姚志湘，馬鑫，張景清，蘇譽婷，粟暉

廣西科技大學(xué)生物與化學(xué)工程學(xué)院，廣西 柳州 545006

化工領(lǐng)域除了傳統(tǒng)化工核心課程外，分析、建模、仿真、過程控制類等課程的相對重要程度也越來越高[1]?；瘜W(xué)測量學(xué)與技術(shù)的快速發(fā)展迫切需要交叉學(xué)科人才，我國在2021年批準(zhǔn)設(shè)置了新工科“化學(xué)測量學(xué)與技術(shù)”專業(yè)，培養(yǎng)人才來應(yīng)對新一輪科技革命與產(chǎn)業(yè)變革的戰(zhàn)略需要[2]。為了提升本科教學(xué)的前沿性和學(xué)術(shù)性，遵循新工科發(fā)展方向，體現(xiàn)化學(xué)工業(yè)等過程行業(yè)的最新技術(shù)需求，我們將科研成果中基于空間角轉(zhuǎn)換的多元體系組成快速跟蹤方法應(yīng)用于教學(xué)。

過程分析技術(shù)(PAT)是過程工業(yè)在新時代背景下發(fā)展的一個新領(lǐng)域，是化學(xué)工程學(xué)科中具有代表性的技術(shù)進步。拉曼光譜的優(yōu)勢在于無損、無需樣品前處理，具有優(yōu)秀的實時響應(yīng)性，“在線拉曼光譜”技術(shù)已用于各種過程的實時檢測以及各類化學(xué)反應(yīng)的研究，實現(xiàn)過程中物料性質(zhì)和含量的快速表征[3]。

阿司匹林合成是經(jīng)典的教學(xué)實驗項目，其中涉及乙?；椒ǖ倪x擇、加料方式、溫度及反應(yīng)時間控制、產(chǎn)物的分離與純化以及結(jié)構(gòu)表征等多項內(nèi)容。目前教學(xué)實驗主要是在催化劑選擇、合成、純化、含量測定等方面進行改進[4]。我們在現(xiàn)有基礎(chǔ)上，設(shè)計了“文獻查閱-實驗設(shè)計-合成制備-分析表征-過程分析”一體化的綜合設(shè)計性教學(xué)實驗，其中過程分析的實驗內(nèi)容主要是引入了PAT的觀念，采用基于子空間角度轉(zhuǎn)換的化學(xué)計量學(xué)方法，實現(xiàn)阿司匹林合成產(chǎn)物的無損定量和反應(yīng)過程的趨勢跟蹤[5]。通過學(xué)習(xí)讓學(xué)生對于化工新發(fā)展和新技術(shù)產(chǎn)生直接認識，拓寬學(xué)生的視野，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，培養(yǎng)學(xué)生的前沿思想、創(chuàng)新思維及綜合實踐能力。

1 實驗?zāi)康?/h2>

(1) 了解阿司匹林合成的反應(yīng)機理和方法。

(2) 了解PAT的基礎(chǔ)理念及初步掌握相關(guān)實驗技能。

(3) 學(xué)習(xí)拉曼光譜結(jié)合空間角轉(zhuǎn)換快速分析阿司匹林合成過程的方法。

2 實驗原理和數(shù)據(jù)處理步驟

乙酰水楊酸(阿司匹林)為解熱鎮(zhèn)痛的非甾體抗炎藥，一般由水楊酸乙?；玫健Ｔ谄浜铣煞磻?yīng)體系中，主要包括的物質(zhì)有乙酰水楊酸、水楊酸、醋酸酐、乙酸和副產(chǎn)物，主反應(yīng)式如圖1所示。

