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        葡萄糖變溫紅外光譜研究

        2018-11-28 03:23:36胡瑞省張之奎董麗華王擘政陳麗云鄭雨倩于宏偉
        石家莊學院學報 2018年6期
        關鍵詞:變溫二階導數(shù)

        胡瑞省,張之奎,王 欣,董麗華,王擘政,陳麗云,鄭雨倩,于宏偉

        (1.石家莊學院 化工學院,河北 石家莊 050035;2.石家莊鵬海制藥股份有限公司,河北 石家莊 050600)

        0 引言

        葡萄糖(C6H6O6)是自然界分布最廣且最為重要的一種單糖[1-4].葡萄糖在運動醫(yī)學領域具有重要地位,是活細胞的能量來源和新陳代謝中間產(chǎn)物[5].葡萄糖的熱穩(wěn)定性是科研工作者非常關心的性質(zhì),但常規(guī)的分析儀器很難研究不同溫度下葡萄糖的結(jié)構變化.而變溫紅外光譜技術則可以很好地解決以上問題.變溫紅外光譜技術廣泛應用于有機物熱穩(wěn)定研究工作[6,7],特別是高分子紡織材料的熱穩(wěn)定性研究方面,本課題組在這一方面進行了大量基礎性研究[8-10],但葡萄糖的變溫紅外光譜卻未見相關文獻報道.因此本研究采用變溫紅外光譜技術(包括:變溫一維紅外光譜和變溫二階導數(shù)紅外光譜)開展了葡萄糖的熱穩(wěn)定性研究,為葡萄糖的使用提供了有益的科學借鑒.

        1 實驗部分

        1.1 材料

        葡萄糖(分析純,天津市永大化學試劑有限公司).

        1.2 儀器

        Spectrum 100型紅外光譜儀(美國 PE公司);Golden Gate型單反射變溫附件(英國Specac公司),WEST 6100+型變溫控件(英國Specac公司).

        1.3 方法

        1.3.1 紅外光譜儀操作條件

        紅外光譜以空氣為背景,測溫范圍293~393 K.

        1.3.2 紅外光譜數(shù)據(jù)獲得

        紅外光譜(包括:一維及二階導數(shù)紅外光譜)的數(shù)據(jù)獲得采用Spectrum v 6.3.5軟件.

        2 分析與討論

        2.1 葡萄糖變溫紅外光譜研究

        在4 000~600 cm-1頻率范圍內(nèi)開展了葡萄糖的變溫紅外光譜研究[11,12].實驗發(fā)現(xiàn),葡萄糖官能團的紅外吸收頻率主要集中在 3 600~3 000,3 000~2 850,1 800~1 700,1 500~1 300,1 300~1 100,1 100~900,900~600 cm-1等7個頻率區(qū)間,以下分別在這7個頻率區(qū)間內(nèi)開展了葡萄糖變溫紅外光譜的研究,包括:變溫一維紅外光譜和變溫二階導數(shù)紅外光譜的研究.

        2.1.1 3 600~3 000 cm-1頻率范圍內(nèi)葡萄糖變溫紅外光譜研究

        首先開展了3 600~3 000 cm-1頻率范圍內(nèi)葡萄糖變溫一維紅外光譜的研究,見圖1(a).實驗在此頻率范圍內(nèi)(293 K)發(fā)現(xiàn)了一個很大的包峰,主要歸屬于葡萄糖OH伸縮振動模式(νOH-glucose),隨著測定溫度的升高,葡萄糖νOH對應的紅外吸收強度顯著增加.進一步研究了葡萄糖變溫二階導數(shù)紅外光譜,見圖1(b),其譜圖分辨能力有了很大的提高,其中3 442 cm-1頻率處(293 K)的紅外吸收峰歸屬于葡萄糖中含有結(jié)晶水的紅外吸收模式(νHOH-glucose),而3 386 cm-1頻率處(293 K)的紅外吸收峰歸屬于葡萄糖羥基伸縮振動模式(νOH-1-glucose).而隨著測定溫度的升高,葡萄糖νHOH-glucose和νOH-1-glucose對應的紅外吸收峰消失.實驗分別在3 411 cm-1(393 K;νOH-1-anhydrousglucose)和3 402 cm-1(393 K;νOH-2-anhydrousglucose)頻率處發(fā)現(xiàn)了兩個新的紅外吸收峰歸屬于νOH.這主要是因為測定溫度的升高,導致葡萄糖中結(jié)晶水消失,因此νHOH對應的紅外吸收峰消失,而葡萄糖分子間原有的氫鍵連接模式發(fā)生改變,因此νOH對應的紅外吸收頻率發(fā)生改變.

