乙醇水溶液體積分?jǐn)?shù)和溫度的近紅外激光拉曼光譜研究

鄒小波，沈樂丞，石吉勇

(江蘇大學(xué)食品與生物工程學(xué)院，江蘇鎮(zhèn)江212013)

醇-水二元體系長(zhǎng)期以來是一個(gè)熱門的研究對(duì)象，學(xué)者們采用實(shí)驗(yàn)手段［1］和計(jì)算機(jī)模擬方法［2-3］對(duì)其進(jìn)行了深入研究，獲得了較多的有關(guān)動(dòng)力學(xué)特性和分子結(jié)構(gòu)的信息.由于水的拉曼散射很微弱，拉曼光譜是研究水溶液中的生物樣品和化學(xué)化合物的理想工具［4］.張洪波等［5］用乙醇分子的2個(gè)拉曼特征峰(位于2 970 cm-1和2 873 cm-1附近)的強(qiáng)度比值與體積分?jǐn)?shù)間的線性關(guān)系實(shí)現(xiàn)了對(duì)水溶液中乙醇體積分?jǐn)?shù)的測(cè)定.吳斌等［6］發(fā)現(xiàn)乙醇水溶液位于2 800～3 050 cm-1的3個(gè)C—H伸縮振動(dòng)特征峰的峰值位置相對(duì)純乙醇對(duì)應(yīng)峰位的偏移量大致與乙醇體積分?jǐn)?shù)呈線性相關(guān)，據(jù)此進(jìn)行一元線性回歸及進(jìn)一步二元線性回歸得到乙醇體積分?jǐn)?shù)與C—H伸縮振動(dòng)頻率變化量的回歸模型.吳斌等［7］還用激光拉曼光譜研究液態(tài)乙醇的水合作用過程，發(fā)現(xiàn)位于2 800～3 050 cm-1區(qū)間的C—H伸縮振動(dòng)頻率隨乙醇中加入水量的增加整體呈現(xiàn)藍(lán)移趨勢(shì)，而位于1 048 cm-1附近的C—O伸縮振動(dòng)頻率的變化規(guī)律卻與此相反，分析認(rèn)為，這種現(xiàn)象主要由溶液內(nèi)部分子間發(fā)生的不同水合作用所致，并據(jù)此闡明了液態(tài)乙醇的水合作用過程.李響等［8］將自適應(yīng)偏最小二乘的方法應(yīng)用于酒精濃度檢測(cè)過程中，實(shí)現(xiàn)了拉曼光譜的噪聲和背景自動(dòng)扣除，從而更好地對(duì)拉曼光譜進(jìn)行預(yù)處理，所得的乙醇濃度預(yù)測(cè)模型優(yōu)于其他傳統(tǒng)方法.但以上研究都是基于激光拉曼光譜儀，該設(shè)備價(jià)格昂貴，因此都是停留在實(shí)驗(yàn)室階段，無法實(shí)現(xiàn)在線檢測(cè).另外，眾所周知，乙醇水溶液的密度、聲速等物理特性會(huì)隨溫度發(fā)生一定的變化，但乙醇水溶液的拉曼光譜隨溫度變化很少有人研究.

近年來由于便攜式激光拉曼光譜儀具有攜帶方便、操作過程簡(jiǎn)單、使用條件不苛刻、價(jià)格適宜等優(yōu)點(diǎn)而得到廣泛的應(yīng)用.由于近紅外波段的熒光背景影響小，噪聲低，窄帶激光器能提供更多的物質(zhì)成分信息［9］，因此近紅外激發(fā)拉曼光譜技術(shù)以其獨(dú)特優(yōu)勢(shì)成為研究化學(xué)材料［10-12］以及生物大分子結(jié)構(gòu)［13-15］的有力手段而備受研究者關(guān)注.但是正因?yàn)楂@得的信息數(shù)據(jù)冗雜，嚴(yán)重影響了拉曼信號(hào)的識(shí)別和比較.因此，提取光譜有效信息，是光譜分析工作必須解決的關(guān)鍵問題之一.偏最小二乘法(PLS)是一種基于因子分析的多變量校正方法，是目前在定量分析中應(yīng)用最多的多元分析方法［16］.通過這種方法對(duì)光譜進(jìn)行篩選，可以剔除不相關(guān)或非線性變量的影響.因此文中用此方法來研究乙醇水溶液近紅外激光拉曼光譜隨體積分?jǐn)?shù)和溫度的變化，為實(shí)現(xiàn)乙醇水溶液體積分?jǐn)?shù)的在線快速定量檢測(cè)提供參考.