圖1 乙酰水楊酸(阿司匹林)合成路線

這是一個復(fù)雜的多組分體系，涉及四個以上組分的同時定量分析。在電化學(xué)和傳統(tǒng)光譜法分析中，多組分體系分析往往缺乏良好的選擇性特征。采用傳統(tǒng)教學(xué)實驗的分析手段(如色譜等離線方式)難以在一個實驗學(xué)時段(3 h)完成分析。本實驗方案引入的光譜空間角定量方法對于多組分體系中各個分量都具有良好選擇性，可以較便捷地在合成實驗完成的同時，實現(xiàn)組分的實時定量，所用實驗時間少于3學(xué)時數(shù)。

2.1 基本原理

作者前期采用空間角討論和評價了多元校正和分辨問題[6]。將多組分體系中每個組分的光譜視為方向不同的單一向量，各個向量的長度(即模量)代表各物質(zhì)的含量，體系為多個向量構(gòu)成的空間，多組分定量即轉(zhuǎn)化為在空間中量取各個向量的模量問題。體系的空間關(guān)系如圖2所示。其中N表示待測樣本中所有組分光譜信號張成的子空間，v表示對照品信號，a表示樣本中被測物信號(a∈N)，a與v構(gòu)成夾角θ。當(dāng)a含量越接近v，a和v之間的夾角值越小，反之夾角值越大。

圖2 體系的空間關(guān)系圖

a和v的空間角可由矢量內(nèi)積公式表示：

通過角度度量轉(zhuǎn)化思路，進一步指出在一定濃度范圍內(nèi)，混合物信號N中被測物信號a (a∈N)與對照品信號v之間的夾角值θ和混合物體系中被測物含量C存在線性相關(guān)性，且該相關(guān)性不受測量條件變化影響[7]。

在實際測量中，拉曼光譜存在背景響應(yīng)大，光譜強度變化大(主要是乘性響應(yīng)干擾)等問題。需要對直接采集的光譜數(shù)據(jù)先進行預(yù)處理予以消除干擾[8]。本實驗在計算角度值前對原始光譜進行降噪和求導(dǎo)處理以降低噪聲和背景響應(yīng)，進一步通過角度定量消除乘性干擾。

對于本實驗中的阿司匹林合成體系，可以將采集到的合成過程(或產(chǎn)品)的拉曼光譜N中的阿司匹林組分作為向量a，阿司匹林對照品的拉曼光譜為向量v。隨著反應(yīng)進行，阿司匹林含量逐漸增大，a和v間的角度值會逐漸減小，若進而生成副產(chǎn)物，其角度值會增大；反應(yīng)物水楊酸含量逐漸減少，對應(yīng)的過程光譜和水楊酸對照品的角度值會逐漸增大。也就是說，角度值θ可間接反映組成含量，利用角度值可跟蹤反應(yīng)過程各組成變化情況。

a和v之間的空間角θ與阿司匹林含量C存在近似線性關(guān)系，即θ = k1C + k2。通過直接采集過程(或各樣本)的光譜，調(diào)用算法計算得到角度值，代入線性方程可進行定量分析。

2.2 夾角值的計算步驟和算法

以過程光譜中阿司匹林夾角值的計算為例，步驟包括：

1) 采集被測信號對照品阿司匹林的拉曼光譜v和反應(yīng)過程的拉曼光譜ai；

2) 將測量的光譜數(shù)據(jù)導(dǎo)入計算機；

3) 對光譜數(shù)據(jù)降噪處理；

4) 求取降噪后數(shù)據(jù)的一階或高階導(dǎo)數(shù)；

5) 求取反應(yīng)過程導(dǎo)數(shù)譜與對照品導(dǎo)數(shù)譜間的夾角值θ(采用Matlab中“subspace”命令求得)；

6) 以夾角的負值間接表示被測物阿司匹林在體系中的含量變化。

基于Matlab算法程序行如下：

更進一步的，取反應(yīng)起點和終點樣品絕對定量后，將變化趨勢標(biāo)定至物質(zhì)的絕對量，即可得到各組分絕對物質(zhì)量(摩爾量)的動力學(xué)實時值。