        圖1 葡萄糖變溫紅外光譜(3 600~3 000 cm-1)

        2.1.2 3 000~2 850 cm-1頻率范圍內(nèi)葡萄糖變溫紅外光譜研究

        在3 000~2 850 cm-1頻率范圍開展了葡萄糖變溫一維紅外光譜的研究,見圖2(a).其中2 937 cm-1頻率處(293 K)的紅外吸收峰歸屬于葡萄糖CH2不對稱伸縮振動模式(νasCH2-glucose),2 903 cm-1頻率處(293 K)的紅外吸收峰歸屬于葡萄糖CH伸縮振動模式(νCH-glucose).隨著測定溫度的升高,實驗在2 943 cm-1和2 913 cm-1頻率處發(fā)現(xiàn)了兩個新的紅外吸收峰,這主要是因為隨著測定溫度的升高,葡萄糖進一步脫去了結(jié)晶水,其中2 943 cm-1頻率處(393 K)的紅外吸收峰歸屬于無水葡萄糖CH2不對稱伸縮振動模式(νasCH2-anhydrousglucose),2 913 cm-1頻率處(393 K)的紅外吸收峰歸屬于無水葡萄糖CH伸縮振動模式(νCH-anhydrousglucose),相應的變溫二階導數(shù)紅外光譜則得到了同樣的紅外光譜信息,見圖2(b).

        2.1.3 1 800~1 700 cm-1頻率范圍內(nèi)葡萄糖變溫紅外光譜研究

        在1 800~1 700 cm-1頻率范圍開展了葡萄糖變溫一維紅外光譜的研究,見圖3(a),沒有得到有價值的紅外光譜信息.而相應的變溫二階導數(shù)紅外光譜的分辨能力要優(yōu)于相應的變溫一維紅外光譜,見圖3(b).其中在393 K的條件下,在1 776 cm-1(νC=O-1-gluconicacid),1 752 cm-1(νC=O-2-gluconicacid)和1 736 cm-1(νC=O-3-gluconicacid)頻率處發(fā)現(xiàn)了3個紅外吸收峰,主要歸屬于不同相態(tài)下葡萄糖酸C=O的伸縮振動模式(νC=O-gluconicacid),這主要是因為溫度的升高,葡萄糖脫水并進一步氧化為葡萄糖酸.顯然葡萄糖熱穩(wěn)定性較差,過高的溫度會加速葡萄糖的氧化反應.

        圖2 葡萄糖變溫紅外光譜(3 000~2 850 cm-1)

        圖3 葡萄糖變溫紅外光譜(1 800~1 700 cm-1)

        2.1.4 1 500~1 300 cm-1頻率范圍內(nèi)葡萄糖變溫紅外光譜研究

        在1 500~1 300 cm-1頻率范圍內(nèi),開展了葡萄糖變溫紅外光譜的研究,見圖4.研究發(fā)現(xiàn),葡萄糖的變溫二階導數(shù)紅外光譜的分辨能力要優(yōu)于相應的變溫一維紅外光譜.其中1 423 cm-1頻率處(293 K)的紅外吸收峰主要歸屬于葡萄糖CH2彎曲振動模式(δCH2-glucose);1 374 cm-1頻率處(293 K)的紅外吸收峰主要歸屬于葡萄糖OCH彎曲振動模式(δOCH-glucose);1 331 cm-1頻率處(293 K)的紅外吸收峰主要歸屬于葡萄糖CCH彎曲振動模式(δCCH-glucose);而1 315 cm-1頻率處(293 K)的紅外吸收峰主要歸屬于葡萄糖COH彎曲振動模式(δCOH-glucose);而隨著測定溫度的升高,在1 424,1 379,1 370,1 338,1 329 cm-1頻率處發(fā)現(xiàn)了5個新的紅外吸收峰.其中1 424 cm-1頻率處(393 K)的紅外吸收峰主要歸屬于無水葡萄糖CH2彎曲振動模式(δCH2-anhydrousglucose);1 379 cm-1和1 370 cm-1頻率處(393 K)的裂分雙峰主要歸屬于無水葡萄糖OCH彎曲振動模式(δOCH-anhydrousglucose);1 338 cm-1和1 329 cm-1頻率處(393 K)的裂分雙峰主要歸屬于無水葡萄糖CCH彎曲振動模式(δCCH-anhydrousglucose).研究發(fā)現(xiàn),1 500~1 300 cm-1頻率范圍內(nèi),333 K同樣是個臨界溫度,當測試溫度高于333 K時,葡萄糖的特征紅外吸收峰頻率、峰型及強度均發(fā)生了明顯的改變.