1 試驗(yàn)與方法

1.1 試驗(yàn)樣品

采用無水乙醇(分析純，體積分?jǐn)?shù)99.7%，國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司)與超純水配置待測(cè)溶液，共配制乙醇水溶液樣本11個(gè)，乙醇體積分?jǐn)?shù)范圍為0～100%，間隔為10%.試驗(yàn)溫度為10～30℃，每隔1℃測(cè)一次.

1.2 拉曼光譜采集

采用美國(guó)EnWave Optronics的HRC-10便攜式近紅外拉曼分析儀.激發(fā)源:NIR，頻率穩(wěn)定，狹窄線寬二極管激光器，785 nm;激光功率:150～200 mW;線寬:0.5 cm-1;光纖探測(cè)器:2個(gè)單一光纖的永久結(jié)合體，100μm激發(fā)光纖，200μm收集光纖，焦距為6 mm;光譜范圍:300～3 900 cm-1;積分時(shí)間為20 s，平均參數(shù)為2，窗口濾波參數(shù)為0.使用前預(yù)熱15 min，使輸出達(dá)到穩(wěn)定.從10℃開始，依次量取2 mL左右不同體積分?jǐn)?shù)乙醇水溶液于3 mL進(jìn)樣瓶中，先收集暗電流參考數(shù)據(jù)，再收集拉曼光譜，直至30℃.

1.3 光譜數(shù)據(jù)處理及PLS建模

采用MATLAB 7.14.0.739(R2012a)軟件來進(jìn)行數(shù)據(jù)處理及建模.PLS是處理兩數(shù)據(jù)塊之間關(guān)系的一種數(shù)學(xué)方法，它將因子分析和回歸分析結(jié)合，是一種經(jīng)典的化學(xué)計(jì)量學(xué)算法，也是使用最多和效果最好的處理方法之一.其中模型精度采用校正均方根誤差(RMSEC)表示，RMSEC越小，則說明模型的擬合精度越高，模型越可靠.模型的擬合程度采用復(fù)相關(guān)系數(shù)R表示，R越接近1，則說明預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)值之間的相關(guān)程度越好.模型的預(yù)測(cè)能力采用預(yù)測(cè)均方根誤差(RMSEP)表示，RMSEP越小，則表明模型對(duì)外部樣本的預(yù)測(cè)能力越高.

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 乙醇和超純水的拉曼光譜分析

圖1為乙醇和超純水的拉曼光譜，乙醇分子的不同拉曼特征峰對(duì)應(yīng)著分子內(nèi)不同原子基團(tuán)的振動(dòng)模式，從低波數(shù)到高波數(shù)，800 cm-1以前的峰均為容器峰，峰1(840.4 cm-1)為對(duì)稱 C—C—O骨架伸縮，峰2(1 006.6 cm-1)為C—O伸縮，峰3(1 050.8 cm-1)為 C—C—O骨架剪式搖擺，峰4(1 237.7 cm-1)為乙醇分子CH2形變，峰5(1 411.7 cm-1)為CH3反對(duì)稱形變，峰6(3 278.1 cm-1)為非對(duì)稱CH2伸縮，峰7(3 355.2 cm-1)為非對(duì)稱CH伸縮，乙醇的這7個(gè)典型的特征峰在文獻(xiàn)［17］中也有描述.從圖1還可以看出純水沒有明顯的特征峰.

圖1 乙醇和超純水的拉曼光譜

2.2 乙醇水溶液的拉曼光譜分析

2.2.1 不同溫度乙醇水溶液體積分?jǐn)?shù)模型的建立及預(yù)測(cè)

分別對(duì)10，15，20，25和 30 ℃(即從 10 ℃ 開始每漂移5℃取一個(gè)溫度值)下的10個(gè)體積分?jǐn)?shù)建立乙醇與拉曼光譜之間的多元校正模型，并利用所建立的模型進(jìn)行相互預(yù)測(cè)，以判定所建模型的優(yōu)劣，得到結(jié)果如表1 所示.其中模型 1，2，3，4，5分別代表10，15，20，25和30℃的體積分?jǐn)?shù)校正模型.由表 1 可知，模型 1，2，3，4，5 的校正相關(guān)系數(shù)(Rc)分別為 0.997 3，0.997 9，0.993 4，0.992 5和 0.988 3，RMSEC分別為 2.21，1.82，3.48，3.67和4.41，較高的Rc和較低的RMSEC對(duì)于一個(gè)可靠的模型是十分必要的，但一個(gè)模型的優(yōu)劣不僅取決于此，還要求有較高的預(yù)測(cè)相關(guān)系數(shù)(Rp)和較低的RMSEP，在實(shí)際應(yīng)用中后者往往尤為重要.由表1可知，對(duì)于與建模樣品溫度相同的模型，Rp較高，RMSEP也較低，但對(duì)于與建模樣品溫度不同的預(yù)測(cè)集樣品，Rp最低值為0.995 3，RMSEP最高達(dá)到3.74.由此可以看出單個(gè)溫度的體積分?jǐn)?shù)模型對(duì)不同溫度的樣品體積分?jǐn)?shù)的預(yù)測(cè)效果不是很理想，也就是說溫度漂移對(duì)體積分?jǐn)?shù)模型預(yù)測(cè)精度影響很大.結(jié)果說明5個(gè)模型的適用范圍都較窄，不能很好地滿足預(yù)測(cè)乙醇水溶液體積分?jǐn)?shù)的要求.

