傅里叶变换红外(Fourier Transform Infrared, FTIR)光谱技术的基本原理是利用红外光谱对物质进行分析，以确定其化学成分。FTIR技术通过测量吸收谱带和对吸收谱带进行傅里叶变换的方法来测定红外光谱，红外光谱的强度与形成该光的两束相干光的光程差之间有傅里叶变换的函数关系。当物质被红外光照射时，其分子会吸收特定波长的光，产生振动。这些振动模式可以被记录下来，形成一个独特的光谱，就像人类的指纹一样。因此，FTIR技术可以用来识别和区分不同的物质。FTIR的这种功能对于植物的鉴别在农业、中药材、环境保护、法医植物学领域中也有广泛的应用。
傅里叶变换红外光谱探测分子振动，官能团与特征红外吸收带相关联，该吸收带对应官能团的基本振动。FTIR光谱通过测量一定波长范围内吸收的红外辐射的强度来实现。该光谱显示了强度(吸光度和透射率)和频率(波长)之间的关系。分子的红外光谱显示了指纹光谱特性，并通过光谱范围内4 000～400 cm-1的分子官能团的吸收带表示化学结构[1]。最初，FTIR光谱在处理混合物或重叠波段的分析时模糊不清。在20世纪中叶，有学者发现将FTIR光谱与化学计量学如主成分分析-判别分析(PCA-DA)、偏最小二乘法-判别分析(PLS-DA)、支持向量机(SVM)、最小二乘-支持向量机(LS-SVM)以及反向传播神经网络(BP-NN)等相融合可以成功解决光谱重叠和干扰的问题[2]。通过使用多元分析技术，化学计量方法可以从FTIR光谱中提取有价值的信息，从而能够识别和量化样品中的各种化学成分。这种技术越来越多地应用于植物科学，包括区分不同生长区域的植物和花粉，对于农作物种子的鉴定，筛选高产量、优势大的种子来进行播种，以提高农作物产量和品质。鉴别中药材的真伪。准确识别并控制外来入侵物种进行环境保护。在法医植物学中，植物鉴定可用于将处理过的尸体与犯罪现场联系起来以及毒品原植物和违禁植物的鉴别。
1 傅里叶变换红外(FTIR)光谱在植物鉴定中的应用
1.1 在农业中的应用
植物鉴别在现代农业中发挥着至关重要的作用，有助于作物管理和生产的各个方面。通过准确识别不同的植物物种，农业工作者能够更好地了解植物特性、生长习性以及适宜的种植环境，从而选择合适的施肥和灌溉计划，在疾病管理和作物选择方面制定合理的方案，有效提高农作物的产量和质量。FTIR在评估作物质量方面发挥着重要作用。通过光谱分析，FTIR可以检测作物中的重要化合物，例如蛋白质、脂质和碳水化合物。此功能可用于评估作物成熟度、营养成分和污染物的潜在存在。
1.1.1 合适的施肥和灌溉计划的选择
不同的农作物对于养分和水分的需求是不同的，通过准确鉴定植物种类，农民可以根据植物的特性和需求，制定科学合理的施肥和灌溉计划，提高养分和水资源的利用率以及防止农作物的病虫害。Morais等[3]通过傅里叶变换红外(FTIR)光谱分析评估了腐植酸(HA)对硫酸锌的潜在复合。确定了玉米的锌含量及其在溶液中的可用性以及茎和根的生物量，有效利用锌肥可以提高土壤粮食产量。夏镇卿等[4]应用FTIR测定不同温度处理下玉米幼苗根、茎、叶中有机大分子含量的变化，探究全球变暖的环境下对于玉米种植的影响，选择合适的培养温度，提高玉米产量。Da Silva Leite等[5]使用衰减全反射傅里叶变换红外(ATR-FTIR)光谱来分析灯笼果的缺水容忍度，缺水会导致植物中存在官能团的变化，ATR-FTIR技术能够检测到这些生物分子的变化，有助于选择引水处理，提高对缺水的容忍度。傅里叶变换红外光谱法必须经过严格的测试才能应用于现实农业生产实践中。虽然上述研究使用模拟条件验证了合适的温度、肥料类型和灌溉量等相关因素，然而是否能有效满足实际应用条件还应该结合不同的检测技术以及统计学方法来进一步分析。
1.1.2 疾病管理和作物选择
