磁場作用下葡萄糖近紅外光譜檢測技術(shù)研究

陳劍虹 ，劉澤晨，朱凌建

(西安理工大學 機械與精密儀器工程學院,陜西 西安 710048)

糖尿病是由于體內(nèi)胰島素缺乏或作用缺陷而出現(xiàn)的一種以高血糖為特征的代謝性綜合疾病，是嚴重威脅人類的四大疾病之一[1]。目前近紅外光譜分析技術(shù)得到了日益發(fā)展，已被廣泛應用于農(nóng)業(yè)、食品衛(wèi)生、石油化工、生命科學等諸多領(lǐng)域[2]。近年來，國內(nèi)外有眾多學者致力于應用近紅外光譜進行血糖分析的研究[3-5]。

龐小峰等[12]研究了磁場對乙醇和乙醇-水溶液紅外光譜的影響，發(fā)現(xiàn)磁場可增強乙醇溶液分子間氫鍵，進而影響分子基團的振動；Chang等[13]利用分子動力學模擬研究外部磁場對液態(tài)水結(jié)構(gòu)的影響，發(fā)現(xiàn)隨著磁場強度的增加，氫鍵的數(shù)量略有增加；李滾等[14]研究了靜磁場曝露作用30 d后對大鼠腦組織紅外光譜特征的影響，發(fā)現(xiàn)大鼠腦組織部分紅外吸收峰發(fā)生位移。上述研究說明磁場影響有機物分子的物理特性與近紅外光譜。在磁場作用下，一方面分子可能獲得附加能量，另一方面，可以對物質(zhì)分子間力產(chǎn)生影響，使分子的受力方向和自由能發(fā)生改變。關(guān)于磁場作用對葡萄糖紅外光譜檢測的影響尚未見報道。本文采用傅立葉變換紅外光譜(FTIR)對不同磁場強度下不同濃度葡萄糖溶液的近紅外光譜進行采集，分析了磁場對葡萄糖溶液近紅外光譜吸收的影響，并運用偏最小二乘回歸(PLS)建立葡萄糖溶液定量分析模型進行驗證，對不同磁場強度下的模型參數(shù)進行了對比分析，以期在外加磁場的作用下提高測量精度。

圖1 靜磁場Fig.1 Static magnetic field

1 實驗部分

1.1 儀器與試劑

采用德國布魯克公司生產(chǎn)的Tensor 37傅立葉變換近紅外光譜儀，鹵素燈近紅外光源，BT100-1F蠕動泵(保定蘭格恒流泵有限公司)，光譜儀掃描次數(shù)設置為16次，儀器分辨率為4 cm-1，波數(shù)范圍為800～2 500 nm；光程為1 mm樣品池安放在恒溫裝置內(nèi)(PIKE公司)，整個測量過程中保持25 ℃恒溫。靜磁場由釹鐵硼磁鐵構(gòu)成，采用PCE-MFM3000高斯計測量，磁場中心強度范圍為100～1 000 mT，磁場夾持在蠕動泵進樣管上，如圖1所示。BSA124S微量電子天平(精確至0.1 mg，北京賽多利斯儀器有限公司)。

采用天津巴斯夫化工有限公司生產(chǎn)的分析純級葡萄糖和蒸餾水配制相關(guān)溶液。

1.2 實驗方法

配制質(zhì)量濃度為100～2 000 mg/dL的葡萄糖溶液樣品作為對照組(第1組)。第2、3、4組溶液質(zhì)量濃度不變，分別在蠕動泵的進液管上加持0～870 mT的靜磁場。

樣品池采用蠕動泵進樣。整個樣品池被置于光譜儀內(nèi)，測量在25 ℃恒溫下進行，每組樣品隨機抽取。單個樣品掃描3次。隨機選取60個樣品光譜作為校正集，其余20個樣品光譜作為預測集建模，以消除人工操作對測量結(jié)果的影響。

2 結(jié)果與討論

2.1 磁場對葡萄糖溶液近紅外光譜的影響

800 mT靜磁場作用前后1 000 mg/dL葡萄糖的近紅外光譜(扣除水背景)如圖2所示。可以觀察到，經(jīng)磁場作用后，葡萄糖溶液的近紅外光譜發(fā)生了顯著改變(紅色光譜)，不僅在整個近紅外范圍內(nèi)吸收強度明顯增加，而且部分特征吸收峰的峰位也發(fā)生了偏移。

