基于PLS /UV的二取代苯甲醛类化合物各自同分异构体的同时测定

郭 磊，栗彧君，李彦威

(太原理工大学 化学化工学院，太原 030024)

二取代的苯甲醛类化合物大部分为无色至黄色的液体或白色至淡黄色的结晶，不溶或难溶于水，易溶于醇、醚及通常的有机溶剂中，是重要的医药中间体或有机化工原料[1]，可用于农药、医药、化妆品和染料等众多产品的合成。此类化合物均具有3种同分异构体。对这些化合物异构体的分析测定通常采用的方法是色谱法[2-3]、色谱-质谱联用法[4]以及毛细管电泳[5]等，但这些方法的仪器使用成本比较高、操作较为复杂。目前采用紫外光谱法(ultraviolet spectrophotometry,UV)与化学计量学的多元校正方法相结合，无需分离就能达到此类化合物同分异构体同时测定的目的，而且成本低廉、操作方便、分析快速[6-8]。本文在课题组原有工作[9-11]的基础上，采用化学计量学中的偏最小二乘法(partial least squares method,PLS)[12]对紫外吸收光谱重叠严重、相关性高的10种二取代苯甲醛化合物各自异构体的同时测定进行了研究，取得了良好的实验结果。

1 实验部分

1.1 试剂与仪器

试剂：甲基苯甲醛、硝基苯甲醛、氯苯甲醛(阿法埃莎化学有限公司)；甲氧基苯甲醛(阿拉丁试剂上海有限公司)；羟基苯甲醛(庄信万丰(上海)化工有限公司)；苯二甲醛、苯氧基苯甲醛、羧基苯甲醛(百灵威科技有限公司)；氟苯甲醛、溴苯甲醛(萨恩化学技术(上海)有限公司)；无水乙醇(天津市科密欧化学试剂有限公司)。上述试剂均为分析纯，实验用水由Heal Force超纯水系统制备。

仪器：UV-1901型紫外可见分光光度计(北京普析通用仪器有限公司)；SK250HP超声波清洗器(上海科导超声仪器有限公司)；BS-110S电子天平(北京赛多利斯仪器有限公司)。

1.2 实验方法

标准溶液的配制：分别准确称取二取代的苯甲醛类化合物的3种同分异构体0.010 0 g于50 mL烧杯中，用少量乙醇溶解后转移至100 mL棕色容量瓶中，以乙醇定容并摇匀，即制备成质量浓度为100.00 μg/mL的待用标准溶液。

参照文献[9-10]的实验方法，分别配制上述化合物相应的单组分或者三组分混合的待测溶液。通过紫外光谱扫描，获得它们各单组分及混合物的吸收曲线。同时，在波长221～267 nm的范围内，采集间隔1 nm的吸光度数据，然后输入用MATLAB7.0.1软件编写的PLS程序进行处理,计算混合溶液中各组分的含量。

2 结果与讨论

2.1 紫外吸收光谱

依据实验方法分别对10种二取代苯甲醛类化合物的邻、间、对位单组分溶液和三组分的混合溶液进行紫外光谱扫描。得到的10种二取代苯甲醛化合物各自邻、间、对位同分异构体单组分溶液的紫外吸收光谱均有不同程度的重叠，相关性比较高。以重叠最为严重的氟苯甲醛为例，其紫外吸收光谱如图1所示。异构体间相互重叠越严重，相互干扰的程度就越大，此时采用常规的光谱法是难以对化合物3种同分异构体进行同时测定的。

1—邻氟苯甲醛；2—间氟苯甲醛；3—对氟苯甲醛；4—3种异构体混合物图1 邻、间、对位氟苯甲醛及其混合物的紫外吸收光谱 Fig.1 Absorption spectra of o-,m-,p- fluorobenzaldehyde and their mixture

2.2 吸光度加和性的考察及波长区间的选择

按照实验方法，在190～350 nm波长范围内，分别测定10种二取代苯甲醛类化合物各自同分异构体的单组分溶液在各波长点处的吸光度值，计算得到化合物邻、间、对位三组分吸光度的加和值A′。同时测定混合物的吸光度值A，以(A′-A)/A对波长λ作图，结果见图2.

为了保证测定结果的准确性，要求A与A′值应尽可能相近，本实验取其相对偏差小于±10%.由图2可知，10种化合物在波长221～267 nm范围内的A与A′值基本吻合，相对偏差满足要求。因此，本实验选择的适宜光谱数据测量区间为221～267 nm，并且间隔1 nm采集一次吸光度值。

图2 不同化合物(A′-A)/A随λ的变化曲线 Fig.2 The curve of (A′-A)/A of different compounds with wavelength λ

2.3 单组分线性关系的考察

依据实验方法，在质量浓度2.00～20.00 μg/mL范围内，以2.00 μg/mL为间隔配制一系列不同质量浓度的、二取代苯甲醛化合物的邻、间、对单组分标准溶液。在波长221～267 nm范围内，以化合物各自的最大吸收波长进行吸光度的测定，同时进行线性回归。实验数据表明，10种化合物的邻、间、对3种同分异构体在所选质量浓度范围内与其吸光度呈现良好的线性关系，相关系数在0.990 8～0.999 9之间。

2.4 化合物相关系数及吸光度的比较

根据向量间相关系数的计算方法[13]，可得到邻、间位，邻、对位和间、对位化合物之间的相关系数a、b、c.其中，邻位的相关系数为(a+b)/2，间位的相关系数为(a+c)/2，对位的相关系数为(b+c)/2，而该化合物的平均相关系数为(a+b+c)/3.相关系数计算结果见表1.