为了培育出优良的农作物，通过基本的形态学特征进行植物品种和栽培品种的识别是有问题和具有挑战性的，这不仅是由于它们之间的差异较小，而且由于该过程的技术限制。使用遗传标记技术进行农作物的选择时，虽然灵敏度高且高效，但是需要价格昂贵的设备和过硬的技术专长。FTIR技术通过检测农作物组织中的化学成分，可以帮助农业工作者快速、准确地对农作物进行识别和监测。在农作物生产中，农作物的病害会导致产量和质量下降[6],因而准确识别农作物的病害类型对农业生产至关重要。王小虎等[7]利用傅里叶变换红外光谱法结合化学计量法对健康香蕉叶与患病香蕉叶进行区分，准确、高效地鉴定香蕉枯萎病，更好地提高农作物的产量。杨卫梅等[8]采用傅里叶变换红外光谱结合二阶导数红外光谱和二维相关红外光谱技术对蚕豆、玉米、洋葱和大蒜的正常叶片、锈斑及斑点附近的绿色部分进行检测，结果显示应用这种方法能简单、快速地鉴别农作物锈病叶，为农业工作者进行农作物疾病管理提供一个简单、有效的方法。在作物选择方面，选择优良作物对于农业成功和粮食安全至关重要。作物的质量直接影响产量、营养价值。李姝洁等[9]利用FTIR结合二维相关红外光谱对萌芽的小麦种子进行研究，检测不同萌芽天数下小麦种子中贮藏蛋白质、脂质及多糖的含量变化，从而选择优良萌芽的小麦种子。由此可见，在进行对复杂混合体系进行检测时，单纯的红外光谱技术已经难以对其进行鉴别，结合二阶导数和二维相关红外光谱可以提高光谱的分辨率，这些方法要求研究者具备十分专业的红外光谱知识。
1.2 在中药材鉴别中的应用
中药材具有独特性，有助于其发挥不同的治疗作用，然而，由于大量中药材的外观、质地和气味相似，准确鉴别至关重要。FTIR在区分不同种类的药用植物、检测掺假物以及评估中药材料的质量和真实性方面特别有价值。通过将未知样品的红外光谱与经过认证的参考材料的红外光谱进行比较，FTIR可以有效识别特定功能组和化合物的存在，从而准确区分中药成分。由于中药材的市场需求量大，有些不法商贩为了追求利润，可能会采用替代品或掺杂其他植物来冒充真正的中药材。植物鉴定可以确保中药材所标识的植物种类与实际植物物种一致以及中药材中有效成分的测定，从而降低有害副作用的风险并提高治疗效果。
1.2.1 中药材的真伪鉴别
通过植物种属鉴定可以准确地鉴别出中药材的真伪，保证消费者的合法权益。大蓟作为传统的中药和临床用药，其伪品在市场上非常常见，但是正品和伪品的功效不同，混合使用可能会导致严重的后果，因此对于大蓟的鉴别非常重要。单圣男等[10]采用FT-IR技术结合聚类分析和SIMCA分类模式对39批大蓟及其伪品进行分析，探索出一种可靠性和准确性的鉴定方法，为中药材市场中药材真伪的鉴定提供了科学理论。砂仁是一种重要的南药，可用于治疗呕吐腹泻、脾胃虚寒、理气安胎等。目前市场上出现的砂仁真伪难辨，为了保护临床用药安全，必须保证砂仁的质量。程存归等[11]利用傅里叶变换红外光谱(FTIR)直接测定净砂仁及其伪品的不同部位的红外光谱，通过对光谱图的分析判断出中药砂仁的真伪。一些研究者会应用气相色谱-离子迁移谱联用技术(GC-IMS)来判别中药材的真伪，但其离子迁移谱数据库不够完善，且各类商用仪器的数据库不通用，部分离子无法识别，需要借助其他技术进一步定性分析[12]。而傅里叶变换红外(FTIR)则具有完备的谱库，而且操作简单，成为鉴别中药材真伪的一种常用技术方法。在上述实验中，实验员都使用了FTIR结合化学计量学进行中药材真伪鉴定，结果都准确鉴别出了中药材的真伪。但是FTIR的特异性是一个问题，它无法区分异构体或具有相似结构的化合物而可能出现错误的鉴定结论，尤其是在没有针对所有中药材变体的参考光谱的综合数据库的情况下。这个问题的解决给研究者带来了更大的工作量。
1.2.2 中药材有效成分测定
植物鉴定可以通过对中药材的化学成分进行分析，评估其活性成分的含量和质量，从而判断中药材的药效是否达标。在传统模式下，中草药的有效成分测定主要以《中国药典》为参照，一些特殊成分的含量测定主要采用高效液相色谱(HPLC)法，但该方法样品前处理复杂、样品损坏、费时费力、影响因素多，不适用于大批量样品的含量测定[13]。傅里叶变换红外光谱法具有高效液相色谱(HPLC)法不具备的优势，例如扫描速度快、操作简单、分析过程快速且无损、无需样品前处理、应用范围广泛[14]。FTIR能够对药材的全组分进行测定，反映样品的整体信息，结果具有完整性、全面性的特点[15]。