近紅外光譜分析應(yīng)用-低濃度多元糖混合水溶液

　　近些年,在食品類和農(nóng)業(yè)產(chǎn)品工業(yè)生產(chǎn)的功能分析中,近紅外光譜分析獲得日漸普遍的運(yùn)用。糖做為組成綠色植物生物體的關(guān)鍵化學(xué)物質(zhì)及其體細(xì)胞作為磷酸戊糖途徑的最關(guān)鍵的動(dòng)能化學(xué)物質(zhì),普遍存有于這種商品中;糖的種類和含水量針對(duì)新鮮水果口味、煙葉質(zhì)量等產(chǎn)品品質(zhì)有直接的影響。另一方面,在微生物的新陳代謝全過程中,果糖、葡萄糖、綿白糖等普遍糖做為新生新陳代謝物質(zhì),即性命主題活動(dòng)必不可少的化學(xué)物質(zhì),通常以礦酸情況融解于滲出液或是細(xì)胞液中。因此針對(duì)糖水溶液及其相近管理體系的近紅外光譜分析具備關(guān)鍵的現(xiàn)實(shí)意義和廣闊的運(yùn)用前景。

　　考慮近紅外光譜分析,就必須考慮到水在近紅外區(qū)域的強(qiáng)烈吸收。糖的近紅外吸收帶主要分布 在 7500～ 5500c m-1,而這個(gè)區(qū)域同樣存在水的吸收帶。所以目前近紅外分析多應(yīng)用于干燥或者低水分的樣品。利用近紅外分析復(fù)雜天然樣品中的糖,能否消除水的干擾以及怎樣消除是關(guān)鍵問題。我們通過近紅外光譜分析幾種糖的簡(jiǎn)單混合體系,來探討如何減小甚至消除水的吸收對(duì)于分析的影響。

　　近紅外光譜主要是含氫基團(tuán),如C-H,O-H,N-H等基團(tuán)伸縮振動(dòng)的倍頻吸收譜帶及伸縮振動(dòng)和搖擺振動(dòng)的合頻吸收。通過比較幾種常見糖的近紅外譜圖,特別是CH,O-H等基團(tuán)的近紅外吸收在不同條件下的變化,以及選擇不同波數(shù)區(qū)間或者全譜建立分析模型對(duì)于分析結(jié)果的影響,以優(yōu)化波數(shù)區(qū)間的選擇。選中的波數(shù)區(qū)間與其他數(shù)據(jù)相比較,更直接關(guān)聯(lián)分析對(duì)象的結(jié)構(gòu),干擾組分和干擾因素更少,參與樣品實(shí)際含量的回歸和校正模型的建立,克服了水對(duì)與分析的干擾。

　　首先比較不同濃度的單一糖溶液和純水的近紅外吸收譜圖。圖 1是 3種濃度下的葡萄糖溶液和純水的近紅外吸收比較。隨著濃度的增大,6800cm-1左右的吸收不斷下降,它們對(duì)應(yīng)著-OH伸縮振動(dòng)一級(jí)倍頻。

　　在 6500和 5500cm-1兩處吸收曲線兩次相交。兩交點(diǎn)之間的區(qū)域?qū)?yīng)糖所含 C-H 鍵伸縮振動(dòng)的一級(jí)倍頻,是受水吸收干擾較小的部分。隨著糖的濃度的增大,C-H 的 伸縮振動(dòng)的吸收同步增強(qiáng)。較低濃度時(shí),溶液的吸收曲線幾乎和純水的吸收曲線重疊。其次,比較固態(tài)粉末狀態(tài)時(shí)糖的吸收。稱量葡萄糖和果糖,混以分析純的 BaSO 4,充分研磨,制成不同質(zhì)量百分含量的 3個(gè)樣品。圖 2是 3個(gè)固體樣品的近紅外漫反射譜圖。5500～6000cm-1附近有很多細(xì)小的吸收峰,它們反映的是C-H 伸縮振 動(dòng);6000～7300cm-1是糖的-OH 伸 縮 振 動(dòng)的吸收。不同樣品之間 C-H 伸縮振動(dòng)有值得關(guān)注的細(xì)小區(qū)別,-OH伸縮振動(dòng)也隨著兩種單糖濃度大小有規(guī)律變化。

