葡萄糖漫反射近红外光谱研究

于宏伟，胡梦璇，封卓帆，马思怡，陈新乐，李吉纳，郭雪纯，王 雨

（石家庄学院 化工学院，河北 石家庄 050035）

0 引言

葡萄糖（Glucose，分子式 C6H12O6）是自然界分布最广且最为重要的一种单糖，在医学[1]、畜牧[2，3]、食品[4]、电子[5]等领域都有广泛的应用.葡萄糖的广泛应用与其特殊结构有关.中红外（MIR）光谱广泛应用于葡萄糖的结构研究[6-9]，但葡萄糖近红外（NIR）光谱研究却少见报道[10，11].本研究采用漫反射NIR光谱（包括：一维漫反射NIR光谱和二阶导数漫反射NIR光谱）对葡萄糖结构开展了研究，为葡萄糖的应用提供了有意义的科学借鉴.

1 材料与方法

1.1 材料

葡萄糖（分析纯，河北定州青年试剂厂）.

1.2 仪器与设备

Spectrastar XL型近红外光谱仪（美国Unity公司，测定频率范围14 000~4 000 cm-1）.

1.3 实验方法

采用NIR光谱的漫反射的附件，原位对葡萄糖进行NIR光谱数据采集.每个样品扫描次数为32次，连续测定32个样品.一维漫反射NIR光谱数据获得采用InfoStar软件（版本3.11.3-SP1），而二阶导数漫反射NIR光谱数据获得采用Spectrum 6.3.5软件（平滑点分别选择5个平滑点、9个平滑点、13个平滑点、19个平滑点、25个平滑点、37个平滑点、49个平滑点和149个平滑点）.图形及标准差数据处理采用Origin 8.0.

2 结果与讨论

2.1 葡萄糖一维漫反射NIR光谱研究

在14 000~4 000 cm-1频率范围内，开展了葡萄糖一维漫反射NIR光谱研究，见图1.根据文献[12]报道，其中 5 154.10 cm-1频率处的吸收峰（ν1-一维）包括结晶水的伸缩振动模式（νH2O-one-dimensional-MIR）和结晶水弯曲振动模式（δH2O-one-dimensional-MIR）的组合频吸收；6 682.00 cm-1频率处的吸收峰（ν2-一维）包括：O—H（2υ）和·O—H—O—H 聚合体（·OH）；而10 236.00 cm-1频率处的吸收峰（ν3-一维） 包括O—H（3υ），见图 1（a）. 原位连续测量 32 次葡萄糖样品的一维漫反射NIR光谱如图1（b）所示，相关光谱数据见表1.

根据表1的数据可知，葡萄糖一维漫反射NIR光谱的吸收强度的数据平行性较好.计算了葡萄糖一维漫反射NIR光谱的3个吸收峰（ν1-一维、ν2-一维和 ν3-一维） 对应的吸收频率标准差，实验发现葡萄糖一维漫反射NIR光谱对应的吸收频率平行性较差.

图1 葡萄糖一维漫反射NIR光谱（303 K）

表1 葡萄糖一维漫反射NIR光谱数据（303 K） cm-1

2.2 葡萄糖二阶导数漫反射NIR光谱研究

2.2.1 二阶导数漫反射NIR光谱平滑点的选择

平滑点的选择对于有机物二阶导数NIR光谱很重要[13-18].但对于有机物二阶导数NIR光谱，平滑点选择却少见文献报道.本研究系统研究了葡萄糖不同平滑点（5个平滑点、9个平滑点、13个平滑点、19个平滑点、25个平滑点、37个平滑点、49个平滑点和149个平滑点）的二阶导数漫反射NIR光谱（图2），相关数据见表2.

由图2和表2数据可知，较少的平滑点（5个平滑点和13个平滑点）对应的谱图基线噪音过大，而最多的平滑点（149个平滑点）对应的谱图分辨能力有所下降，37个平滑点则是适合的选择.

2.2.2 二阶导数漫反射NIR光谱研究

图2 不同平滑点的葡萄糖二阶导数漫反射NIR光谱（303 K）

在14 000~4 000 cm-1的频率范围内，采用37个平滑点，进一步开展了葡萄糖的二阶导数漫反射NIR光谱研究，如图3（a）所示.根据文献[12]的报道，4 038.21 cm-1频率处的吸收峰（ν1-二阶导数）包括：C—H伸缩振动以及C—C和C—O—C伸缩振动的组合频；4 151.38 cm-1频率处的吸收峰（ν2-二阶导数）包括：C—H 伸缩振动和 CH2变形振动的组合频；4 919.40 cm-1频率处的吸收峰（ν3-二阶导数）包括：OH弯曲振动和C—O伸缩振动的组合频率以及OH—/C—O聚合体（·O—H和·C—O）；而 6 633.74 cm-1频率处的吸收峰（ν4-二阶导数）包括：O—H（2υ）及 O—H—O—H 聚合体（·OH）.原位连续测量32次葡萄糖样品的二阶导数漫反射NIR光谱如图3（b）所示，相关光谱数据见表3.

计算了葡萄糖二阶导数漫反射 NIR 光谱的 4 个吸收峰（ν1-二阶导数、ν2-二阶导数、ν3-二阶导数和 ν4-二阶导数）对应吸收频率标准差（表3）.研究发现：葡萄糖二阶导数漫反射NIR光谱对应的吸收频率的数据平行性较好，要优于相应的一维漫反射NIR光谱对应的吸收频率.

表2 不同平滑点时葡萄糖二阶导数漫反射NIR光谱数据（303 K）

图3 37个平滑点时葡萄糖二阶导数漫反射NIR光谱（303 K）

3 结论

开展了葡萄糖一维漫反射NIR光谱研究，继续开展了葡萄糖二阶导数漫反射NIR光谱研究，并进一步考查平滑点对于谱图分辨能力的影响.研究发现：葡萄糖的二阶导数漫反射NIR光谱的谱图分辨能力及数据平行性要优于相应的一维漫反射NIR光谱.本研究拓展了漫反射NIR光谱在葡萄糖结构研究的领域，具有一定的理论研究价值.

表 3 37个平滑点时葡萄糖二阶导数漫反射NIR光谱数据（303 K） cm-1