3 實驗部分

3.1 儀器與試劑

儀器：拉曼光譜儀(ExR610，西派特(北京)科技有限公司)，便攜式拉曼光譜儀(SEED3000，上海如海光電科技有限公司)，高效液相色譜儀(Primaide，日立科學(xué)儀器(北京)有限公司)，智能磁力攪拌器(ZNCL-GS，鞏義市予華儀器有限公司)，分析天平(CP214，奧豪斯儀器(上海)有限公司)。

試劑：乙酰水楊酸(阿司匹林) (AR)、水楊酸(AR)、醋酸酐(AR)、氨基磺酸(AR)，無水乙醇(AR)，甲醇(色譜純)。

3.2 實驗內(nèi)容

3.2.1 乙酰水楊酸的制備

將選課班級所有學(xué)生分為9個小組，各小組同學(xué)按提前選定的實驗條件，在150 mL三口燒瓶中依次加入一定量的水楊酸、乙酸酐，水浴加熱，磁力攪拌使水楊酸溶解，加入催化劑氨基磺酸，反應(yīng)一定時間。待反應(yīng)混合物冷卻至室溫后，冷水浴中攪拌并緩慢加入10 mL水，冷卻15 min。靜置，使晶體完全析出，抽濾，用冷的蒸餾水多次洗滌，再抽濾；烘干得到乙酰水楊酸粗產(chǎn)品。采用乙醇重結(jié)晶，得到重結(jié)晶后產(chǎn)品。

3.2.2 拉曼光譜結(jié)合空間角轉(zhuǎn)換快速分析合成產(chǎn)物

1) 樣本拉曼光譜采集。

取粗產(chǎn)品和重結(jié)晶產(chǎn)品共14份(S1-S14)，分別采集乙酰水楊酸對照品與14份合成產(chǎn)品的拉曼光譜。光譜采集條件：拉曼光譜儀(ExR610)，中心波長532 nm，積分時間2000 ms，功率等級9。

2) 高效液相色譜分析合成產(chǎn)物中的阿司匹林。

配制1 mg·mL-1的乙酰水楊酸對照品標(biāo)準(zhǔn)溶液，依次進樣20、15、10、5、2.5、2 μL，進行液相色譜分析，繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線。

取14份產(chǎn)品分別用流動相配制成濃度為1 mg·mL-1的溶液，進行液相色譜分析；將液相色譜數(shù)據(jù)中乙酰水楊酸的峰面積分別代入標(biāo)準(zhǔn)曲線中，計算出各產(chǎn)品中阿司匹林的含量。

液相色譜條件[9]：C18色譜柱(4.6 mm × 250 mm，5 μm)；流動相為甲醇: 1%醋酸溶液(V : V =40 : 60)；流速為1 mL·min-1；室溫；檢測波長276 nm；進樣量20 μL。

3) 分析模型建立。

① 按液相色譜分析結(jié)果，從S1-S14中間隔選擇包含系列樣本最大與最小濃度的建模樣本6份；

② 分析建模樣本光譜與阿司匹林對照品光譜，選擇建模波長范圍；

③ 對建模樣本光譜進行求導(dǎo)降噪處理；

④ 分別計算得到各樣本導(dǎo)數(shù)譜與阿司匹林對照品導(dǎo)數(shù)譜的夾角值θ；

⑤ 建立θ與各樣本中阿司匹林含量C的線性方程。

4) 拉曼光譜法分析合成產(chǎn)物中的阿司匹林。

取S1-S14中除建模樣本外的其余8份產(chǎn)品作為驗證樣本，依照建模的數(shù)據(jù)處理參數(shù)，分別計算得到各驗證樣本光譜與阿司匹林對照品光譜的夾角值θ。代入步驟⑤建立的方程中，得到各樣本中阿司匹林的含量，并與液相色譜分析結(jié)果比較。

