葡萄糖漫反射近紅外光譜研究

于宏偉，胡夢(mèng)璇，封卓帆，馬思怡，陳新樂(lè)，李吉納，郭雪純，王 雨

（石家莊學(xué)院 化工學(xué)院，河北 石家莊 050035）

0 引言

葡萄糖（Glucose，分子式 C6H12O6）是自然界分布最廣且最為重要的一種單糖，在醫(yī)學(xué)[1]、畜牧[2，3]、食品[4]、電子[5]等領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用.葡萄糖的廣泛應(yīng)用與其特殊結(jié)構(gòu)有關(guān).中紅外（MIR）光譜廣泛應(yīng)用于葡萄糖的結(jié)構(gòu)研究[6-9]，但葡萄糖近紅外（NIR）光譜研究卻少見報(bào)道[10，11].本研究采用漫反射NIR光譜（包括：一維漫反射NIR光譜和二階導(dǎo)數(shù)漫反射NIR光譜）對(duì)葡萄糖結(jié)構(gòu)開展了研究，為葡萄糖的應(yīng)用提供了有意義的科學(xué)借鑒.

1 材料與方法

1.1 材料

葡萄糖（分析純，河北定州青年試劑廠）.

1.2 儀器與設(shè)備

Spectrastar XL型近紅外光譜儀（美國(guó)Unity公司，測(cè)定頻率范圍14 000~4 000 cm-1）.

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

采用NIR光譜的漫反射的附件，原位對(duì)葡萄糖進(jìn)行NIR光譜數(shù)據(jù)采集.每個(gè)樣品掃描次數(shù)為32次，連續(xù)測(cè)定32個(gè)樣品.一維漫反射NIR光譜數(shù)據(jù)獲得采用InfoStar軟件（版本3.11.3-SP1），而二階導(dǎo)數(shù)漫反射NIR光譜數(shù)據(jù)獲得采用Spectrum 6.3.5軟件（平滑點(diǎn)分別選擇5個(gè)平滑點(diǎn)、9個(gè)平滑點(diǎn)、13個(gè)平滑點(diǎn)、19個(gè)平滑點(diǎn)、25個(gè)平滑點(diǎn)、37個(gè)平滑點(diǎn)、49個(gè)平滑點(diǎn)和149個(gè)平滑點(diǎn)）.圖形及標(biāo)準(zhǔn)差數(shù)據(jù)處理采用Origin 8.0.

2 結(jié)果與討論

2.1 葡萄糖一維漫反射NIR光譜研究

在14 000~4 000 cm-1頻率范圍內(nèi)，開展了葡萄糖一維漫反射NIR光譜研究，見圖1.根據(jù)文獻(xiàn)[12]報(bào)道，其中 5 154.10 cm-1頻率處的吸收峰（ν1-一維）包括結(jié)晶水的伸縮振動(dòng)模式（νH2O-one-dimensional-MIR）和結(jié)晶水彎曲振動(dòng)模式（δH2O-one-dimensional-MIR）的組合頻吸收；6 682.00 cm-1頻率處的吸收峰（ν2-一維）包括：O—H（2υ）和·O—H—O—H 聚合體（·OH）；而10 236.00 cm-1頻率處的吸收峰（ν3-一維） 包括O—H（3υ），見圖 1（a）. 原位連續(xù)測(cè)量 32 次葡萄糖樣品的一維漫反射NIR光譜如圖1（b）所示，相關(guān)光譜數(shù)據(jù)見表1.

根據(jù)表1的數(shù)據(jù)可知，葡萄糖一維漫反射NIR光譜的吸收強(qiáng)度的數(shù)據(jù)平行性較好.計(jì)算了葡萄糖一維漫反射NIR光譜的3個(gè)吸收峰（ν1-一維、ν2-一維和 ν3-一維） 對(duì)應(yīng)的吸收頻率標(biāo)準(zhǔn)差，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)葡萄糖一維漫反射NIR光譜對(duì)應(yīng)的吸收頻率平行性較差.

圖1 葡萄糖一維漫反射NIR光譜（303 K）

表1 葡萄糖一維漫反射NIR光譜數(shù)據(jù)（303 K） cm-1

2.2 葡萄糖二階導(dǎo)數(shù)漫反射NIR光譜研究

2.2.1 二階導(dǎo)數(shù)漫反射NIR光譜平滑點(diǎn)的選擇

平滑點(diǎn)的選擇對(duì)于有機(jī)物二階導(dǎo)數(shù)NIR光譜很重要[13-18].但對(duì)于有機(jī)物二階導(dǎo)數(shù)NIR光譜，平滑點(diǎn)選擇卻少見文獻(xiàn)報(bào)道.本研究系統(tǒng)研究了葡萄糖不同平滑點(diǎn)（5個(gè)平滑點(diǎn)、9個(gè)平滑點(diǎn)、13個(gè)平滑點(diǎn)、19個(gè)平滑點(diǎn)、25個(gè)平滑點(diǎn)、37個(gè)平滑點(diǎn)、49個(gè)平滑點(diǎn)和149個(gè)平滑點(diǎn)）的二階導(dǎo)數(shù)漫反射NIR光譜（圖2），相關(guān)數(shù)據(jù)見表2.

