郭 磊，栗彧君，李彥威

(太原理工大學(xué) 化學(xué)化工學(xué)院，太原 030024)

二取代的苯甲醛類(lèi)化合物大部分為無(wú)色至黃色的液體或白色至淡黃色的結(jié)晶，不溶或難溶于水，易溶于醇、醚及通常的有機(jī)溶劑中，是重要的醫(yī)藥中間體或有機(jī)化工原料[1]，可用于農(nóng)藥、醫(yī)藥、化妝品和染料等眾多產(chǎn)品的合成。此類(lèi)化合物均具有3種同分異構(gòu)體。對(duì)這些化合物異構(gòu)體的分析測(cè)定通常采用的方法是色譜法[2-3]、色譜-質(zhì)譜聯(lián)用法[4]以及毛細(xì)管電泳[5]等，但這些方法的儀器使用成本比較高、操作較為復(fù)雜。目前采用紫外光譜法(ultraviolet spectrophotometry,UV)與化學(xué)計(jì)量學(xué)的多元校正方法相結(jié)合，無(wú)需分離就能達(dá)到此類(lèi)化合物同分異構(gòu)體同時(shí)測(cè)定的目的，而且成本低廉、操作方便、分析快速[6-8]。本文在課題組原有工作[9-11]的基礎(chǔ)上，采用化學(xué)計(jì)量學(xué)中的偏最小二乘法(partial least squares method,PLS)[12]對(duì)紫外吸收光譜重疊嚴(yán)重、相關(guān)性高的10種二取代苯甲醛化合物各自異構(gòu)體的同時(shí)測(cè)定進(jìn)行了研究，取得了良好的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 試劑與儀器

試劑：甲基苯甲醛、硝基苯甲醛、氯苯甲醛(阿法埃莎化學(xué)有限公司)；甲氧基苯甲醛(阿拉丁試劑上海有限公司)；羥基苯甲醛(莊信萬(wàn)豐(上海)化工有限公司)；苯二甲醛、苯氧基苯甲醛、羧基苯甲醛(百靈威科技有限公司)；氟苯甲醛、溴苯甲醛(薩恩化學(xué)技術(shù)(上海)有限公司)；無(wú)水乙醇(天津市科密歐化學(xué)試劑有限公司)。上述試劑均為分析純，實(shí)驗(yàn)用水由Heal Force超純水系統(tǒng)制備。

儀器：UV-1901型紫外可見(jiàn)分光光度計(jì)(北京普析通用儀器有限公司)；SK250HP超聲波清洗器(上海科導(dǎo)超聲儀器有限公司)；BS-110S電子天平(北京賽多利斯儀器有限公司)。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

標(biāo)準(zhǔn)溶液的配制：分別準(zhǔn)確稱(chēng)取二取代的苯甲醛類(lèi)化合物的3種同分異構(gòu)體0.010 0 g于50 mL燒杯中，用少量乙醇溶解后轉(zhuǎn)移至100 mL棕色容量瓶中，以乙醇定容并搖勻，即制備成質(zhì)量濃度為100.00 μg/mL的待用標(biāo)準(zhǔn)溶液。

參照文獻(xiàn)[9-10]的實(shí)驗(yàn)方法，分別配制上述化合物相應(yīng)的單組分或者三組分混合的待測(cè)溶液。通過(guò)紫外光譜掃描，獲得它們各單組分及混合物的吸收曲線(xiàn)。同時(shí)，在波長(zhǎng)221～267 nm的范圍內(nèi)，采集間隔1 nm的吸光度數(shù)據(jù)，然后輸入用MATLAB7.0.1軟件編寫(xiě)的PLS程序進(jìn)行處理,計(jì)算混合溶液中各組分的含量。

2 結(jié)果與討論

2.1 紫外吸收光譜

依據(jù)實(shí)驗(yàn)方法分別對(duì)10種二取代苯甲醛類(lèi)化合物的鄰、間、對(duì)位單組分溶液和三組分的混合溶液進(jìn)行紫外光譜掃描。得到的10種二取代苯甲醛化合物各自鄰、間、對(duì)位同分異構(gòu)體單組分溶液的紫外吸收光譜均有不同程度的重疊，相關(guān)性比較高。以重疊最為嚴(yán)重的氟苯甲醛為例，其紫外吸收光譜如圖1所示。異構(gòu)體間相互重疊越嚴(yán)重，相互干擾的程度就越大，此時(shí)采用常規(guī)的光譜法是難以對(duì)化合物3種同分異構(gòu)體進(jìn)行同時(shí)測(cè)定的。

1—鄰氟苯甲醛；2—間氟苯甲醛；3—對(duì)氟苯甲醛；4—3種異構(gòu)體混合物圖1 鄰、間、對(duì)位氟苯甲醛及其混合物的紫外吸收光譜 Fig.1 Absorption spectra of o-,m-,p- fluorobenzaldehyde and their mixture

