激光拉曼光譜儀在A-K糖冷卻結(jié)晶中的應(yīng)用研究

向蕾蕾，朱亮，沙作良

（天津市海洋資源與化學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津科技大學(xué)海洋科學(xué)與工程學(xué)院，天津300457）

激光拉曼光譜儀在A-K糖冷卻結(jié)晶中的應(yīng)用研究

向蕾蕾，朱亮*，沙作良

（天津市海洋資源與化學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津科技大學(xué)海洋科學(xué)與工程學(xué)院，天津300457）

采用激光拉曼光譜法對水中A-K糖的濃度進(jìn)行測定。通過比較純水和加了A-K糖后溶液之間拉曼譜圖的變化找到了A-K糖特征峰位置為1 657 cm-1，以1 657 cm-1與水的拉曼光譜特征峰3 427 cm-1的相對強(qiáng)度比值和溶液濃度建立線性關(guān)系，從而建立校準(zhǔn)模型。經(jīng)驗(yàn)證此法可簡單快速測定溶液濃度，最終利用此標(biāo)準(zhǔn)曲線實(shí)現(xiàn)對A-K糖在水中的冷卻結(jié)晶的實(shí)時(shí)監(jiān)測，這對研究A-K糖工業(yè)化生產(chǎn)過程的在線監(jiān)控有著重大意義。

拉曼光譜；A-K糖；標(biāo)準(zhǔn)曲線；實(shí)時(shí)監(jiān)測

A-K糖又稱安賽蜜，化學(xué)名為乙?；前匪徕洠鞘澜缟系谒拇铣商鹞秳?。A-K糖是近代發(fā)展起來的一種功能性甜味劑，它的甜度較高，為蔗糖的200倍，在體內(nèi)不代謝故完全無熱量。由于A-K糖在代謝中不需要胰島素的促進(jìn)，因而不會造成糖尿病患者血糖值的增加，是糖尿病患者很好的輔助治療劑，同時(shí)也是許多功能性食品中重要的基料，其廣泛應(yīng)用于各種食品、飲料、口腔衛(wèi)生、化妝品以及藥劑上以遮蓋苦味［1-2］。

激光拉曼光譜法是一種新型的檢測技術(shù)，其快速、方便、無損等特點(diǎn)使拉曼光譜應(yīng)用于廣泛的領(lǐng)域［3-4］。理論上，在實(shí)驗(yàn)條件不變的情況下，拉曼信號的強(qiáng)度與被激發(fā)的分子鍵數(shù)成正比，即與溶液中溶質(zhì)的濃度成正比。因此，可以通過樣品的拉曼峰強(qiáng)度的變化來確定其濃度。此種定量分析方法稱為標(biāo)準(zhǔn)曲線法［5］。本文利用拉曼光譜法測定了A-K糖在水中的濃度，經(jīng)過對光譜原始數(shù)據(jù)的預(yù)處理，運(yùn)用標(biāo)準(zhǔn)曲線法得到濃度的校準(zhǔn)模型，經(jīng)驗(yàn)證此法準(zhǔn)確可用，并結(jié)合校準(zhǔn)模型對A-K糖在水中的冷卻結(jié)晶過程進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，其研究結(jié)論為利用拉曼光譜儀實(shí)現(xiàn)對A-K糖工業(yè)化生產(chǎn)過程的在線監(jiān)控提供了參考。

1材料與儀器

1.1 材料與試劑

A-K糖（鄭州景德化工產(chǎn)品有限公司）；實(shí)驗(yàn)室所用水為自制超純水（18.3 MΩ·cm）。

1.2 儀器與設(shè)備

Lab RAM HR800激光顯微共聚焦拉曼光譜儀（法國Horiba JOBIN YVON公司）。激發(fā)光源：20 mW，He-Ne 532.157 nm激光器；偏振度：500∶1；光柵刻線數(shù)：600 mm-1；共聚焦孔徑：150 μm；Super Head激光探頭。

