韓衛(wèi)榮， 牟 微， 趙婷婷， 楊曉雪， 唐甜甜， 于宏偉

(石家莊學(xué)院化工學(xué)院，河北石家莊 050035)

葡萄糖是自然界分布最廣的一種單糖。葡萄糖在生物學(xué)領(lǐng)域具有重要地位，是活細(xì)胞的能量來(lái)源和新陳代謝的中間產(chǎn)物[1-4]，此外葡萄糖被廣泛應(yīng)用于食品工業(yè)生產(chǎn)的各個(gè)領(lǐng)域中[5-9]。已有文獻(xiàn)報(bào)道，葡萄糖在水溶液中同時(shí)存在α-D-(+)-吡喃葡萄糖和β-D-(+)-吡喃葡萄糖[10]，但由于測(cè)試儀器的局限性，關(guān)于固相葡萄糖異構(gòu)體的研究少見報(bào)道。紅外光譜法被廣泛應(yīng)用于有機(jī)化合物的結(jié)構(gòu)研究，但有關(guān)固相葡萄糖異構(gòu)體的研究同樣少見報(bào)道，這主要是因?yàn)楣滔嗥咸烟钱悩?gòu)體的紅外吸收頻率重疊，而傳統(tǒng)的紅外光譜由于分辨率不高，不能提供更有價(jià)值的光譜信息，二維紅外光譜的分辨率要優(yōu)于傳統(tǒng)的紅外光譜。因此，本研究采用漫反射紅外光譜技術(shù)，以時(shí)間為物理擾動(dòng)因素，重點(diǎn)開展對(duì)葡萄糖漫反射二維紅外光譜的研究。

1 材料與方法

1.1 試劑

主要試劑有溴化鉀(分析純，上海國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限責(zé)任公司)、葡萄糖(分析純，天津市永大化學(xué)試劑有限公司)。

1.2 儀器與設(shè)備

Spectrum 100型中紅外光譜儀(分辨率為4 cm，F(xiàn)R-DTGS檢測(cè)器)，由美國(guó)Perkinelmer有限公司提供；漫反射紅外光譜附件，由英國(guó)Specac公司提供。

1.3 方法

1.3.1 紅外光譜儀操作條件 室溫下試驗(yàn)以溴化鉀(含量100%)為背景，每次對(duì)樣品(葡萄糖與溴化鉀的混合物)漫反射紅外光譜信號(hào)進(jìn)行16次掃描累加，測(cè)定頻率范圍為 4 000～400 cm-1。中紅外光譜儀穩(wěn)定后5、10、15、20、25、30、35、40、45、50、55、60 min測(cè)試樣品。

1.3.2 數(shù)據(jù)獲得與處理 漫反射一維紅外光譜數(shù)據(jù)(參數(shù)部分：通過K-M轉(zhuǎn)化)、漫反射二階及四階導(dǎo)數(shù)紅外光譜數(shù)據(jù)(參數(shù)部分：平滑點(diǎn)數(shù)為13)、漫反射去卷積紅外光譜數(shù)據(jù)(參數(shù)部分：Gamma=3.0，Length=10.0)，均采用Spectrum v 6.3.5軟件進(jìn)行處理；漫反射二維紅外光譜數(shù)據(jù)(參數(shù)部分：Interval=2.0，Contour Number=30.0)采用TD Versin 4.2軟件進(jìn)行處理。

2 結(jié)果與分析

在4 000～400 cm-1的頻率范圍內(nèi)，首先開展葡萄糖漫反射紅外光譜研究(圖1)。根據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道，3 400～3 100 cm-1頻率處較寬的紅外吸收峰歸屬于葡萄糖O—H伸縮振動(dòng)模式(νOH)，2 964 cm-1頻率處的紅外吸收峰歸屬于葡萄糖CH2不對(duì)稱伸縮振動(dòng)模式(νasCH2)，2 884 cm-1頻率處的紅外吸收峰歸屬于葡萄糖CH2對(duì)稱伸縮振動(dòng)模式(νsCH2)，1 374 cm-1頻率處的紅外吸收峰歸屬于葡萄糖OH面內(nèi)彎曲振動(dòng)模式(δOH)，1 070 cm-1頻率處的紅外吸收峰歸屬于葡萄糖C—O伸縮振動(dòng)模式(νC-O)，917 cm-1頻率處的紅外吸收峰歸屬于葡萄糖環(huán)振動(dòng)模式(νⅠ型)，而772 cm-1頻率處的紅外吸收峰歸屬于葡萄糖環(huán)呼吸振動(dòng)模式(νⅢ型)[11-12]。關(guān)于葡萄糖νOH、νasCH2、νsCH2、νC-O、δOH的紅外光譜研究已有文獻(xiàn)報(bào)道[11-12]，而葡萄糖νⅠ型和νⅢ型與其異構(gòu)體結(jié)構(gòu)有關(guān)，但由于傳統(tǒng)紅外光譜的分辨率不高，相關(guān)研究少見報(bào)道，因此，重點(diǎn)開展對(duì)葡萄糖νⅠ型和νⅢ型的漫反射二維紅外光譜的研究。

2.1 葡萄糖漫反射紅外光譜研究

2.1.1 葡萄糖νⅠ型漫反射紅外光譜研究 950～900 cm-1頻率范圍內(nèi)的紅外吸收譜帶歸屬于葡萄糖νⅠ型。首先開展漫反射一維光譜的研究(圖2-A)，其中917 cm-1頻率處的紅外吸收峰歸屬α-D-(+)-吡喃葡萄糖環(huán)振動(dòng)紅外吸收模式(νⅠ-α型)；漫反射導(dǎo)數(shù)及去卷積光譜的分辨率則有了明顯提高(圖2-B、圖2-C、圖2-D)，其中在926 cm-1頻率處發(fā)現(xiàn)了1個(gè)明顯的紅外吸收峰，歸屬于β-D-(+)-吡喃葡萄糖環(huán)振動(dòng)紅外吸收模式(νⅠ-β型)。