3.3 拉曼光譜法跟蹤阿司匹林合成過程組成變化

3.3.1 合成過程拉曼光譜采集

各小組依照選擇的實驗條件，分別稱取一定量的水楊酸、乙酸酐加入100 mL的三口燒瓶中，磁力攪拌，待水楊酸完全溶解后加入氨基磺酸，80 °C恒溫反應(yīng)20 min (或根據(jù)實際情況定)。采用浸入式探頭每間隔1 min采集一次反應(yīng)體系的拉曼光譜，保存為Time (G1-G20)。取乙酰水楊酸(阿司匹林)對照品1 g左右，采集其拉曼光譜數(shù)據(jù)，記為B1(ASPL)。其中光譜采集條件：SEED3000 (如海光電)，中心波長785 nm，功率500 mW，積分時間1 s (或根據(jù)實際情況定)，采集次數(shù)1次。

3.3.2 數(shù)據(jù)分析

將所采集的反應(yīng)過程光譜數(shù)據(jù)G1-G20和阿司匹林對照品光譜數(shù)據(jù)B1導(dǎo)入Matlab算法平臺；調(diào)用算法程序，對G1-G20和B1進行求導(dǎo)降噪后，分別求取反應(yīng)過程G1-G20與B1的夾角值θ；繪制夾角θ和反應(yīng)時間的關(guān)系圖，得到合成過程中產(chǎn)物乙酰水楊酸(阿司匹林)的反應(yīng)趨勢。依照此方法可得到體系中其他主要組分的反應(yīng)趨勢。

4 結(jié)果與討論

4.1 拉曼光譜快速分析阿司匹林合成產(chǎn)物

4.1.1 液相色譜分析結(jié)果

以濃度為橫坐標(biāo)，峰面積為縱坐標(biāo)，繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線為y= 8.7323x+ 95.724。利用標(biāo)準(zhǔn)曲線求出14份合成產(chǎn)品中阿司匹林的含量，見表1。

4.1.2 分析模型建立

采集的14份合成產(chǎn)品拉曼光譜如圖3所示，譜圖存在各組分光譜重疊、基線漂移和熒光干擾現(xiàn)象，會影響混合物中被測組分的測量準(zhǔn)確性。

圖3 直接采集的各樣本拉曼光譜圖

從14份樣本中選擇S1、S3、S9、S10、S11、S12這6個樣品作為建模樣本，液相色譜分析結(jié)果作為建模的真實值。分析建模樣本光譜與阿司匹林對照品光譜，截取555-923 cm-1、1025-1258 cm-1、2573-2915 cm-1波段的光譜數(shù)據(jù)，調(diào)用算法對建模樣本光譜進行三階導(dǎo)數(shù)求導(dǎo)降噪處理，經(jīng)過平滑降噪、微分處理后樣本的特征響應(yīng)信號增強，結(jié)果見圖4。然后計算各建模樣本光譜與阿司匹林對照品光譜的系列夾角值θ，建立θ值與含量的關(guān)聯(lián)方程，其中θ= - 0.013C+ 2.5799，相關(guān)系數(shù)r為0.9881。

圖4 建模樣本的導(dǎo)數(shù)譜

4.1.3 拉曼光譜快速分析合成產(chǎn)品

依照建模所得參數(shù)，求取其余8份驗證樣本光譜與阿司匹林對照品光譜的夾角值θ，將所得θ值代入建立的方程中，得到各驗證樣本阿司匹林含量，并與液相色譜分析測定值比較，結(jié)果見表2。

表2 基于角度轉(zhuǎn)換拉曼光譜法測定驗證樣本中阿司匹林百分含量的結(jié)果

由表2看出，高效液相色譜法預(yù)測值與拉曼光譜結(jié)合角度轉(zhuǎn)換快速分析方法預(yù)測值的絕對誤差在0.29%-6.36%之間，相對誤差在0.32%-6.93%之間，驗證了所建立的拉曼光譜快速分析方法的可行性。

對于該實驗體系，模型建好后，后續(xù)只需要直接采集待測樣本的拉曼光譜，將光譜數(shù)據(jù)導(dǎo)入算法平臺，利用編寫好的算法程序可計算得到樣本中阿司匹林含量，方法快捷，30 s出結(jié)果，可無損測量且無試劑消耗。