顾旭鹏等[16]通过傅里叶变换光谱建立对金银花有效成分的含量测定，判断金银花的药效是否达标，以这种方法检测中药材的有效成分，降低了中药材的浪费率。李贝贝等[17]采用傅里叶变换红外光谱法对新疆不同产地采集的20批红花药材进行检测，结果表明，不同产地红花的傅里叶变换红外光谱图反映了不同产地红花化学成分或有效成分含量的差异，在一定程度上也反映了药材产地对药材品质的影响。FTIR应用于中药材有效成分测定对推进中药材产品的质量控制和标准化具有巨大的前景。但此项应用也存在一些问题，如中药材在被干燥后有效成分的质量是否被破坏、中药材在进行有效成分含量测量时没有准确稳定的定量模型等。
1.3 在环境保护中的应用
傅里叶变换红外光谱法在环境保护领域具有广泛的使用，它可以检测各种污染物，如一氧化碳、二氧化碳、氮氧化物和有机污染物，所以很早之前就被用于识别和量化空气污染物，评估空气质量。本文从空气污染物对植物的影响方面探讨傅里叶变换红外光谱技术在植物鉴定中的应用，能够从侧面反映出环境的污染度。植物鉴定通过识别不同的植物物种，使科学家和自然资源保护者更好地了解和保护不同的生态系统，有利于保护生物多样性和确保自然资源的可持续性。
1.3.1 濒危物种和生物多样性保护
随着经济全球化和极端天气的影响，入侵物种不断地引入国内，对经济、当地生态系统和本地植物带来了不利的影响。快速地准确识别入侵物种是控制外来入侵物种的关键。Holden等[18]使用ATR-FTIR光谱结合SVM可以准确区分植物类型和不同地理位置的植物，这为植物鉴定提供了一种快速而可靠的方法，使人们能够在应对外来入侵物种时做出针对性的控制措施，从而保护本地生物多样性。Morais等[19]使用了衰减全内反射傅里叶变换红外光谱(ATR-FTIR)技术支持向量机(SVM)化学计量学，检查入侵物种虎杖的区域差异。结果显示了来自不同地区的虎杖的光谱指纹区域(1 800～900 cm-1)的明显差异，成功地高精度鉴别了来自不同地理区域的植物。ATR-FTIR光谱法相比较于FTIR的优势在于不需要对样品进行特殊的准备，如干燥研磨、压片等，只需要将样品直接放在ATR晶片上即可，避免了因干燥研磨而使检测数据不准确的情况。
1.3.2 环境检测和污染治理
植物鉴定在环境检测和污染治理方面也发挥着重要的作用。通过对植物物种的分析可以判断环境中是否存在污染物。Lomax等[20]使用FTIR评估了植物孢子壁中UV-B吸收色素的历史水平，以了解平流层臭氧浓度的变化。Depciuch等[21]采用傅里叶变换红外光谱和酰胺Ⅰ型曲线拟合分析，确定空气污染和城市化等人为因素可导致榛子花粉基因突变，从而导致蛋白质二级结构(包括过敏性蛋白质)的变化，可能会加剧过敏的可能性，并可能导致人们过敏发生率的增加。重金属是最重要的环境污染物之一，这在很大程度上是由于工业化引起的，所以存在去除金属污染物的物理和化学的处理策略，但是化学处理方法成本高昂，并会产生其他污染物。因此需要探索其他的代替技术来去除金属污染物，即生物修复。生物修复方法包括生物增强、堆肥和植物修复等。其中，植物修复被证明是最可行和最便宜的替代方案。Usman等[22]利用FTIR来研究植物样品中重金属阳离子的结合能力，结果表明植物样品具有不同的官能团可用于结合重金属离子，因此可以用来进行对重金属污染治理。FTIR很早就用来直接检测大气中的污染物，但这种方法并不能直观地展现环境污染对于生物的作用，而通过对受污染植物的检测可以分析环境的污染程度进而寻找更合适的污染治理措施。
1.4 在法医植物学中的应用
植物鉴定是法医植物学中一项基本、重要的新兴且被低估的任务。实际上，法医植物学已经在许多涉及植物证据的法医案件中提供了重要的信息，这些信息有助于将嫌疑人、受害者或车辆与犯罪现场联系起来[23]。在户外犯罪过程中，植物材料可以从犯罪现场转移到受害人或犯罪人身上，并且由于地理分布的限制和特定植物的种植，这种微量的植物痕迹具有证明作用。而对于植物的鉴别有很多种方法包括形态学检验、解剖学检验、理化检验、孢粉检验和DNA检验[24]。形态学和遗传分析是分析植物片段证据最常用的方法，由于法医工作者不是专业的植物学家，传统的形态学检验对于他们来说是困难的。而且从现场发现的植物检材并非都是完整、新鲜的。非新鲜的植物检材可能因为保存状态而导致DNA降解、外源性污染，从而出现遗传学研究结果不准确。而傅里叶变换红外光谱可以很好地对破损和干燥的植物进行鉴别，具有高通量、非破坏性和简便的优势，目前已经成为植物鉴定的常规方法。在涉及植物的案发现场中，对于植物种类及分布地区的鉴定异常的重要。