表1 不同溫度下體積分?jǐn)?shù)模型的建立及預(yù)測(cè)性能

2.2.2 乙醇水溶液聯(lián)合模型的建立及預(yù)測(cè)

為了解決上述問題，使所建體積分?jǐn)?shù)預(yù)測(cè)模型準(zhǔn)確可靠，覆蓋范圍寬，適用性廣，試驗(yàn)進(jìn)一步對(duì)上述5個(gè)溫度處10個(gè)體積分?jǐn)?shù)聯(lián)合建立乙醇與拉曼光譜之間的多元校正模型.得到校正模型的Rc為0.997 6，RMSEC為1.94，此模型相關(guān)系數(shù)較高，模型擬合度較高，用不同溫度的體積分?jǐn)?shù)模型來檢測(cè)此模型的預(yù)測(cè)能力，得到結(jié)果如表2所示，預(yù)測(cè)模型Rp均達(dá)到0.995 0以上，RMSEP均小于2.92.結(jié)果表明:建立的乙醇水溶液體積分?jǐn)?shù)混合模型性能較穩(wěn)定，能夠滿足不同溫度下乙醇水溶液體積分?jǐn)?shù)的測(cè)定，具有較高的適用范圍，滿足實(shí)際檢測(cè)的需要，為開發(fā)快速、靈敏、實(shí)時(shí)在線檢測(cè)乙醇體積分?jǐn)?shù)的裝備奠定基礎(chǔ).

表2 聯(lián)合模型的預(yù)測(cè)結(jié)果

2.3 乙醇水溶液拉曼光譜的溫度分析

圖2顯示了純乙醇在10～30℃時(shí)的拉曼光譜，將最后2個(gè)峰放大示于圖右上角.從圖2可以看出，純乙醇在不同溫度下的21條光譜幾乎重疊成一條光譜，變化規(guī)律不明顯，用肉眼很難看到溫度變化的影響，本研究決定用PLS方法來建立溫度模型.對(duì)11個(gè)乙醇體積分?jǐn)?shù)處的21個(gè)溫度分別建立乙醇溫度與拉曼光譜之間的多元校正模型，結(jié)果如表3所示.每個(gè)體積分?jǐn)?shù)下溫度模型的相關(guān)系數(shù)R均在0.734 4和0.954 7之間，說明溫度對(duì)拉曼光譜強(qiáng)度具有影響.這是因?yàn)殡S著乙醇水溶液溫度逐漸上升，乙醇分子的振動(dòng)-轉(zhuǎn)動(dòng)作用變強(qiáng)，也即拉曼效應(yīng)變強(qiáng)，導(dǎo)致拉曼光譜強(qiáng)度變大.從表3還可知隨著乙醇體積分?jǐn)?shù)變大，其相應(yīng)的溫度模型相關(guān)系數(shù)R也越來越大.說明乙醇體積分?jǐn)?shù)越大，溫度變化對(duì)拉曼光譜強(qiáng)度的影響越大.這是由于體積分?jǐn)?shù)增大，單位體積溶液中的乙醇分子增多，此時(shí)拉曼光譜強(qiáng)度會(huì)由于溫度變化而變化得更明顯.

圖2 10～30℃下的純乙醇拉曼光譜

表3 體積分?jǐn)?shù)0～100%的溫度模型結(jié)果

3 結(jié)論

文中建立的乙醇水溶液聯(lián)合模型性能較穩(wěn)定，能夠滿足不同溫度下乙醇水溶液體積分?jǐn)?shù)的測(cè)定，滿足實(shí)際在線檢測(cè)的需要.進(jìn)一步研究溫度與乙醇水溶液的近紅外拉曼光譜的關(guān)系，建立的11個(gè)溫度PLS模型的相關(guān)系數(shù)R值在0.734 4和0.954 7之間，并且隨著乙醇體積分?jǐn)?shù)變大，R值越來越大.說明溫度對(duì)不同體積分?jǐn)?shù)下的拉曼光譜具有影響，并且溫度隨乙醇體積分?jǐn)?shù)的增大對(duì)拉曼光譜的影響加大.

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