　　第三,參照?qǐng)D 2的信息分析溶液的近紅外吸收。從溶液的近紅外吸收譜圖中扣除純水吸收,可以近似認(rèn)為是該溶液中糖的吸收信號(hào)。圖 3即相同濃度的葡萄糖、果糖和蔗糖溶液吸收?qǐng)D與純水的差譜。5500～6000cm-1區(qū)域?qū)?yīng) C-H伸縮振動(dòng)的一級(jí)倍頻,不存在水對(duì)糖吸收的干擾和掩蓋,可以更加清晰地反應(yīng)糖的定量關(guān)系。6800cm-1對(duì)應(yīng)糖類-OH的吸收,在溶液的吸收譜圖中顯得十分微弱,僅有并不明顯的拐點(diǎn);在漫反射圖中則有清晰的反應(yīng),并且百分含量的變化引起譜圖走向很大的不同。可以理解,固態(tài)時(shí)葡萄糖、果糖都保持了醛糖和酮糖的結(jié)構(gòu),醛基、酮基對(duì)于分子中-OH伸縮振動(dòng)會(huì)產(chǎn)生不一致的影響,使得圖 2中果糖、葡萄糖在6000～7300cm-1區(qū)域的吸收趨勢(shì)有很大的差別,特別6800cm-1附近的吸收從果糖到葡萄糖有向低波數(shù)方向偏移的現(xiàn)象;相對(duì)-OH而言,C-H 振動(dòng)受到較大基團(tuán)的影響要弱,表現(xiàn)為在 5300～6000cm-1區(qū)域,不同糖吸收差別較小。溶液中,由于兩種糖已經(jīng)形成結(jié)構(gòu)更加相似的呋喃糖、吡喃糖,醛基和酮基已經(jīng)轉(zhuǎn)化成半縮醛或者半縮酮,同時(shí),糖分子中-OH 還受到來自大量水分子的制約,所以水溶液的近紅外吸收?qǐng)D中不同糖的-OH伸縮振動(dòng)區(qū)分不明顯。相對(duì)而言,受干擾較小的 C-H 振動(dòng)的信息對(duì)于定量分析有更大的意義。

　　進(jìn)一步比較相同濃度葡萄糖,果糖和蔗糖溶液與純水在6000～5500cm-1的差譜。考慮到二糖實(shí)際上相當(dāng)于同等濃度的兩份單糖的結(jié)合,不難理解蔗糖的吸收強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于葡萄糖和果糖。對(duì)于結(jié)構(gòu)近似的后兩種單糖,不同的 C-H 鍵結(jié)構(gòu)對(duì)于譜圖應(yīng)有不同貢獻(xiàn)。吡喃糖和呋喃糖分子椅型構(gòu)象式中,-CH基團(tuán)以平伏鍵,或者直立鍵連接于環(huán)上。近紅外吸收譜圖中,C-H 伸縮振動(dòng)可能對(duì)應(yīng)于吡喃、呋喃環(huán)上的C-H平伏鍵,或者對(duì)應(yīng)于沒有配糖的C6原子上CH2平面的變形性。

　　實(shí)驗(yàn)中光譜數(shù)據(jù)處理使用的是BRUKER自帶的化學(xué)計(jì)量學(xué)分析軟件,應(yīng)用偏最小二乘法 ( p a r t i a ll e a s ts q u i r e ,P LS ) 建立校正模型。具體數(shù)據(jù)如表1 ～表 4 。

　　表1數(shù)據(jù)顯示,一元溶液可以在10000 ～5100c m-1范圍得到令人滿意的結(jié)果。選擇有意義的波數(shù)區(qū)域考慮,可以減小校正集和預(yù)測(cè)集標(biāo)準(zhǔn)偏差,提高模型質(zhì)量,改善分析結(jié)果。比如蔗糖的SEC和 SEP分別由0.0213,0.0177至 0.0024,0.0018 ,減小到近十分之一。

　　表 2中第一及第四組數(shù)據(jù)是相同混合溶液實(shí)驗(yàn),選擇幾乎全譜( 9000～5500c m-1) 和選擇優(yōu)化波數(shù)區(qū)間(6103 ～5448cm-1)的數(shù)據(jù)參與關(guān)聯(lián),結(jié)果改進(jìn)明顯,S EC和 S EP均大幅度下降。比如葡萄糖/ 果糖混合溶液SEC為 0.0051/0.0044( mol·L -1)。S .Berentsen曾 經(jīng) 報(bào)道 類似結(jié)果為 0 .0121/0.0126( mo l ·L -1) ( 其中葡萄糖、果糖濃度范圍分別是 0.1～2.3,0.2 ～1.8mol·L-1)。

　　表3是三元混合體系優(yōu)化波數(shù)范圍和全譜分析的數(shù)據(jù)比較,根據(jù)兩項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)偏差的大小,結(jié)果仍有明顯改進(jìn);

　　表 4 是利用三元體系所建立的模型分析預(yù)測(cè)集樣品的結(jié)果。對(duì)于濃度較低的分析樣品,個(gè)別情況會(huì)造成分析結(jié)果的相對(duì)誤差(r/ %) 相對(duì)變大,但是真實(shí)值和預(yù)測(cè)值的相關(guān)系數(shù)(ρ)表明,在95%或者99%的置信區(qū)間二者仍然是顯著相關(guān)的。