葡萄糖漫反射三级近红外光谱研究

于宏伟，胡梦璇，封卓帆，马思怡，陈新乐，王 雨

(石家庄学院化工学院，河北 石家庄 050035)

0 前言

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，在临床医学[1]、生物工程[2]、食品工程[3]、畜牧学[4]、水产科学[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定性结构研究[6-9]，而葡萄糖漫反射一维近红外(NIR)光谱，由于谱图分辨能力不高，并且所提供的光谱信息有限，通常只适用于用于定量研究[10-11]，而相关定性结构研究少见文献报道。葡萄糖漫反射二阶导数近红外(NIR)光谱及漫反射二维近红外(2D-NIR)光谱的谱图分辨能力要优于相应的漫反射一维 NIR 光谱，并能提供更多丰富的光谱信息，而相关研究未见报道。因此本文采用漫反射三级 NIR 光谱技术(包括：漫反射一维 NIR 光谱、漫反射二阶导数 NIR 光谱及漫反射 2D-NIR 光谱)分别开展了葡萄糖的结构研究。

1 材料与方法

1.1 材料

葡萄糖(分析纯，C6H12O6·H2O，河北定州青年试剂厂)。

1.2 仪器与设备

Spectrastar xL 型近外红光谱仪(美国 Unity 公司，测定频率范围14 000 cm-1～4 000 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。葡萄糖漫反射一维 NIR 光谱数据获得采用 InfoStar 软件(版本 3.11.3-SP1)；葡萄糖漫反射二阶导数 NIR 光谱数据获得采用 Spectrum v 6.3.5 软件(平滑点分别选择 37 个平滑点)；葡萄糖漫反射 2D-NIR 光谱数据处理采用 2Dshinge(c) 软件(Shigeaki Morita，Kwansei-Gakuin University，2004-2005，其中 contour=8)；图形数据处理采用 Origin 8.0。

2 结果与讨论

2.1 葡萄糖漫反射一维及二阶导数 NIR 光谱研究

在 14 000 cm-1～4 000 cm-1频率范围内，首先开展了葡萄糖漫反射一维 NIR 光谱研究(图 1A)。实验发现：葡萄糖漫反射一维 NIR 光谱谱图比较简单。根据文献报道[12]，5 154.10 cm-1频率处的吸收峰(ν-1-一维-葡萄糖)包括：结晶水的称伸缩振动模式(νH2O-一维)和结晶水弯曲振动模式(δH2O-一维)的组合频吸收；6 682.00 cm-1频率处的吸收峰(ν-2-一维-葡萄糖)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(ν-3-一维-葡萄糖)包括：O-H(3υ)。在 14 000 cm-1～4 000 cm-1频率范围内，进一步开展了葡萄糖的漫反射二阶导数 NIR 光谱研究(图 1B)，其谱图分辨能力要优于相应的漫反射一维 NIR 光谱[13-14]。其中 4 038.21 cm-1频率处的吸收峰(ν-1-二阶导数-葡萄糖)包括：C-H 伸缩振动、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(ν-2-二阶导数-葡萄糖)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(ν-3-二阶导数-葡萄糖)包括：OH- 弯曲振动和 C-O 伸缩振动的组合频率，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(ν-4-二阶导数-葡萄糖)包括：O-H(2υ)及 O-H-O-H 聚合体(·OH)。

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

2.2 葡萄糖漫反射 2D-NIR 光谱研究

葡萄糖漫反射 2D-NIR 光谱包括：漫反射同步 2D-NIR 光谱和漫反射异步 2D-NIR 光谱。

本文分别在 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等五个频率范围内分别开展了葡萄糖主要官能团漫反射 2D-NIR 光谱研究。

2.2.1 4 030 cm-1～4 000 cm-1频率范围内葡萄糖漫反射 2D-NIR 光谱研究

4 030 cm-1～4 000 cm-1频率范围内的吸收峰主要包括：C-H 伸缩振动、C-C 和 C-O-C 伸缩振动的组合频。在 4 030 cm-1～4 000 cm-1频率范围内，开展了葡萄糖漫反射同步 2D-NIR 研究(图 2A)，首先在(4 006 cm-1，4 006 cm-1)频率附近发现一个相对强度较大的自动峰，而在(4 002 cm-1，4 008 cm-1)频率附近发现一个相对强度较小的交叉峰。实验证明：葡萄糖在(4 002 cm-1，4 008 cm-1)频率对应的官能团之间存在着较强的相互作用。进一步开展了葡萄糖漫反射异步 2D-NIR 光谱研究(图 2B)，则在(4 002 cm-1，4 004 cm-1)和(4 004 cm-1，4 008 cm-1)频率发现两个相对强度较大的交叉峰，相关漫反射 2D-NIR 光谱数据见表1。