        2.1.5 1 300~1 100 cm-1頻率范圍內(nèi)葡萄糖變溫紅外光譜研究

        在1 300~1 100 cm-1頻率范圍內(nèi),開展了葡萄糖變溫紅外光譜的研究(圖5).研究發(fā)現(xiàn)葡萄糖的變溫二階導數(shù)紅外光譜的分辨能力同樣要優(yōu)于相應的變溫一維紅外光譜.其中1 249 cm-1(δO-C-H-1-glucose)、1 233 cm-1(δO-C-H-2-glucose)、1 209cm-1(δO—C—H-3-glucose)頻率處(293 K)的紅外吸收峰歸屬于葡萄糖O—C—H變型振動模式(δO—C—H-glucose);1 155 cm-1頻率處(293 K)的紅外吸收峰歸屬于葡萄糖環(huán)上 C—O 伸縮振動模式(νC—O-glucose);而1 109 cm-1頻率處(293 K)的紅外吸收峰歸屬于葡萄糖COH中C—O的伸縮振動模式(νC—O—COH-glucose).隨著測定溫度的升高,葡萄糖在1 222,1 201,1 142,1 107 cm-1頻率處出現(xiàn)了4個新的紅外吸收峰.其中1 222 cm-1(δO—C—H-1-anhydrousglucose)和1 201 cm-1(δO—C—H-2-anhydrousglucose)頻率處(393 K)的紅外吸收峰歸屬于無水葡萄糖O—C—H變形振動模式(δO—C—H-anhydrousglucose);1 142 cm-1頻率處(393 K)的紅外吸收峰歸屬于無水葡萄糖糖環(huán)上 C—O 伸縮振動模式(νC—O-anhydrousglucose);而1 107 cm-1頻率處(393 K)的紅外吸收峰歸屬于無水葡萄糖COH中C—O的伸縮振動模式(νC—O—COH-anhydrousglucose).

        圖4 葡萄糖變溫紅外光譜(1 500~1 300 cm-1)

        圖5 葡萄糖變溫紅外光譜(1 300~1 100 cm-1)

        2.1.6 1 100~900 cm-1頻率范圍內(nèi)葡萄糖變溫紅外光譜研究

        在1 100~900 cm-1頻率范圍內(nèi),開展了葡萄糖變溫紅外光譜的研究(圖6).其中,葡萄糖變溫二階導數(shù)紅外光譜的分辨能力要優(yōu)于相應的變溫一維紅外光譜.其中1 093 cm-1(δC—C—HandO-C-H-1-glucose)、1 071 cm-1(δC-C-HandO—C—H-2-glucose)、1 047 cm-1(δC—C—HandO—C—H-3-glucose)頻率處(293 K)的紅外吸收峰歸屬于葡萄糖C—C—H和 O—C—H 聯(lián)合作用的變角振動模式(δC—C—HandO—C—H-glucose);1 010 cm-1頻率處(293 K)的紅外吸收峰歸屬于葡萄糖C—O—H變形振動模式(δC—O—H-glucose);而915 cm-1頻率處(293 K)的紅外吸收峰歸屬于葡萄糖不對稱環(huán)振動模式(νas-glucose-bone). 隨著測定溫度的升高,在 1 100,1 076,1 046,1 012,914 cm-1頻率處發(fā)現(xiàn)了 5 個新的紅外吸收峰,其中1 100 cm-1(δC—C—HandO—C—H-1-anhydrousglucos)、1 076 cm-1(δC—C—HandO—C—H-2-anhydrousglucos)、1 046 cm-1(δC—C—HandO—C—H-3-anhydrousglucos)頻率處(393 K)的紅外吸收峰歸屬于無水葡萄糖 C—C—H 和 O—C—H 聯(lián)合作用的變角振動模式(δC—C—HandO—C—H-anhydrousgluco)s;1 012 cm-1頻率處(393K)的紅外吸收峰歸屬于無水葡萄糖C—O—H變形振動模式(δC—O—H-anhydrousgluco)s;而914cm-1頻率處(393 K)的紅外吸收峰歸屬于無水葡萄糖不對稱環(huán)振動模式(νas-anhydrousglucos-bon)e.

