葡萄糖漫反射三級近紅外光譜研究

于宏偉，胡夢璇，封卓帆，馬思怡，陳新樂，王 雨

(石家莊學院化工學院，河北 石家莊 050035)

0 前言

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，在臨床醫(yī)學[1]、生物工程[2]、食品工程[3]、畜牧學[4]、水產(chǎn)科學[5]等領域都有廣泛的應用。葡萄糖的廣泛應用與其特殊結構有關。中紅外(MIR)光譜廣泛應用于葡萄糖的定性結構研究[6-9]，而葡萄糖漫反射一維近紅外(NIR)光譜，由于譜圖分辨能力不高，并且所提供的光譜信息有限，通常只適用于用于定量研究[10-11]，而相關定性結構研究少見文獻報道。葡萄糖漫反射二階導數(shù)近紅外(NIR)光譜及漫反射二維近紅外(2D-NIR)光譜的譜圖分辨能力要優(yōu)于相應的漫反射一維 NIR 光譜，并能提供更多豐富的光譜信息，而相關研究未見報道。因此本文采用漫反射三級 NIR 光譜技術(包括：漫反射一維 NIR 光譜、漫反射二階導數(shù) NIR 光譜及漫反射 2D-NIR 光譜)分別開展了葡萄糖的結構研究。

1 材料與方法

1.1 材料

葡萄糖(分析純，C6H12O6·H2O，河北定州青年試劑廠)。

1.2 儀器與設備

Spectrastar xL 型近外紅光譜儀(美國 Unity 公司，測定頻率范圍14 000 cm-1～4 000 cm-1)。

1.3 實驗方法

采用 NIR 光譜的漫反射的附件，原位對葡萄糖進行 NIR 光譜數(shù)據(jù)采集。每個樣品，掃描次數(shù)為 32 次，連續(xù)測定 32 個樣品。葡萄糖漫反射一維 NIR 光譜數(shù)據(jù)獲得采用 InfoStar 軟件(版本 3.11.3-SP1)；葡萄糖漫反射二階導數(shù) NIR 光譜數(shù)據(jù)獲得采用 Spectrum v 6.3.5 軟件(平滑點分別選擇 37 個平滑點)；葡萄糖漫反射 2D-NIR 光譜數(shù)據(jù)處理采用 2Dshinge(c) 軟件(Shigeaki Morita，Kwansei-Gakuin University，2004-2005，其中 contour=8)；圖形數(shù)據(jù)處理采用 Origin 8.0。

2 結果與討論

2.1 葡萄糖漫反射一維及二階導數(shù) NIR 光譜研究

在 14 000 cm-1～4 000 cm-1頻率范圍內，首先開展了葡萄糖漫反射一維 NIR 光譜研究(圖 1A)。實驗發(fā)現(xiàn)：葡萄糖漫反射一維 NIR 光譜譜圖比較簡單。根據(jù)文獻報道[12]，5 154.10 cm-1頻率處的吸收峰(ν-1-一維-葡萄糖)包括：結晶水的稱伸縮振動模式(νH2O-一維)和結晶水彎曲振動模式(δH2O-一維)的組合頻吸收；6 682.00 cm-1頻率處的吸收峰(ν-2-一維-葡萄糖)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(ν-3-一維-葡萄糖)包括：O-H(3υ)。在 14 000 cm-1～4 000 cm-1頻率范圍內，進一步開展了葡萄糖的漫反射二階導數(shù) NIR 光譜研究(圖 1B)，其譜圖分辨能力要優(yōu)于相應的漫反射一維 NIR 光譜[13-14]。其中 4 038.21 cm-1頻率處的吸收峰(ν-1-二階導數(shù)-葡萄糖)包括：C-H 伸縮振動、C-C 和 C-O-C 伸縮振動的組合頻；4 151.38 cm-1頻率處的吸收峰(ν-2-二階導數(shù)-葡萄糖)包括：C-H 伸縮振動和 CH2 變形振動的組合頻；4 919.40 cm-1頻率處的吸收峰(ν-3-二階導數(shù)-葡萄糖)包括：OH- 彎曲振動和 C-O 伸縮振動的組合頻率，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(ν-4-二階導數(shù)-葡萄糖)包括：O-H(2υ)及 O-H-O-H 聚合體(·OH)。

