向蕾蕾，朱亮，沙作良

（天津市海洋資源與化學重點實驗室，天津科技大學海洋科學與工程學院，天津300457）

激光拉曼光譜儀在A-K糖冷卻結晶中的應用研究

向蕾蕾，朱亮*，沙作良

（天津市海洋資源與化學重點實驗室，天津科技大學海洋科學與工程學院，天津300457）

采用激光拉曼光譜法對水中A-K糖的濃度進行測定。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的相對強度比值和溶液濃度建立線性關系，從而建立校準模型。經驗證此法可簡單快速測定溶液濃度，最終利用此標準曲線實現對A-K糖在水中的冷卻結晶的實時監(jiān)測，這對研究A-K糖工業(yè)化生產過程的在線監(jiān)控有著重大意義。

拉曼光譜；A-K糖；標準曲線；實時監(jiān)測

A-K糖又稱安賽蜜，化學名為乙酰磺胺酸鉀，是世界上第四代合成甜味劑。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，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，同時也是許多功能性食品中重要的基料，其廣泛應用于各種食品、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，其快速、方便、無損等特點使拉曼光譜應用于廣泛的領域［3-4］。理論上，在實驗條件不變的情況下，拉曼信號的強度與被激發(fā)的分子鍵數成正比，即與溶液中溶質的濃度成正比。因此，可以通過樣品的拉曼峰強度的變化來確定其濃度。此種定量分析方法稱為標準曲線法［5］。本文利用拉曼光譜法測定了A-K糖在水中的濃度，經過對光譜原始數據的預處理，運用標準曲線法得到濃度的校準模型，經驗證此法準確可用，并結合校準模型對A-K糖在水中的冷卻結晶過程進行實時監(jiān)測，其研究結論為利用拉曼光譜儀實現對A-K糖工業(yè)化生產過程的在線監(jiān)控提供了參考。

1材料與儀器

1.1 材料與試劑

A-K糖（鄭州景德化工產品有限公司）；實驗室所用水為自制超純水（18.3 MΩ·cm）。

1.2 儀器與設備

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：600 mm-1；共聚焦孔徑：150 μm；Super Head激光探頭。

Huber經濟型恒溫水油浴，型號K6-CC-NR：德國HUBER有限公司；規(guī)格100 mL的夾套式玻璃結晶器：自制；JB-3定時雙向磁力恒溫攪拌器：江蘇省金壇市榮華儀器制造有限公司。

2方法與結果

將待測樣品溶液盛于結晶器中，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。光信號采集積分時間為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，選擇水在約3 427 cm-1處的特征峰（-CCO面內伸縮振動）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 標準曲線的繪制

采用了20℃下濃度變化范圍在0mg/mL～150mg/mL的9組水—A-K糖二元體系的標準溶液來建立拉曼校準模型，每個溶液重復測量5次。

對采集到的光譜數據的拉曼光譜數據運用Lab RAM HR800拉曼光譜儀上的自帶軟件NGS Lab-Spec進行預處理［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糖和水的特征峰強值Ia和Iw。計算相對強度R=Ia/Iw（見表1），在相對強度和濃度之間建立回歸方程，可得到如圖2的標準曲線方程y=347.906 1x-0.214 4，線性相關系數為0.998 1。

表1 不同濃度標準溶液的拉曼特征峰強比值數據表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準曲線Fig.2Solution calibration curve showing A-K concentration as a function of the Raman response（n=5）

2.3 實樣的測定

配制濃度分別為40、60 mg/mL的樣品Ⅰ和樣品Ⅱ兩個樣品溶液，用上述實驗方法測定兩個樣品溶液的濃度，實測結果如表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%，實驗表明本文所用標準曲線法所得的校準模型可以比較快速準確的測定溶液濃度。

表2 樣品測定結果Table 2Analytical results of samples

2.4 冷卻結晶過程的實時監(jiān)測

將40 mL的純水和22 g的A-K糖固體置于結晶器中，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

在控溫程序開始運行的同時，開始采集溶液的拉曼光譜信息，時間間隔設為1 min，實驗結束時共采集121個圖譜。這些圖譜數據經過如同上文的預處理后計算出峰強比值R，運用上述校準模型可得到溶液濃度隨時間的變化圖。

此外，在開始采集信息后的第30分、第66分和第90分時，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。接著拉曼信號出現了一段平臺，此段時間里溫度恒定不變，之后溫度降低，隨著溫度降低溶液達到過飽和狀態(tài)，有晶體析出，溶液濃度相應減小，直至達到固液平衡，不再有晶體析出。第66分鐘和第90分鐘時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生了影響。

3結論

本文中的實驗結果表明運用標準曲線法可以在拉曼光譜的特征峰強度比值和標準溶液濃度之間建立起線性關系，得到校準模型，經實際樣品驗證證明此校準模型比較準確，從而證明標準曲線法是一種可通過拉曼光譜儀準確快速測定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糖水溶液進行了實時監(jiān)測，在這段時間內，隨著溫度變化，溶液中產生溶解或結晶，使溶液濃度相應的產生變化，拉曼信號對這些變化有著較好的反應，從而證明利用拉曼光譜儀可以實現對A-K糖工業(yè)化生產的在線監(jiān)控。

［1］向仲朝.酒中安賽蜜高效液相色譜測定方法的研究［J］.現代預防醫(yī)學，2010（1）：99-100

［2］郭大捷，許立鏘，王燕兒，等.蜜餞中乙?；前匪徕洔y定方法的探討［J］.現代食品科技，2006（3）：111-112

［3］劉志廣，張華，李亞明.儀器分析［M］.大連：大連理工大學出版社，2007：307-310

［4］王榮，馮敏，吳衛(wèi)紅，等.拉曼光譜在薛家崗古玉測試分析中的應用［J］.光譜學與光譜分析，2005，25（9）：1422-1423

［5］毛丹卓，翁欣欣，楊永健.人血白蛋白的激光拉曼光譜法測定［J］.中國醫(yī)藥工業(yè)雜志，2012，43（9）：776-779

［6］劉文涵，楊未，吳小瓊，等.激光拉曼光譜內標法直接測定乙醇濃度［J］.分析化學研究簡報，2007（3）：416-418

［7］劉燕德，萬常斕，蔡麗.共焦顯微拉曼光譜法快速檢測食用油摻假的研究［J］.農機化研究，2012（9）：199-202

［8］Zhang Dongmao，Ben A D，Enhanced chemical classification of Raman images in the presence of strong fluorescence interference［J］. Society for applied spectroscopy，2000，54（9）：1379-1383

［9］Hu Yuerong，Jessica K L，Allan S M，et al.Crystallization monitoring by Raman spectroscopy：Simultaneous measurement of desupersaturation profile and polymorphic form in flufenamic acid systems［J］. Industrial&engineering chemistry research，2005，44：1233-1240

［10］Stoica C，Tinnemans P，Meekes H，et al.Epitaxial 2D nucleation of metastable polymorphs：A 2D version of ostwald’s rule of stages［J］. Crystal Growth&Design，2005，5（3）：975-981

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

國家自然科學基金（No.21076157）資助項目；高等學校博士學科點專項科研基金（No.20121208120001）

向蕾蕾（1986—），女（漢），在讀碩士，研究方向：儀器分析化學。

*通信作者