4.2 拉曼光譜法跟蹤阿司匹林合成過程組成變化

采用便攜式拉曼光譜儀，采集不同時間下反應(yīng)過程的拉曼光譜圖見圖5。按2.2步驟分別求取反應(yīng)過程光譜與水楊酸、乙酸酐、阿司匹林和乙酸的分析純光譜的夾角值，得到各組分夾角值在不同反應(yīng)時間下的變化趨勢圖。由于角度值和含量呈線性負相關(guān)，為直觀考慮，縱坐標(biāo)選取角度值負值，見圖6。若分別建立角度值和各組分含量的關(guān)聯(lián)方程，采集某一時間下的光譜，則可得到該時間下體系中的各組成含量。

圖5 反應(yīng)過程的拉曼光譜圖

圖6 不同反應(yīng)時間下各組分夾角值的變化趨勢

教學(xué)過程中各實驗小組選擇不同的反應(yīng)條件進行實驗。將各小組的實驗數(shù)據(jù)導(dǎo)入計算平臺，截取148-815 cm-1、986-1318 cm-1、1563-1745 cm-1的波段光譜數(shù)據(jù)進行降噪和2階導(dǎo)數(shù)預(yù)處理，然后求取反應(yīng)過程光譜與阿司匹林對照品光譜的夾角值。圖7給出了學(xué)生實驗得到的三種具有代表性的反應(yīng)趨勢。

圖7 學(xué)生實驗得到的反應(yīng)過程阿司匹林含量變化圖

從圖7可以看出，對于同一個合成實驗，不同實驗小組得到的反應(yīng)趨勢各不相同。在實際操作過程中，存在反應(yīng)條件如反應(yīng)時間、反應(yīng)溫度以及光譜采集時間未能較好控制等各種問題。如圖7(a)實驗小組較好地控制了反應(yīng)條件，實驗操作較為規(guī)范，隨著反應(yīng)進行阿司匹林含量逐漸增大，在10 min后趨于平緩，實驗結(jié)果符合預(yù)期。圖7(b)小組同學(xué)在實際操作過程中，水楊酸和醋酐加入反應(yīng)瓶保溫反應(yīng)一段時間后才開始進行光譜采集，體系在開始反應(yīng)前已充分分散，從圖中趨勢可看出，在6-9 min阿司匹林含量已趨于平衡，后續(xù)階段，隨著反應(yīng)的進行，乙酰水楊酸進一步生成水楊酰水楊酸酯等副產(chǎn)物，體系中阿司匹林含量受副反應(yīng)消耗而減小。圖7(c)實驗小組溫控保持不良，反應(yīng)溫度較低，反應(yīng)速度較慢，阿司匹林達到反應(yīng)平衡時的含量也較低。

由于采用新的過程表征手段，獲取了豐富的反應(yīng)過程信息，使學(xué)生對反應(yīng)動力學(xué)有了更直觀和感性的認識；同時，各小組操作條件的不同，無形中也豐富了學(xué)生對于同一反應(yīng)多個側(cè)面的觀察，“全息化”實現(xiàn)對過程的理解，這是傳統(tǒng)實驗手段難以達到的。

5 實驗教學(xué)指導(dǎo)方案及教學(xué)效果

5.1 實驗指導(dǎo)方案

加強實驗預(yù)習(xí)、過程實踐和實驗報告撰寫的要求，充分調(diào)動學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力和探索精神。在實驗預(yù)習(xí)教學(xué)過程中，教師首先要提出實驗預(yù)習(xí)要求，引導(dǎo)學(xué)生進行文獻調(diào)研，學(xué)生進行深度預(yù)習(xí)，完成預(yù)習(xí)報告。教師根據(jù)提交的預(yù)習(xí)報告，針對共性問題，提出指導(dǎo)意見。預(yù)習(xí)要求包括查閱文獻，了解過程分析技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀；學(xué)習(xí)空間角轉(zhuǎn)換的基本原理；理解數(shù)據(jù)處理的基本方法；寫出預(yù)習(xí)中遇到的問題。學(xué)生選擇好實驗組別后獨立實驗，實驗前教師分小組逐一講解，就實驗過程中可能出現(xiàn)的問題組織小組討論。每位學(xué)生通過分析歸納實驗結(jié)果，獨立完成實驗研究報告。

