。

6. Conclusions
本文全面综述了FTIR光谱在静态表征和动态监测中的多维应用，强调其在工业废物流中依赖于硬件工程、化学计量学算法和校准模型的三方协同。FTIR在气态排放物中实现了稳健的同时多组分定量，但在固体废物和高有机负荷废水中仍面临光散射和基线漂移挑战。在生物医学领域，无标记FTIR诊断已接近临床精度，但受限于仪器间光谱变异和缺乏大规模光谱库。未来FTIR将向智能、集成、自主的分子监测平台发展，通过硬件和软件创新实现新的科学突破。