紅外光譜譜帶強度的影響因素主要有兩個：一是偶極矩變化程度，二是能級躍遷概率。偶極矩變化與分子(或基團)本身的偶極矩有關(guān)，振動方式不同的相同基團的各種振動,其分子電子云分布不同,偶極矩變化也不同。通常情況下，伸縮振動的吸收強度比變形振動的吸收強度大。當葡萄糖分子處于磁場中時，外加磁場作用于葡萄糖分子內(nèi)的原子核和核外電子，改變了分子電子云分布的形狀，產(chǎn)生誘導偶極矩，導致偶極子矩躍遷的變化和分子的振動態(tài)以及電子躍遷概率的變化，葡萄糖分子因此獲得附加能量。表1給出了葡萄糖不同基團分子振動頻率吸光度與濃度變化線性關(guān)系的斜率，在磁場作用下，不同振動方式均得到增強，其中第一倍頻區(qū)斜率的增長率大于合頻區(qū)，這主要是因為第一倍頻區(qū)吸收完全由C—H鍵伸縮振動產(chǎn)生，而合頻區(qū)吸收則是由葡萄糖分子中O—H鍵的伸縮和C—H鍵伸縮和彎曲振動產(chǎn)生的。

表1 磁場作用下葡萄糖特征吸收峰的吸光度增長率Table 1 Increasement of glucose absorbance at characteristic wavelengths due to effect of magnetic field

圖3 不同磁場強度下同一濃度葡萄糖溶液歸一化吸收光譜Fig.3 Normalized absorption spectra of glucose solution of the same concentration under different magnetic fields intensity

2.2 磁場對葡萄糖預測模型精度的影響

為了定量分析磁場對葡萄糖溶液濃度預測模型的影響，利用偏最小二乘回歸法進行建模分析，選取80組光譜數(shù)據(jù)進行建模(60個樣品光譜作為校正集，其余20個樣品光譜作為預測集)，分別分析無磁場、460 mT、800 mT磁場作用下的預測模型。

選擇2 088～2 353、1 550～1 835、834～1 333 nm波長區(qū)間，不同磁場條件下模型參數(shù)比較如表2所示。

表2 不同磁場強度下模型參數(shù)比較Table 2 Comparison of model parameters under different magnetic fields intensity

通過比較建模預測結(jié)果(表3)，發(fā)現(xiàn)無磁場25 ℃恒溫條件下最大誤差為-129.74 mg/dL，最小誤差為2.23 mg/dL，平均誤差為-13.46 mg/dL；800 mT磁場條件下最大誤差為-34.41 mg/dL，最小誤差為-0.10 mg/dL，平均誤差為-0.55 mg/dL?？梢钥闯?在磁場作用后預測模型的精度高于無磁場條件。進一步分析計算葡萄糖不同基團分子振動頻率(特征吸收峰)的吸光度與濃度變化的線性關(guān)系，發(fā)現(xiàn)在靜磁場的作用下，兩者的線性關(guān)系得到極大改善。這是因為磁場改變了葡萄糖分子的受力方向和自由能[15-16]，葡萄糖分子趨向于沿平行于磁場的方向排列，并且隨著磁場強度的增強，越來越多的分子排列傾向于平行磁場方向，分子結(jié)構(gòu)規(guī)整性變好，最終使得葡萄糖分子相對于外加磁場方向擇優(yōu)取向,證實磁場可對葡萄糖分子近紅外光譜吸收強度產(chǎn)生影響，并有助于提高建模精度。

表3 不同磁場強度下建模結(jié)果比較Table 3 Comparison of modeling results under different magnetic field intensity (mg/dL)

(續(xù)表3)

Concentration(true value)No magnetMagnet(800 mT)Prediction valueErrorPrediction valueError1 901.51 880.51-20.991 916.1214.621 983.31 916.76-66.541 982.20-1.10

3 結(jié) 論

磁場作用于葡萄糖溶液，葡萄糖分子的近紅外吸收強度明顯提高，其羥基與水分子間的氫鍵締合得到加強，分子特征吸收峰吸光度與濃度變化線性關(guān)系一致性得到極大的改善，并且隨磁場強度增強到一定程度后達到飽和。本研究有助于提高葡萄糖分子近紅外光譜吸收強度及測量精度。