實驗過程中可能存在的問題及教學(xué)措施：(1) 就如何控制反應(yīng)條件、規(guī)范實驗操作、有效采集拉曼光譜等問題組織學(xué)生討論；不規(guī)范的操作可能會導(dǎo)致采集的光譜數(shù)據(jù)不理想，所以教師要教導(dǎo)學(xué)生尊重實驗事實并正確對待實驗結(jié)果。(2) 由于大部分同學(xué)在前期的學(xué)習(xí)中從未接觸過程分析技術(shù)，對原理的理解不夠清楚，需要教師在實驗過程中向每一小組學(xué)生進行原理和算法解釋。(3) 部分學(xué)生在具體的實驗操作過程中，依葫蘆畫瓢，只是按照提供的操作方法和數(shù)據(jù)處理步驟逐步完成實驗內(nèi)容，還有部分學(xué)生做完實驗，卻仍然不能明白實驗的目的是什么。針對這些問題，教師要隨堂指導(dǎo)，允許學(xué)生在實驗過程中存在變通。

5.2 實驗教學(xué)效果

整個實驗完成的過程中都需要學(xué)生獨立發(fā)現(xiàn)、分析并解決問題，對學(xué)生實驗?zāi)芰Φ奶岣吆涂蒲兴刭|(zhì)培養(yǎng)非常有利，體現(xiàn)了培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)研究素質(zhì)、提高思維訓(xùn)練的教學(xué)目標(biāo)。本?；I(yè)實驗總學(xué)時為24，“阿司匹林合成及過程分析”是其中一個“文獻查閱-實驗設(shè)計-合成制備-分析表征-過程分析”一體化的綜合設(shè)計性教學(xué)實驗項目，所占學(xué)時為8學(xué)時，其中過程分析部分占3學(xué)時。通過化工17級、化工18級連續(xù)兩屆學(xué)生的實驗教學(xué)實踐，我們發(fā)現(xiàn)學(xué)生對新技術(shù)、新方法的研究興趣有所增加，主動思考和獨立思考訓(xùn)練效果明顯；部分學(xué)生通過學(xué)習(xí)，將理論和算法應(yīng)用到自己的畢業(yè)環(huán)節(jié)課題研究中。本實驗還可從兩個方面進一步改進和拓展：(1) 加強理論背景知識的介紹和算法解釋；(2) 利用該技術(shù)原理，增加阿司匹林合成的反應(yīng)動力學(xué)研究教學(xué)內(nèi)容，提高學(xué)生實驗設(shè)計的參與性。

6 結(jié)語

本實驗合成反應(yīng)快速，光譜采集便捷，調(diào)用算法進行數(shù)據(jù)處理過程簡單，減少了現(xiàn)有色譜離線測量的溶劑消耗，綠色環(huán)保，可滿足本科教學(xué)的時長及安全性要求。在教學(xué)中建立反應(yīng)產(chǎn)物的快速分析方法，提出一種新的實驗手段可實時描述反應(yīng)體系，使學(xué)生構(gòu)建了“無損測量和過程分析”的科學(xué)思想。將教師科學(xué)研究成果引入實驗教學(xué)中，提升了教學(xué)的學(xué)術(shù)深度，開拓了學(xué)生視野，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，有助于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識和綜合實踐能力。后續(xù)可研發(fā)適合該實驗的教學(xué)裝置，包括算法的改進、軟硬件集成，并拓展到均相催化實時動力學(xué)研究、過程中間體跟蹤等系列實驗項目，改善目前因?qū)嶒炇侄吻啡睂?dǎo)致的實驗粗放、原理描述不到位等問題。