图2 葡萄糖漫反射 2D-NIR 光谱(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 光谱数据及解释(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)

根据 NODA 原则[15-16]和表 1 数据可知，葡萄糖 ν1-二维-葡萄糖对应的吸收频率包括：4 002 cm-1(ν1-A-二维-葡萄糖)、4 004 cm-1(ν1-B-二维-葡萄糖)和 4 008 cm-1(ν1-C-二维-葡萄糖)，而室温下，葡萄糖 ν1-二维-葡萄糖吸收峰变化快慢的顺序为：4 004 cm-1(ν1-B-二维-葡萄糖)> 4 002 cm-1(ν1-A-二维-葡萄糖)> 4 008 cm-1(ν1-C-二维-葡萄糖)。

2.2.2 4 380 cm-1～4 280 cm-1频率范围内葡萄糖漫反射 2D-NIR 光谱研究.

4 380 cm-1～4 280 cm-1频率范围内的吸收峰主要包括：C-H 伸缩振动和 CH2 变形振动的组合频。在 4 380 cm-1～4 280 cm-1频率范围内，开展了葡萄糖漫反射同步 2D-NIR 研究(图 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)频率附近发现七个相对强度较大的自动峰。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)频率附近发现了二十一个相对强度较大的交叉峰。在 4 300 cm-1～4 250 cm-1频率范围内，进一步开展了葡萄糖漫反射异步 2D-NIR 研究(图 3B)，相关漫反射 2D-NIR 光谱数据见表2。

图3 葡萄糖漫反射 2D-NIR 光谱(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光谱数据及解释4334,4340++4334cm-1(ν2-A-二维-葡萄糖)>4340cm-1(ν2-B-二维-葡萄糖)4334,4344+-4344cm-1(ν2-C-二维-葡萄糖)>4334cm-1(ν2-A-二维-葡萄糖)4334,4350++4334cm-1(ν2-A-二维-葡萄糖)>4350cm-1(ν2-D-二维-葡萄糖)4334,4362++4334cm-1(ν2-A-二维-葡萄糖)>4362cm-1(ν2-E-二维-葡萄糖)4334,4366++4334cm-1(ν2-A-二维-葡萄糖)>4366cm-1(ν2-F-二维-葡萄糖)4334,4374++4334cm-1(ν2-A-二维-葡萄糖)>4374cm-1(ν2-G-二维-葡萄糖)4340,4344+-4344cm-1(ν2-C-二维-葡萄糖)>4340cm-1(ν2-B-二维-葡萄糖)4340,4350+-4350cm-1(ν2-D-二维-葡萄糖)>4340cm-1(ν2-B-二维-葡萄糖)4340,4362+-4362cm-1(ν2-E-二维-葡萄糖)>4340cm-1(ν2-B-二维-葡萄糖)4340,4366+-4366cm-1(ν2-F-二维-葡萄糖)>4340cm-1(ν2-B-二维-葡萄糖)4340,4374+-4374cm-1(ν2-G-二维-葡萄糖)>4340cm-1(ν2-B-二维-葡萄糖)4344,4350++4344cm-1(ν2-C-二维-葡萄糖)>4350cm-1(ν2-D-二维-葡萄糖)4344,4362++4344cm-1(ν2-C-二维-葡萄糖)>4362cm-1(ν2-E-二维-葡萄糖)4344,4366++4344cm-1(ν2-C-二维-葡萄糖)>4366cm-1(ν2-F-二维-葡萄糖)4344,4374++4344cm-1(ν2-C-二维-葡萄糖)>4374cm-1(ν2-G-二维-葡萄糖)4350,4362+-4362cm-1(ν2-E-二维-葡萄糖)>4350cm-1(ν2-D-二维-葡萄糖)4350,4366+-4366cm-1(ν2-F-二维-葡萄糖)>4350cm-1(ν2-D-二维-葡萄糖)4350,4374+-4374cm-1(ν2-G-二维-葡萄糖)>4350cm-1(ν2-D-二维-葡萄糖)4362,4366++4362cm-1(ν2-E-二维-葡萄糖)>4366cm-1(ν2-F-二维-葡萄糖)4362,4374+-4374cm-1(ν2-G-二维-葡萄糖)>4362cm-1(ν2-E-二维-葡萄糖)4366,4374+-4374cm-1(ν2-G-二维-葡萄糖)>4366cm-1(ν2-F-二维-葡萄糖)