2.1.2 葡萄糖νⅢ型漫反射紅外光譜研究 在800～750 cm-1頻率范圍內(nèi)，首先開展葡萄糖的漫反射一維及二階導(dǎo)數(shù)紅外光譜的研究(圖3-A、圖3-B)，其中，在772 cm-1頻率處的紅外吸收峰屬于葡萄糖νⅢ型，而相應(yīng)漫反射四階導(dǎo)數(shù)紅外光譜的分辨率有了進(jìn)一步提高(圖3-C)，其中，在 784 cm-1頻率處發(fā)現(xiàn)了一個(gè)新的紅外吸收峰，歸屬于β-D-(+)-吡喃葡萄糖環(huán)呼吸振動(dòng)模式(νⅢ-β型)，進(jìn)一步研究漫反射去卷積紅外光譜(圖3-D)則得到同樣的紅外光譜信息。

2.2 葡萄糖漫反射二維紅外光譜研究

2.2.1 葡萄糖νⅠ型漫反射二維紅外光譜研究 在930～900 cm-1的頻率范圍內(nèi)，開展葡萄糖νⅠ型漫反射同步二維紅外光譜研究(圖4)。在(916、916 cm-1)和(925、925 cm-1)頻率位置處發(fā)現(xiàn)了2個(gè)自動(dòng)峰，且在930～900 cm-1的頻率范圍內(nèi)沒有發(fā)現(xiàn)明顯的交叉峰，這證明葡萄糖在916、925 cm-1頻率處對(duì)應(yīng)的紅外吸收峰之間不存在較強(qiáng)的分子內(nèi)或分子間相關(guān)作用[13-19]。

在930～900 cm-1的頻率范圍內(nèi)，進(jìn)一步開展葡萄糖νⅠ型漫反射異步二維紅外光譜研究(圖5)。其中，在(916、925 cm-1)頻率位置處發(fā)現(xiàn)了1個(gè)明顯交叉峰，則進(jìn)一步說明，葡萄糖νⅠ型的紅外吸收頻率包括916、925 cm-1。其中925 cm-1頻率處的紅外吸收峰歸屬于β-D-(+)-吡喃葡萄糖環(huán)振動(dòng)紅外吸收模式(νⅠ-β型)，而916 cm-1頻率處的紅外吸收峰均歸屬于α-D-(+)-吡喃葡萄糖環(huán)振動(dòng)紅外吸收模式(νⅠ-α型)，根據(jù)Noda規(guī)則[13-19]可知，室溫下葡萄糖環(huán)振動(dòng)的紅外吸收峰變化快慢的順序?yàn)?925 cm-1(νⅠ-β型)>916 cm-1(νⅠ-α型)。

2.2.2 葡萄糖νⅢ型漫反射二維紅外光譜研究 在800～760 cm-1的頻率范圍內(nèi)，開展葡萄糖漫反射同步二維紅外光譜研究(圖6)。在(776、776 cm-1)和(785、785 cm-1)頻率位置處發(fā)現(xiàn)了2個(gè)自動(dòng)峰， 其中(776、776 cm-1)頻率處的自動(dòng)峰強(qiáng)度較大，說明該頻率處的紅外吸收峰對(duì)于溫度變化比較敏感。而在(776、785 cm-1)頻率處發(fā)現(xiàn)1個(gè)弱的交叉峰，證明葡萄糖在776、785 cm-1頻率處對(duì)應(yīng)的紅外吸收峰之間存在較弱的分子內(nèi)或分子間相關(guān)作用。

進(jìn)一步開展葡萄糖漫反射異步二維紅外光譜研究(圖7)，在(776、785 cm-1)頻率位置處發(fā)現(xiàn)1個(gè)相對(duì)強(qiáng)度較大的交叉峰，其中785 cm-1頻率處的紅外吸收峰歸屬于β-D-(+)-吡喃葡萄糖環(huán)呼吸振動(dòng)模式(νⅢ-β型)，而776 cm-1頻率處的紅外吸收峰歸屬于α-D-(+)-吡喃葡萄糖環(huán)呼吸振動(dòng)模式(νⅢ-α型)，根據(jù)Noda規(guī)則[13-19]，室溫下葡萄糖環(huán)呼吸振動(dòng)的紅外吸收峰變化快慢的順序?yàn)?85 cm-1(νⅢ-β型)>776 cm-1(νⅢ-α型)。

3 結(jié)論

本研究分別探討葡萄糖的漫反射紅外光譜和漫反射二維紅外光譜。結(jié)果表明，葡萄糖環(huán)振動(dòng)紅外吸收頻率包括 925 cm-1(νⅠ-β型)、916 cm-1(νⅠ-α型)，在室溫下，葡萄糖環(huán)振動(dòng)的紅外吸收峰變化快慢的順序?yàn)?25 cm-1(νⅠ-β型)>916 cm-1(νⅠ-α型)；同時(shí)葡萄糖環(huán)呼吸振動(dòng)模式紅外吸收頻率包括785 cm-1(νⅢ-β型)和776 cm-1(νⅢ-α型)，在室溫下，葡萄糖環(huán)呼吸振動(dòng)的紅外吸收峰變化快慢的順序?yàn)?85 cm-1(νⅢ-β型)>776 cm-1(νⅢ-α型)。本研究拓展了漫反射二維紅外光譜在固相葡萄糖異構(gòu)體結(jié)構(gòu)的研究范圍，具有重要的理論研究?jī)r(jià)值。