Huber經(jīng)濟(jì)型恒溫水油浴，型號K6-CC-NR：德國HUBER有限公司；規(guī)格100 mL的夾套式玻璃結(jié)晶器：自制；JB-3定時(shí)雙向磁力恒溫?cái)嚢杵鳎航K省金壇市榮華儀器制造有限公司。

2方法與結(jié)果

將待測樣品溶液盛于結(jié)晶器中，使拉曼Super Head的激光探頭浸入溶液液面以下約7 mm處，激光探頭頂端發(fā)光處即激光聚焦焦點(diǎn)。光信號采集積分時(shí)間為5 s，積分2次平均。

2.1 A-K糖特征峰的選擇

將純水的拉曼光譜圖與加入A-K糖后的A-K糖水溶液譜圖進(jìn)行比較（見圖1），可以找到在約1657cm-1處有A-K糖的特征峰（C=O伸縮振動），且水在此位置沒有拉曼特征峰，故可選擇1 657 cm-1作為A-K糖的定量峰。同時(shí)，選擇水在約3 427 cm-1處的特征峰（-CCO面內(nèi)伸縮振動）作為溶劑的定量峰［6］。

圖1 A-K糖水溶液與純水的拉曼光譜圖Fig.1Raman spectra of A-K solution and water

2.2 標(biāo)準(zhǔn)曲線的繪制

采用了20℃下濃度變化范圍在0mg/mL～150mg/mL的9組水—A-K糖二元體系的標(biāo)準(zhǔn)溶液來建立拉曼校準(zhǔn)模型，每個(gè)溶液重復(fù)測量5次。

對采集到的光譜數(shù)據(jù)的拉曼光譜數(shù)據(jù)運(yùn)用Lab RAM HR800拉曼光譜儀上的自帶軟件NGS Lab-Spec進(jìn)行預(yù)處理［7-10］：首先分別截取A-K糖1 657cm-1特征峰所在的1 620 cm-1～1 700 cm-1和水3 427cm-1特征峰所在的3 040 cm-1～3 800 cm-1兩段光譜作為平滑窗口，用Savitzky-Golay法對光譜進(jìn)行二級平滑（平滑窗口為17），對截取的光譜自動扣除背底，然后經(jīng)過尋峰、近似、擬合的操作，讀取軟件中顯示的處理后的A-K糖和水的特征峰強(qiáng)值Ia和Iw。計(jì)算相對強(qiáng)度R=Ia/Iw（見表1），在相對強(qiáng)度和濃度之間建立回歸方程，可得到如圖2的標(biāo)準(zhǔn)曲線方程y=347.906 1x-0.214 4，線性相關(guān)系數(shù)為0.998 1。

表1 不同濃度標(biāo)準(zhǔn)溶液的拉曼特征峰強(qiáng)比值數(shù)據(jù)表Table 1Concentration and ratio of characteristic peak

圖2 A-K糖溶液濃度隨光譜信息變化的標(biāo)準(zhǔn)曲線Fig.2Solution calibration curve showing A-K concentration as a function of the Raman response（n=5）

2.3 實(shí)樣的測定

配制濃度分別為40、60 mg/mL的樣品Ⅰ和樣品Ⅱ兩個(gè)樣品溶液，用上述實(shí)驗(yàn)方法測定兩個(gè)樣品溶液的濃度，實(shí)測結(jié)果如表2中所示，平均濃度分別為40.47、60.76 mg/mL，RSD分別為0.812%、1.87%，實(shí)驗(yàn)表明本文所用標(biāo)準(zhǔn)曲線法所得的校準(zhǔn)模型可以比較快速準(zhǔn)確的測定溶液濃度。

表2 樣品測定結(jié)果Table 2Analytical results of samples

2.4 冷卻結(jié)晶過程的實(shí)時(shí)監(jiān)測

將40 mL的純水和22 g的A-K糖固體置于結(jié)晶器中，磁力攪拌速度固定為400 r/min，循環(huán)水浴溫度控制在20℃，設(shè)置水浴的控溫程序使其溫度變化趨勢如圖3中所示。