由圖2和表2數(shù)據(jù)可知，較少的平滑點(diǎn)（5個(gè)平滑點(diǎn)和13個(gè)平滑點(diǎn)）對(duì)應(yīng)的譜圖基線噪音過(guò)大，而最多的平滑點(diǎn)（149個(gè)平滑點(diǎn)）對(duì)應(yīng)的譜圖分辨能力有所下降，37個(gè)平滑點(diǎn)則是適合的選擇.

2.2.2 二階導(dǎo)數(shù)漫反射NIR光譜研究

圖2 不同平滑點(diǎn)的葡萄糖二階導(dǎo)數(shù)漫反射NIR光譜（303 K）

在14 000~4 000 cm-1的頻率范圍內(nèi)，采用37個(gè)平滑點(diǎn)，進(jìn)一步開展了葡萄糖的二階導(dǎo)數(shù)漫反射NIR光譜研究，如圖3（a）所示.根據(jù)文獻(xiàn)[12]的報(bào)道，4 038.21 cm-1頻率處的吸收峰（ν1-二階導(dǎo)數(shù)）包括：C—H伸縮振動(dòng)以及C—C和C—O—C伸縮振動(dòng)的組合頻；4 151.38 cm-1頻率處的吸收峰（ν2-二階導(dǎo)數(shù)）包括：C—H 伸縮振動(dòng)和 CH2變形振動(dòng)的組合頻；4 919.40 cm-1頻率處的吸收峰（ν3-二階導(dǎo)數(shù)）包括：OH彎曲振動(dòng)和C—O伸縮振動(dòng)的組合頻率以及OH—/C—O聚合體（·O—H和·C—O）；而 6 633.74 cm-1頻率處的吸收峰（ν4-二階導(dǎo)數(shù)）包括：O—H（2υ）及 O—H—O—H 聚合體（·OH）.原位連續(xù)測(cè)量32次葡萄糖樣品的二階導(dǎo)數(shù)漫反射NIR光譜如圖3（b）所示，相關(guān)光譜數(shù)據(jù)見表3.

計(jì)算了葡萄糖二階導(dǎo)數(shù)漫反射 NIR 光譜的 4 個(gè)吸收峰（ν1-二階導(dǎo)數(shù)、ν2-二階導(dǎo)數(shù)、ν3-二階導(dǎo)數(shù)和 ν4-二階導(dǎo)數(shù)）對(duì)應(yīng)吸收頻率標(biāo)準(zhǔn)差（表3）.研究發(fā)現(xiàn)：葡萄糖二階導(dǎo)數(shù)漫反射NIR光譜對(duì)應(yīng)的吸收頻率的數(shù)據(jù)平行性較好，要優(yōu)于相應(yīng)的一維漫反射NIR光譜對(duì)應(yīng)的吸收頻率.

表2 不同平滑點(diǎn)時(shí)葡萄糖二階導(dǎo)數(shù)漫反射NIR光譜數(shù)據(jù)（303 K）

圖3 37個(gè)平滑點(diǎn)時(shí)葡萄糖二階導(dǎo)數(shù)漫反射NIR光譜（303 K）

3 結(jié)論

開展了葡萄糖一維漫反射NIR光譜研究，繼續(xù)開展了葡萄糖二階導(dǎo)數(shù)漫反射NIR光譜研究，并進(jìn)一步考查平滑點(diǎn)對(duì)于譜圖分辨能力的影響.研究發(fā)現(xiàn)：葡萄糖的二階導(dǎo)數(shù)漫反射NIR光譜的譜圖分辨能力及數(shù)據(jù)平行性要優(yōu)于相應(yīng)的一維漫反射NIR光譜.本研究拓展了漫反射NIR光譜在葡萄糖結(jié)構(gòu)研究的領(lǐng)域，具有一定的理論研究?jī)r(jià)值.

表 3 37個(gè)平滑點(diǎn)時(shí)葡萄糖二階導(dǎo)數(shù)漫反射NIR光譜數(shù)據(jù)（303 K） cm-1