2.2 吸光度加和性的考察及波長(zhǎng)區(qū)間的選擇

按照實(shí)驗(yàn)方法，在190～350 nm波長(zhǎng)范圍內(nèi)，分別測(cè)定10種二取代苯甲醛類(lèi)化合物各自同分異構(gòu)體的單組分溶液在各波長(zhǎng)點(diǎn)處的吸光度值，計(jì)算得到化合物鄰、間、對(duì)位三組分吸光度的加和值A(chǔ)′。同時(shí)測(cè)定混合物的吸光度值A(chǔ)，以(A′-A)/A對(duì)波長(zhǎng)λ作圖，結(jié)果見(jiàn)圖2.

為了保證測(cè)定結(jié)果的準(zhǔn)確性，要求A與A′值應(yīng)盡可能相近，本實(shí)驗(yàn)取其相對(duì)偏差小于±10%.由圖2可知，10種化合物在波長(zhǎng)221～267 nm范圍內(nèi)的A與A′值基本吻合，相對(duì)偏差滿(mǎn)足要求。因此，本實(shí)驗(yàn)選擇的適宜光譜數(shù)據(jù)測(cè)量區(qū)間為221～267 nm，并且間隔1 nm采集一次吸光度值。

圖2 不同化合物(A′-A)/A隨λ的變化曲線(xiàn) Fig.2 The curve of (A′-A)/A of different compounds with wavelength λ

2.3 單組分線(xiàn)性關(guān)系的考察

依據(jù)實(shí)驗(yàn)方法，在質(zhì)量濃度2.00～20.00 μg/mL范圍內(nèi)，以2.00 μg/mL為間隔配制一系列不同質(zhì)量濃度的、二取代苯甲醛化合物的鄰、間、對(duì)單組分標(biāo)準(zhǔn)溶液。在波長(zhǎng)221～267 nm范圍內(nèi)，以化合物各自的最大吸收波長(zhǎng)進(jìn)行吸光度的測(cè)定，同時(shí)進(jìn)行線(xiàn)性回歸。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，10種化合物的鄰、間、對(duì)3種同分異構(gòu)體在所選質(zhì)量濃度范圍內(nèi)與其吸光度呈現(xiàn)良好的線(xiàn)性關(guān)系，相關(guān)系數(shù)在0.990 8～0.999 9之間。

2.4 化合物相關(guān)系數(shù)及吸光度的比較

根據(jù)向量間相關(guān)系數(shù)的計(jì)算方法[13]，可得到鄰、間位，鄰、對(duì)位和間、對(duì)位化合物之間的相關(guān)系數(shù)a、b、c.其中，鄰位的相關(guān)系數(shù)為(a+b)/2，間位的相關(guān)系數(shù)為(a+c)/2，對(duì)位的相關(guān)系數(shù)為(b+c)/2，而該化合物的平均相關(guān)系數(shù)為(a+b+c)/3.相關(guān)系數(shù)計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1.

同時(shí)取質(zhì)量濃度均為12.00 μg/mL的、10種化合物鄰位、間位、對(duì)位的單組分標(biāo)準(zhǔn)溶液和三組分混合溶液，在波長(zhǎng)221～267 nm范圍內(nèi)進(jìn)行掃描。比較鄰位、間位、對(duì)位化合物及其混合物的平均吸光度，結(jié)果見(jiàn)表2.

表1 二取代苯甲醛化合物相關(guān)系數(shù)的比較Table 1 The comparison of correlation coefficient for disubstituted benzaldehyde compounds

表2 二取代苯甲醛化合物平均吸光度的比較Table 2 The comparison of average absorption intensity for disubstituted benzaldehyde compounds

表1表明：10種化合物中氟苯甲醛和甲基苯甲醛異構(gòu)體間的相關(guān)系數(shù)平均值比較大，其光譜信號(hào)重疊嚴(yán)重，相互干擾較大；而甲氧基苯甲醛異構(gòu)體間的相關(guān)系數(shù)平均值最小，其光譜信號(hào)重疊相對(duì)較小，相互干擾比較小。這一計(jì)算結(jié)果與化合物的紫外吸收光譜圖相吻合。

由表2可知，鄰苯二甲醛的平均吸光度僅為0.061 9，而其余化合物的吸光度均大于0.200 0.通常情況下，所測(cè)化合物的光譜信號(hào)強(qiáng)度越小，其測(cè)定靈敏度就越低，測(cè)定誤差就相對(duì)越大。因此，在苯二甲醛3種異構(gòu)體的同時(shí)測(cè)定中，鄰苯二甲醛的測(cè)定誤差比較大。

2.5 模型的建立

2.5.1校正模型的建立

參照文獻(xiàn)[10]進(jìn)行校正模型的建立。三組分的質(zhì)量濃度分別選取3.00，6.00，9.00，12.00 μg/mL 4個(gè)水平，配制成16組合成樣品作為校正集。每個(gè)測(cè)試樣品的質(zhì)量濃度組成見(jiàn)表3.