圖3 隨時(shí)間的變化的A-K溶液濃度Fig.3Obtained A-K concentration profile for a batch time of 120 minutes.The batch temperature profile is overlaid

在控溫程序開始運(yùn)行的同時(shí)，開始采集溶液的拉曼光譜信息，時(shí)間間隔設(shè)為1 min，實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)共采集121個(gè)圖譜。這些圖譜數(shù)據(jù)經(jīng)過如同上文的預(yù)處理后計(jì)算出峰強(qiáng)比值R，運(yùn)用上述校準(zhǔn)模型可得到溶液濃度隨時(shí)間的變化圖。

此外，在開始采集信息后的第30分、第66分和第90分時(shí)，各取出少量澄清溶液，用重量分析法測定其離線濃度。

如圖3中所示，A-K糖在水中的濃度隨時(shí)間變化，在開始的10分鐘A-K糖在水中的溶解度隨溫度的上升而逐漸增大，所以溶液濃度在不斷上升，直至A-K糖完全溶解于溶液中。接著拉曼信號出現(xiàn)了一段平臺，此段時(shí)間里溫度恒定不變，之后溫度降低，隨著溫度降低溶液達(dá)到過飽和狀態(tài)，有晶體析出，溶液濃度相應(yīng)減小，直至達(dá)到固液平衡，不再有晶體析出。第66分鐘和第90分鐘時(shí)所取溶液的離線濃度均略小于拉曼信號所得濃度，這是由于溶液中有析出的懸浮粒子存在，對拉曼光譜儀的測量產(chǎn)生了影響。

3結(jié)論

本文中的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明運(yùn)用標(biāo)準(zhǔn)曲線法可以在拉曼光譜的特征峰強(qiáng)度比值和標(biāo)準(zhǔn)溶液濃度之間建立起線性關(guān)系，得到校準(zhǔn)模型，經(jīng)實(shí)際樣品驗(yàn)證證明此校準(zhǔn)模型比較準(zhǔn)確，從而證明標(biāo)準(zhǔn)曲線法是一種可通過拉曼光譜儀準(zhǔn)確快速測定A-K糖水溶液濃度的方法。此外，本文利用拉曼光譜法對A-K糖水溶液進(jìn)行了實(shí)時(shí)監(jiān)測，在這段時(shí)間內(nèi)，隨著溫度變化，溶液中產(chǎn)生溶解或結(jié)晶，使溶液濃度相應(yīng)的產(chǎn)生變化，拉曼信號對這些變化有著較好的反應(yīng)，從而證明利用拉曼光譜儀可以實(shí)現(xiàn)對A-K糖工業(yè)化生產(chǎn)的在線監(jiān)控。

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Measurement of the Concentration of Acesulfame-K in Water Solvent and in Situ Monitoring of Cooling Crystallization with Raman Spectroscopy

XIANG Lei-lei，ZHU Liang*，SHA Zuo-liang
（Tianjin Key Laboratory of Marine Resources and Chemistry，College of Marine Science and Engineering，Tianjin University of Science&Technology，Tianjin 300457，China）

Determine the concentration of Acesulfame-K in water solvent by using laser Raman spectroscopy. Through comparing the Raman spectra between the water solvent and the Acesulfame-K solvent，we find the characteristic peak position of Acesulfame-K is at 1 657 cm-1.We make a linear relationship between the relative intensity and solution concentration.Being validated，the standard curves is available to determination solution concentration simply and rapidly.At the last of this study，we monitor in situ the cooling crystallization of Acesulfame-K in water solvent with this standard curves.

Raman spectroscopy；Acesulfame-K；standard curves；in situ monitoring

10.3969/j.issn.1005-6521.2015.09.024

2013-05-29

國家自然科學(xué)基金（No.21076157）資助項(xiàng)目；高等學(xué)校博士學(xué)科點(diǎn)專項(xiàng)科研基金（No.20121208120001）

向蕾蕾（1986—），女（漢），在讀碩士，研究方向：儀器分析化學(xué)。

*通信作者