同时取质量浓度均为12.00 μg/mL的、10种化合物邻位、间位、对位的单组分标准溶液和三组分混合溶液，在波长221～267 nm范围内进行扫描。比较邻位、间位、对位化合物及其混合物的平均吸光度，结果见表2.

表1 二取代苯甲醛化合物相关系数的比较Table 1 The comparison of correlation coefficient for disubstituted benzaldehyde compounds

表2 二取代苯甲醛化合物平均吸光度的比较Table 2 The comparison of average absorption intensity for disubstituted benzaldehyde compounds

表1表明：10种化合物中氟苯甲醛和甲基苯甲醛异构体间的相关系数平均值比较大，其光谱信号重叠严重，相互干扰较大；而甲氧基苯甲醛异构体间的相关系数平均值最小，其光谱信号重叠相对较小，相互干扰比较小。这一计算结果与化合物的紫外吸收光谱图相吻合。

由表2可知，邻苯二甲醛的平均吸光度仅为0.061 9，而其余化合物的吸光度均大于0.200 0.通常情况下，所测化合物的光谱信号强度越小，其测定灵敏度就越低，测定误差就相对越大。因此，在苯二甲醛3种异构体的同时测定中，邻苯二甲醛的测定误差比较大。

2.5 模型的建立

2.5.1校正模型的建立

参照文献[10]进行校正模型的建立。三组分的质量浓度分别选取3.00，6.00，9.00，12.00 μg/mL 4个水平，配制成16组合成样品作为校正集。每个测试样品的质量浓度组成见表3.

表3 校正集样品质量浓度的组成Table 3 The sample concentration of calibration set

2.5.2主成分数的确定

主成分数是PLS模型的重要参数，其取值对预测结果的准确度影响比较大。本实验模型的建立选用交互验证法，各化合物的最佳主成分数及预报误差平方和(PRESS)如表4所示。

表4 不同化合物的PLS模型参数Table 4 The parameters of PLS method of different compounds

由表4可知，10种化合物中除苯二甲醛的PRESS大于0.800 0外，其余9种化合物的PRESS均小于0.400 0.这表明所建模型对苯二甲醛的预测准确度相对比较低，而对于其余9种化合物均具有良好的预测能力。此结果与2.4部分的预判相吻合。

2.6 模型预测性能的比较

采用与文献[10]相同的方法建立预测集，对所建模型的预测能力进行检验。同时，采用平均回收率(AR)和预测均方根误差(RMSEP)对结果进行评价，见表5.

由表5可以看出，除邻苯二甲醛外，其他化合物的平均回收率均在90.67%～111.57%之间，RMSEP≤0.95.这表明所建模型对其余9种二取代苯甲醛各自同分异构体的同时测定具有良好的预测能力，这与2.5部分所得结论相一致。此外，甲基苯甲醛和氟苯甲醛的邻、间位异构体的RMSEP均大于0.50，其预测结果与其他化合物相比相对较差。这主要是由于上述两种化合物各自3种异构体的吸收光谱重叠严重，其相关系数平均值均大于0.900 0(见表1)，相互干扰比较大所致。

表5 合成样品预测能力的比较Table 5 Comparison of the prediction performances for synthetic samples

2.7 方法的精密度试验及结果比较

按照实验方法，配制邻、间、对位二取代的苯甲醛类化合物质量浓度均为6.00 μg/mL的混合溶液，平行测定8次，并进行化合物之间的比较。结果显示，除苯二甲醛和氟苯甲醛外，所建立的方法对其余8种化合物各自异构体的同时测定均具有良好的重现性，相对标准偏差(RSD)均小于1.1%.

2.8 本文方法的加标回收率实验

按照实验方法，分别将二取代苯甲醛化合物配制成邻、间、对位质量浓度均为3.00 μg/mL的合成样品。在测定其吸光度值后，加入一定量的标准溶液后再进行吸光度的测定。实验采用正交表L4(23) 构建方法的加标回收率测定，分别选取3.00 μg/mL和6.00 μg/mL两个水平，配制成4组混合标准溶液。实验结果显示：所建方法对于10种化合物各自异构体的测定，其加标回收率均在80.01%～112.45%之间；除邻苯二甲醛外，其余化合物的预测均方根误差(RMSEP)≤1.0，显示出测定方法的准确度良好。

3 结论

本实验所建立的偏最小二乘-紫外光谱法可用于多种二取代苯甲醛类化合物各自同分异构体混合溶液中三组分的同时测定。实验结果表明，在选定的波长范围内，化合物的吸光度太小，将影响所建模型预测结果的准确度，致使方法的精密度和准确度降低。同时，化合物同分异构体间的相关系数越大，相互干扰越大，也会对测定结果产生不利的影响。