        圖6 葡萄糖變溫紅外光譜(1 100~900 cm-1)

        2.1.7 900~600 cm-1頻率范圍內(nèi)葡萄糖變溫紅外光譜研究

        在900~600 cm-1頻率范圍內(nèi),開展了葡萄糖變溫紅外光譜的研究(圖7),其中851 cm-1頻率處(293 K)的紅外吸收峰歸屬于葡萄糖α-端基異構的O—C—H變角振動模式(δO—C—H-glucose);770 cm-1頻率處(293 K)的紅外吸收峰歸屬于葡萄糖環(huán)的對稱伸縮振動模式(νs-glucose-bone);715 cm-1頻率處(293 K)的紅外吸收峰歸屬于葡萄糖νC—C和 νC—O聯(lián)合作用模式(νC—CandC—O-glucose). 隨著測定溫度的升高,在 837 cm-1和 773 cm-1頻率處發(fā)現(xiàn)了兩個新的紅外吸收峰,其中837 cm-1頻率處的(393 K)紅外吸收峰歸屬于無水葡萄糖α-端基異構的O—C—H變角振動模式(δO—C—H-anhydrousglucose);773 cm-1頻率處(393 K)的紅外吸收峰歸屬于無水葡萄糖糖環(huán)的對稱伸縮振動模式(νs-anhydrousglucose-bone).進一步研究了葡萄糖變溫二階導數(shù)紅外光譜,見圖7(b),得到了同樣的紅外光譜信息.

        圖7 葡萄糖變溫紅外光譜(900~600 cm-1)

        2.2 葡萄糖熱變機理

        由于葡萄糖變溫二階導數(shù)紅外光譜的分辨能力要優(yōu)于相應的變溫一維紅外光譜,所以在293~393 K的溫度范圍內(nèi)重點開展了葡萄糖變溫二階導數(shù)紅外光譜的研究(表1),以進一步研究葡萄糖熱變機理.

        由表1數(shù)據(jù)可知,在293~393 K的溫度范圍內(nèi),隨著測定溫度的升高,葡萄糖主要官能團對應的紅外吸收峰頻率、強度及峰形均發(fā)生了明顯改變,而333 K是一個臨界溫度.這主要是因為,溫度的升高使葡萄糖部分或完全失去結(jié)晶水,因此相應的外吸收峰頻率、強度及峰型均發(fā)生了明顯改變.此外,隨著測定溫度的升高,在1 800~1 700 cm-1的頻率范圍內(nèi),發(fā)現(xiàn)了νC=O對應的紅外吸收峰.實驗則進一步證明,隨著測定溫度的升高部分葡萄糖脫水生成無水葡萄糖,并進一步氧化為葡萄糖酸.

        表1 葡萄糖變溫二階導數(shù)紅外光譜數(shù)據(jù)(293~393 K)

        3 結(jié)論

        在293~393 K的測定溫度范圍內(nèi),開展了葡萄糖的變溫紅外光譜研究.實驗發(fā)現(xiàn),葡萄糖主要官能團包括:νHOH-glucose、νOH-1-glucose、νasCH2-glucose、νCH-glucose、δCH2-glucose、δOCH-glucose、δCCH-glucose、δCOH-glucose、δO-C-H-glucose、νC-O-glucose、νC-O-COH-glucose、δC-C-H and O-C-H-glucose、δC-O-H-glucose、νas-glucose-bone、δO-C-H-glucose、νs-glucose-bone、νC-Cand C-O-glucose等紅外吸收模式.隨著測定溫度的升高,葡萄糖主要官能團對應的紅外吸收峰頻率、強度及峰形均發(fā)生了明顯改變,而333 K是一個臨界變化溫度.

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