1.4.1 第一案发现场与抛尸现场分析
在刑事案件中植物鉴定主要将处理过的尸体与犯罪现场联系起来[25]。FTIR光谱能够对花粉样本进行化学分析，以确定植物表型，从而对植物进行鉴别。通过分析犯罪现场的植物类型，法医可以推断出这些植物通常生长的地区。当嫌疑人否认在现场或提供虚假不在场证明时，这些信息会很有价值。在奥克兰地区一起强奸案中，法医使用傅里叶变换红外光谱技术将嫌疑人衣服和鞋子上的草片样本和土壤的花粉含量与被指控的犯罪现场一个草地上的草片样本进行比较显示出非常强的相关性，强烈支持嫌疑人曾在现场的争论。在另一起强奸案中，被害人被蒙上眼带到未知的地址后遭到强奸。因此在指认现场时，被害人无法指认现场[26]。Mildenhall[26]使用FTIR光谱技术检验分析了被害人阴部、臀部和衣裤上粘附的茜草属(Rubiasp.)、桫椤属(Alsophilasp.)等多种植物花粉情况，对受害者与施暴者接触现场附近的花粉菌群进行了采样检测，最终确认了受害者遭受性侵的地点。FTIR在犯罪现场植物证据的分析中发挥着重要作用，特别是尸体被处理的案件，有助于案发过程重建。FTIR在法医植物学中的应用有望进一步增强法医科学解决复杂刑事案件的能力。
1.4.2 毒品原植物和违禁毒物的快速鉴别
毒品原植物，即用来提炼、加工成鸦片、海洛因、甲基苯丙胺、吗啡等麻醉药品和精神药品的原植物，主要有罂粟、大麻、古柯与恰特草。在我国境内，毒品原植物主要是罂粟、大麻和恰特草[27]。在涉及制毒的案件中，鉴定毒品原植物成分并追溯其原产地是非常重要的。现有的检测毒品的技术有光谱法、离子迁移谱法[28]、色谱法、质谱法和联用技术等。但是这些方法都有一定的局限性。比如，离子迁移谱法分辨率低、定量性差[29];色谱法与质谱法操作复杂且成本高。利用傅里叶变换红外光谱仪(FTIR)可以获取物质的远红外光谱，该仪器具有分辨率高、谱带宽、多频道、高通量等特点[30]。但是该仪器昂贵且只能在实验室进行，会耗费更多的办案时间，所以需要优化这种方法。随着技术的发展，一种手持和便携式FTIR问世使得植物鉴别更加简便。Eliaerts等[31]对比了GC-MS、GC-FID和便携式FTIR光谱仪在检测可卡因毒物方面的效果，发现傅里叶变换红外(FTIR)光谱法和支持向量机(SVM)的化学计量算法可快速、准确地展现药物存在和浓度的信息，可以大大减少使用费力且昂贵的色谱技术进行违禁毒物的分析鉴别。便携式傅里叶变换红外光谱仪应用于毒品原植物和违禁毒物的快速鉴别，在现场即可实时检测，大大减少了毒品检测所需的时间和资源，从而能够在边境检查站、法医调查和执法行动等各种环境中进行快速有效的筛查。
2 展望
傅里叶变换红外光谱技术的持续进步为植物鉴定领域带来了巨大的希望。但是不足之处在于红外光谱在定性定量分析中，会受到样品粉末大小、均匀性、温度、湿度和光谱信号的识别等诸多因素的影响[32],导致所采集的红外光谱图出现误差，影响后续的建模效果，所以突破上述因素的影响、完善红外谱图并制定准确的模型是未来突破的重点。未来还需要继续提高FTIR仪器的灵敏度、分辨率和数据分析能力。目前，傅里叶变换红外光谱技术与化学计量学方法相融合改变我们研究和分类植物物种的方式，为植物学及其他领域的新发现和应用提供了一种新思路。随着技术的发展，傅里叶变换红外光谱法将与人工智能技术相结合可以进一步提高植物识别的准确性和效率，它将在塑造植物科学的未来方面发挥关键作用，为植物这一动态领域的探索和创新提供新的途径。
发布时间：2025-10-28 
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