表3 校正集樣品質(zhì)量濃度的組成Table 3 The sample concentration of calibration set

2.5.2主成分?jǐn)?shù)的確定

主成分?jǐn)?shù)是PLS模型的重要參數(shù)，其取值對(duì)預(yù)測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確度影響比較大。本實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷慕⑦x用交互驗(yàn)證法，各化合物的最佳主成分?jǐn)?shù)及預(yù)報(bào)誤差平方和(PRESS)如表4所示。

表4 不同化合物的PLS模型參數(shù)Table 4 The parameters of PLS method of different compounds

由表4可知，10種化合物中除苯二甲醛的PRESS大于0.800 0外，其余9種化合物的PRESS均小于0.400 0.這表明所建模型對(duì)苯二甲醛的預(yù)測(cè)準(zhǔn)確度相對(duì)比較低，而對(duì)于其余9種化合物均具有良好的預(yù)測(cè)能力。此結(jié)果與2.4部分的預(yù)判相吻合。

2.6 模型預(yù)測(cè)性能的比較

采用與文獻(xiàn)[10]相同的方法建立預(yù)測(cè)集，對(duì)所建模型的預(yù)測(cè)能力進(jìn)行檢驗(yàn)。同時(shí)，采用平均回收率(AR)和預(yù)測(cè)均方根誤差(RMSEP)對(duì)結(jié)果進(jìn)行評(píng)價(jià)，見(jiàn)表5.

由表5可以看出，除鄰苯二甲醛外，其他化合物的平均回收率均在90.67%～111.57%之間，RMSEP≤0.95.這表明所建模型對(duì)其余9種二取代苯甲醛各自同分異構(gòu)體的同時(shí)測(cè)定具有良好的預(yù)測(cè)能力，這與2.5部分所得結(jié)論相一致。此外，甲基苯甲醛和氟苯甲醛的鄰、間位異構(gòu)體的RMSEP均大于0.50，其預(yù)測(cè)結(jié)果與其他化合物相比相對(duì)較差。這主要是由于上述兩種化合物各自3種異構(gòu)體的吸收光譜重疊嚴(yán)重，其相關(guān)系數(shù)平均值均大于0.900 0(見(jiàn)表1)，相互干擾比較大所致。

表5 合成樣品預(yù)測(cè)能力的比較Table 5 Comparison of the prediction performances for synthetic samples

2.7 方法的精密度試驗(yàn)及結(jié)果比較

按照實(shí)驗(yàn)方法，配制鄰、間、對(duì)位二取代的苯甲醛類(lèi)化合物質(zhì)量濃度均為6.00 μg/mL的混合溶液，平行測(cè)定8次，并進(jìn)行化合物之間的比較。結(jié)果顯示，除苯二甲醛和氟苯甲醛外，所建立的方法對(duì)其余8種化合物各自異構(gòu)體的同時(shí)測(cè)定均具有良好的重現(xiàn)性，相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差(RSD)均小于1.1%.

2.8 本文方法的加標(biāo)回收率實(shí)驗(yàn)

按照實(shí)驗(yàn)方法，分別將二取代苯甲醛化合物配制成鄰、間、對(duì)位質(zhì)量濃度均為3.00 μg/mL的合成樣品。在測(cè)定其吸光度值后，加入一定量的標(biāo)準(zhǔn)溶液后再進(jìn)行吸光度的測(cè)定。實(shí)驗(yàn)采用正交表L4(23) 構(gòu)建方法的加標(biāo)回收率測(cè)定，分別選取3.00 μg/mL和6.00 μg/mL兩個(gè)水平，配制成4組混合標(biāo)準(zhǔn)溶液。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示：所建方法對(duì)于10種化合物各自異構(gòu)體的測(cè)定，其加標(biāo)回收率均在80.01%～112.45%之間；除鄰苯二甲醛外，其余化合物的預(yù)測(cè)均方根誤差(RMSEP)≤1.0，顯示出測(cè)定方法的準(zhǔn)確度良好。

3 結(jié)論

本實(shí)驗(yàn)所建立的偏最小二乘-紫外光譜法可用于多種二取代苯甲醛類(lèi)化合物各自同分異構(gòu)體混合溶液中三組分的同時(shí)測(cè)定。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在選定的波長(zhǎng)范圍內(nèi)，化合物的吸光度太小，將影響所建模型預(yù)測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確度，致使方法的精密度和準(zhǔn)確度降低。同時(shí)，化合物同分異構(gòu)體間的相關(guān)系數(shù)越大，相互干擾越大，也會(huì)對(duì)測(cè)定結(jié)果產(chǎn)生不利的影響。