圖1 葡萄糖漫反射 NIR 光譜(303 K)Fig.1 Diffuse reflection NIR spectrum of glucose (303 K)

2.2 葡萄糖漫反射 2D-NIR 光譜研究

葡萄糖漫反射 2D-NIR 光譜包括：漫反射同步 2D-NIR 光譜和漫反射異步 2D-NIR 光譜。

本文分別在 4 030 cm-1～4 000 cm-1、4 380 cm-1～4 280 cm-1、4 825 cm-1～4 725 cm-1、6 925 cm-1～6 850 cm-1和 10 350 cm-1～10 250 cm-1等五個頻率范圍內分別開展了葡萄糖主要官能團漫反射 2D-NIR 光譜研究。

2.2.1 4 030 cm-1～4 000 cm-1頻率范圍內葡萄糖漫反射 2D-NIR 光譜研究

4 030 cm-1～4 000 cm-1頻率范圍內的吸收峰主要包括：C-H 伸縮振動、C-C 和 C-O-C 伸縮振動的組合頻。在 4 030 cm-1～4 000 cm-1頻率范圍內，開展了葡萄糖漫反射同步 2D-NIR 研究(圖 2A)，首先在(4 006 cm-1，4 006 cm-1)頻率附近發(fā)現(xiàn)一個相對強度較大的自動峰，而在(4 002 cm-1，4 008 cm-1)頻率附近發(fā)現(xiàn)一個相對強度較小的交叉峰。實驗證明：葡萄糖在(4 002 cm-1，4 008 cm-1)頻率對應的官能團之間存在著較強的相互作用。進一步開展了葡萄糖漫反射異步 2D-NIR 光譜研究(圖 2B)，則在(4 002 cm-1，4 004 cm-1)和(4 004 cm-1，4 008 cm-1)頻率發(fā)現(xiàn)兩個相對強度較大的交叉峰，相關漫反射 2D-NIR 光譜數(shù)據(jù)見表1。

圖2 葡萄糖漫反射 2D-NIR 光譜(4 030 cm-1～4 000 cm-1)Fig.2 Diffuse reflection 2D-NIR spectrum of glucose (4 030 cm-1～4 000 cm-1)

表1 葡萄糖的漫反射 2D-NIR 光譜數(shù)據(jù)及解釋(4 030 cm-1～4 000 cm-1)Tab.1 Data and interpretation of diffuse reflection 2D-NIR spectrum of glucose (4 030 cm-1～4 000 cm-1)

根據(jù) NODA 原則[15-16]和表 1 數(shù)據(jù)可知，葡萄糖 ν1-二維-葡萄糖對應的吸收頻率包括：4 002 cm-1(ν1-A-二維-葡萄糖)、4 004 cm-1(ν1-B-二維-葡萄糖)和 4 008 cm-1(ν1-C-二維-葡萄糖)，而室溫下，葡萄糖 ν1-二維-葡萄糖吸收峰變化快慢的順序為：4 004 cm-1(ν1-B-二維-葡萄糖)> 4 002 cm-1(ν1-A-二維-葡萄糖)> 4 008 cm-1(ν1-C-二維-葡萄糖)。

2.2.2 4 380 cm-1～4 280 cm-1頻率范圍內葡萄糖漫反射 2D-NIR 光譜研究.