根据 NODA 原则[15-16]和表 2 数据可知，葡萄糖 ν2-二维-葡萄糖对应的吸收频率包括：4 334 cm-1(ν2-A-二维-葡萄糖)、4 340 cm-1(ν2-B-二维-葡萄糖)、4 344 cm-1(ν2-C-二维-葡萄糖)、4 350 cm-1(ν2-D-二维-葡萄糖)、4 362 cm-1(ν2-E-二维-葡萄糖)、4 366 cm-1(ν2-F-二维-葡萄糖)和 4 374 cm-1(ν2-G-二维-葡萄糖)。而室温下，葡萄糖 ν2-二维-葡萄糖吸收峰变化快慢的顺序为：4 344 cm-1(ν2-C-二维-葡萄糖)> 4 334 cm-1(ν2-A-二维-葡萄糖)> 4 374 cm-1(ν2-G-二维-葡萄糖)> 4 362 cm-1(ν2-E-二维-葡萄糖)> 4 366 cm-1(ν2-F-二维-葡萄糖)> 4 350 cm-1(ν2-D-二维-葡萄糖)> 4 334 cm-1(ν2-A-二维-葡萄糖)。

2.2.3 4 825 cm-1～4 725 cm-1频率范围内葡萄糖二维漫反射 2D-NIR 光谱研究

4 825 cm-1～4 725 cm-1频率范围内的吸收峰主要包括：OH- 弯曲振动和 C-O 伸缩振动的组合频率，及 OH-/C-O 聚合体(·O-H 和 ·C-O)。在 4 825 cm-1～4 725 cm-1频率范围内开展了葡萄漫反射同步 2D-NIR 研究(图 4A)。首先在(4 772 cm-1，4 772 cm-1)频率附近发现一个相对强度较大的自动峰。在 4 825 cm-1～4 725 cm-1频率范围内开展了葡萄漫反射异步 2D-NIR 研究(图 4B)，则在(4 770 cm-1，4 776 cm-1)频率附近发现一个相对强度较大的交叉峰，相关漫反射 2D-NIR 光谱数据见表 3。

图4 葡萄糖漫反射 2D-NIR 光谱(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 光谱数据及解释(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)

根据 NODA 原则[15-16]和表 3 数据可知，葡萄糖 ν3-二维-葡萄糖对应的吸收频率包括：4 770 cm-1(ν3-A-二维-葡萄糖)和 4 776 cm-1(ν3-B-二维-葡萄糖)，而室温下，葡萄糖 ν3-二维-葡萄糖吸收峰变化快慢的顺序为：4 776 cm-1(ν3-C-二维-葡萄糖)> 4 770 cm-1(ν3-A-二维-葡萄糖)。

2.2.4 6 925 cm-1～6 850 cm-1频率范围内葡萄糖漫反射 2D-NIR 光谱研究

6 925 cm-1～6 850 cm-1频率范围内的吸收峰主要包括：O-H(2υ)及 O-H-O-H 聚合体(·OH)。在 6 925 cm-1～6 850 cm-1频率范围内葡萄糖漫反射同步 2D-NIR 研究(图 5A)。首先在(6 886 cm-1，6 886 cm-1)频率附近发现一个相对强度较大的自动峰。在 6 925 cm-1～6 850 cm-1频率范围内开展了葡萄糖漫反射异步 2D-NIR 研究(图 5B)，并没有发现明显的交叉峰。根据 NODA 原则[15-16]可知，葡萄糖 ν4-二维-葡萄糖对应的吸收频率包括：6 886 cm-1。

图5 葡萄糖漫反射 2D-NIR 光谱(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频率范围内葡萄糖漫反射 2D-NIR 光谱研究

10 350 cm-1～10 250 cm-1频率范围内吸收峰主要包括：O-H(3υ)。在 10 350 cm-1～10 250 cm-1频率范围内，首先开展了葡萄糖漫反射同步 2D-NIR 研究(图 6A)，首先在(10 282 cm-1，10 282 cm-1)频率附近发现一个相对强度较大的自动峰。进一步开展了葡萄糖漫反射异步 2D-NIR 研究(图 6B)，在(10 282 cm-1，10 290 cm-1)频率附近发现一个相对强度较大的交叉峰，相关漫反射 2D-NIR 光谱数据见表 4。

图6 葡萄糖漫反射 2D-NIR 光谱(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 光谱数据及解释(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)

根据 NODA 原则[15-16]和表 4 数据可知，葡萄糖 ν5-二维-葡萄糖对应的吸收频率包括：10 282 cm-1(ν5-A-二维-葡萄糖)和 10 290 cm-1(ν5-B-二维-葡萄糖)，而室温下，葡萄糖 ν5-二维-葡萄糖吸收峰变化快慢的顺序为：10 282 cm-1(ν5-A-二维-葡萄糖)> 10 290 cm-1(ν5-B-二维-葡萄糖)。

3 结论

采用三级漫反射 NIR 光谱开展了葡萄糖的结构研究，实验发现：葡萄糖有五组 NIR 吸收频率，并进一步研究了室温下葡萄糖 NIR 吸收峰变化快慢的信息。本文为研究糖类化合物结构建立一个新的方法学，具有重要的理论研究价值。