4 380 cm-1～4 280 cm-1頻率范圍內的吸收峰主要包括：C-H 伸縮振動和 CH2 變形振動的組合頻。在 4 380 cm-1～4 280 cm-1頻率范圍內，開展了葡萄糖漫反射同步 2D-NIR 研究(圖 3A)，首先在(4 334 cm-1，4 334 cm-1)、(4 340 cm-1，4 340 cm-1)、(4 344 cm-1，4 344 cm-1)、(4 350 cm-1，4 350 cm-1)、(4 362 cm-1，4 362 cm-1)、(4 366 cm-1，4 366 cm-1)和(4 374 cm-1，4 374 cm-1)頻率附近發(fā)現(xiàn)七個相對強度較大的自動峰。此外在(4 334 cm-1，4 340 cm-1)、(4 334 cm-1，4 344 cm-1)、(4 334 cm-1，4 350 cm-1)、(4 334 cm-1，4 362 cm-1)、(4 334 cm-1，4 366 cm-1)、(4 334 cm-1，4 374 cm-1)、(4 340 cm-1，4 344 cm-1)、(4 340 cm-1，4 350 cm-1)、(4 340 cm-1，4 362 cm-1)、(4 340 cm-1，4 366 cm-1)、(4 340 cm-1，4 374 cm-1)、(4 344 cm-1，4 350 cm-1)、(4 344 cm-1，4 362 cm-1)、(4 344 cm-1，4 366 cm-1)、(4 344 cm-1，4 374 cm-1)、(4 350 cm-1，4 362 cm-1)、(4 350 cm-1，4 366 cm-1)、(4 350 cm-1，4 374 cm-1)、(4 362 cm-1，4 366 cm-1)、(4 362 cm-1，4 374 cm-1)和(4 366 cm-1，4 374 cm-1)頻率附近發(fā)現(xiàn)了二十一個相對強度較大的交叉峰。在 4 300 cm-1～4 250 cm-1頻率范圍內，進一步開展了葡萄糖漫反射異步 2D-NIR 研究(圖 3B)，相關漫反射 2D-NIR 光譜數(shù)據(jù)見表2。

圖3 葡萄糖漫反射 2D-NIR 光譜(4 380 cm-1～4 280 cm-1)Fig.3 Diffuse reflection 2D-NIR spectrum of glucose (4 380 cm-1～4 280 cm-1)

ν1,ν2(cm-1)Ф(ν1,ν2)Ψ(ν1,ν2)葡萄糖的漫反射2D-NIR光譜數(shù)據(jù)及解釋4334,4340++4334cm-1(ν2-A-二維-葡萄糖)>4340cm-1(ν2-B-二維-葡萄糖)4334,4344+-4344cm-1(ν2-C-二維-葡萄糖)>4334cm-1(ν2-A-二維-葡萄糖)4334,4350++4334cm-1(ν2-A-二維-葡萄糖)>4350cm-1(ν2-D-二維-葡萄糖)4334,4362++4334cm-1(ν2-A-二維-葡萄糖)>4362cm-1(ν2-E-二維-葡萄糖)4334,4366++4334cm-1(ν2-A-二維-葡萄糖)>4366cm-1(ν2-F-二維-葡萄糖)4334,4374++4334cm-1(ν2-A-二維-葡萄糖)>4374cm-1(ν2-G-二維-葡萄糖)4340,4344+-4344cm-1(ν2-C-二維-葡萄糖)>4340cm-1(ν2-B-二維-葡萄糖)4340,4350+-4350cm-1(ν2-D-二維-葡萄糖)>4340cm-1(ν2-B-二維-葡萄糖)4340,4362+-4362cm-1(ν2-E-二維-葡萄糖)>4340cm-1(ν2-B-二維-葡萄糖)4340,4366+-4366cm-1(ν2-F-二維-葡萄糖)>4340cm-1(ν2-B-二維-葡萄糖)4340,4374+-4374cm-1(ν2-G-二維-葡萄糖)>4340cm-1(ν2-B-二維-葡萄糖)4344,4350++4344cm-1(ν2-C-二維-葡萄糖)>4350cm-1(ν2-D-二維-葡萄糖)4344,4362++4344cm-1(ν2-C-二維-葡萄糖)>4362cm-1(ν2-E-二維-葡萄糖)4344,4366++4344cm-1(ν2-C-二維-葡萄糖)>4366cm-1(ν2-F-二維-葡萄糖)4344,4374++4344cm-1(ν2-C-二維-葡萄糖)>4374cm-1(ν2-G-二維-葡萄糖)4350,4362+-4362cm-1(ν2-E-二維-葡萄糖)>4350cm-1(ν2-D-二維-葡萄糖)4350,4366+-4366cm-1(ν2-F-二維-葡萄糖)>4350cm-1(ν2-D-二維-葡萄糖)4350,4374+-4374cm-1(ν2-G-二維-葡萄糖)>4350cm-1(ν2-D-二維-葡萄糖)4362,4366++4362cm-1(ν2-E-二維-葡萄糖)>4366cm-1(ν2-F-二維-葡萄糖)4362,4374+-4374cm-1(ν2-G-二維-葡萄糖)>4362cm-1(ν2-E-二維-葡萄糖)4366,4374+-4374cm-1(ν2-G-二維-葡萄糖)>4366cm-1(ν2-F-二維-葡萄糖)

根據(jù) NODA 原則[15-16]和表 2 數(shù)據(jù)可知，葡萄糖 ν2-二維-葡萄糖對應的吸收頻率包括：4 334 cm-1(ν2-A-二維-葡萄糖)、4 340 cm-1(ν2-B-二維-葡萄糖)、4 344 cm-1(ν2-C-二維-葡萄糖)、4 350 cm-1(ν2-D-二維-葡萄糖)、4 362 cm-1(ν2-E-二維-葡萄糖)、4 366 cm-1(ν2-F-二維-葡萄糖)和 4 374 cm-1(ν2-G-二維-葡萄糖)。而室溫下，葡萄糖 ν2-二維-葡萄糖吸收峰變化快慢的順序為：4 344 cm-1(ν2-C-二維-葡萄糖)> 4 334 cm-1(ν2-A-二維-葡萄糖)> 4 374 cm-1(ν2-G-二維-葡萄糖)> 4 362 cm-1(ν2-E-二維-葡萄糖)> 4 366 cm-1(ν2-F-二維-葡萄糖)> 4 350 cm-1(ν2-D-二維-葡萄糖)> 4 334 cm-1(ν2-A-二維-葡萄糖)。

2.2.3 4 825 cm-1～4 725 cm-1頻率范圍內葡萄糖二維漫反射 2D-NIR 光譜研究

4 825 cm-1～4 725 cm-1頻率范圍內的吸收峰主要包括：OH- 彎曲振動和 C-O 伸縮振動的組合頻率，及 OH-/C-O 聚合體(·O-H 和 ·C-O)。在 4 825 cm-1～4 725 cm-1頻率范圍內開展了葡萄漫反射同步 2D-NIR 研究(圖 4A)。首先在(4 772 cm-1，4 772 cm-1)頻率附近發(fā)現(xiàn)一個相對強度較大的自動峰。在 4 825 cm-1～4 725 cm-1頻率范圍內開展了葡萄漫反射異步 2D-NIR 研究(圖 4B)，則在(4 770 cm-1，4 776 cm-1)頻率附近發(fā)現(xiàn)一個相對強度較大的交叉峰，相關漫反射 2D-NIR 光譜數(shù)據(jù)見表 3。

圖4 葡萄糖漫反射 2D-NIR 光譜(4 825 cm-1～4 725 cm-1)Fig.4 Diffuse reflection 2D-NIR spectrum of glucose (4 825 cm-1～4 725 cm-1)

表3 葡萄糖的漫反射 2D-NIR 光譜數(shù)據(jù)及解釋(4 825 cm-1～4 725 cm-1)Tab.3 Data and interpretation of diffuse reflection 2D-NIR spectrum of of glucose (4 825 cm-1～4 725 cm-1)

根據(jù) NODA 原則[15-16]和表 3 數(shù)據(jù)可知，葡萄糖 ν3-二維-葡萄糖對應的吸收頻率包括：4 770 cm-1(ν3-A-二維-葡萄糖)和 4 776 cm-1(ν3-B-二維-葡萄糖)，而室溫下，葡萄糖 ν3-二維-葡萄糖吸收峰變化快慢的順序為：4 776 cm-1(ν3-C-二維-葡萄糖)> 4 770 cm-1(ν3-A-二維-葡萄糖)。

2.2.4 6 925 cm-1～6 850 cm-1頻率范圍內葡萄糖漫反射 2D-NIR 光譜研究

6 925 cm-1～6 850 cm-1頻率范圍內的吸收峰主要包括：O-H(2υ)及 O-H-O-H 聚合體(·OH)。在 6 925 cm-1～6 850 cm-1頻率范圍內葡萄糖漫反射同步 2D-NIR 研究(圖 5A)。首先在(6 886 cm-1，6 886 cm-1)頻率附近發(fā)現(xiàn)一個相對強度較大的自動峰。在 6 925 cm-1～6 850 cm-1頻率范圍內開展了葡萄糖漫反射異步 2D-NIR 研究(圖 5B)，并沒有發(fā)現(xiàn)明顯的交叉峰。根據(jù) NODA 原則[15-16]可知，葡萄糖 ν4-二維-葡萄糖對應的吸收頻率包括：6 886 cm-1。

圖5 葡萄糖漫反射 2D-NIR 光譜(6 925 cm-1～6 850 cm-1)Fig.5 Diffuse reflection 2D-NIR spectrum of glucose (6 925 cm-1～6 850 cm-1)

2.2.5 10 350 cm-1～10 250 cm-1頻率范圍內葡萄糖漫反射 2D-NIR 光譜研究

10 350 cm-1～10 250 cm-1頻率范圍內吸收峰主要包括：O-H(3υ)。在 10 350 cm-1～10 250 cm-1頻率范圍內，首先開展了葡萄糖漫反射同步 2D-NIR 研究(圖 6A)，首先在(10 282 cm-1，10 282 cm-1)頻率附近發(fā)現(xiàn)一個相對強度較大的自動峰。進一步開展了葡萄糖漫反射異步 2D-NIR 研究(圖 6B)，在(10 282 cm-1，10 290 cm-1)頻率附近發(fā)現(xiàn)一個相對強度較大的交叉峰，相關漫反射 2D-NIR 光譜數(shù)據(jù)見表 4。

圖6 葡萄糖漫反射 2D-NIR 光譜(10 350 cm-1～10 250 cm-1)Fig.6 Diffuse reflection 2D-NIR spectrum of glucose (10 350 cm-1～10 250 cm-1)

表4 葡萄糖的漫反射 2D-NIR 光譜數(shù)據(jù)及解釋(10 350 cm-1～10 250 cm-1)Tab.4 Data and interpretation of diffuse reflection 2D-NIR spectrum of of glucose (10 350 cm-1～10 250 cm-1)

根據(jù) NODA 原則[15-16]和表 4 數(shù)據(jù)可知，葡萄糖 ν5-二維-葡萄糖對應的吸收頻率包括：10 282 cm-1(ν5-A-二維-葡萄糖)和 10 290 cm-1(ν5-B-二維-葡萄糖)，而室溫下，葡萄糖 ν5-二維-葡萄糖吸收峰變化快慢的順序為：10 282 cm-1(ν5-A-二維-葡萄糖)> 10 290 cm-1(ν5-B-二維-葡萄糖)。

3 結論

采用三級漫反射 NIR 光譜開展了葡萄糖的結構研究，實驗發(fā)現(xiàn)：葡萄糖有五組 NIR 吸收頻率，并進一步研究了室溫下葡萄糖 NIR 吸收峰變化快慢的信息。本文為研究糖類化合物結構建立一個新的方法學，具有重要的理論研究價值。