CN107727602B - 中红外光谱结合向量夹角定量分析三氯蔗糖含量的方法 - Google Patents
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Abstract
一种中红外光谱结合向量夹角定量分析三氯蔗糖含量的方法，包括：系列样品制备：制备三氯蔗糖对照品、三氯蔗糖‑6‑乙酯对照品、双组分混合样品以及脱酰样品的KBr压片；红外光谱数据采集：采集步骤一制备的系列样品的中红外透射光谱，光谱采集条件：450～4000cm‑1，分辨率4cm‑1，数据间隔1cm‑1；数据处理。该方法可快速准确测定三氯蔗糖合成过程的产品含量。方法无需样品预处理、方法简便，无需大数据建模，具有不依赖光谱特征响应、检测限低、适用范围广等特点。
Description
技术领域
本发明涉及化合物红外光谱定量分析领域，特别涉及一种中红外光谱结合向量夹角定量分析三氯蔗糖含量的方法。
背景技术
红外光谱法是最常用的分子定性方法，普遍认为定量能力有限。由于红外光谱产生原因是由红外区域内分子的振动吸收，因而能量较弱、光谱的解释性差、检测限高等缺点，很难做到直接定量分析。近年来随着衰减全反射(Attenuated Total Reflection，ATR)取样普及，逐渐用于定量。中红外ATR定量和基于多元统计的二次定量表明红外光谱是具有定量能力的。
红外透射谱区的红外光在样品中的穿透最大可达到30mm，相对于漫反射技术(Diffuse Reflectance Technique)，所获取的光谱信息更加丰富，但因无法避免克里斯坦森(Christiansen，1884)效应存在，且还受到信息叠加严重的制约，采用传统的KBr压片和涂布法红外透射光谱技术仍然鲜见定量应用报道。在多元统计方法的帮助下，近红外通过大量数据积累和建模工作，采用二次测量定量，已经完成了大量应用。
姚志湘等前期通过角度度量转化思路，采用空间角讨论和评价多元正和分辨问题的合理性与准确性，解决了PLS中乘性误差对预测结果的干扰，指出光谱方法中光程差不会影响光谱的形状，推而广之，这种固定关系可以引申成为一种新的定量关系。
发明内容
为解决上述现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种中红外光谱结合向量夹角定量分析三氯蔗糖含量的方法，采用新的近似线性定量方法，通过KBr压片法，采用中红外光谱直接定量三氯蔗糖合成产物。
为达到上述目的，本发明的技术方案为：
一种中红外光谱结合向量夹角定量分析三氯蔗糖含量的方法，中红外光谱结合向量夹角定量分析方法由如下步骤构成：
步骤一、系列样品制备；
具体为：制备三氯蔗糖对照品、三氯蔗糖-6-乙酯对照品的KBr压片：分别准确称取对照品加入KBr，混合均匀后压片，编号分别为S0、S10；
制备双组分样品的KBr压片：将三氯蔗糖-6-乙酯与三氯蔗糖对照品分别按照质量比为1:9、2:8、3:7、4:6、5:5、6:4、7:3、8:2、9:1混合，再加入KBr，进行压片，依次编号S1～S9；
制取脱酰多组分样品的KBr压片：按照不同量添加三氯蔗糖对照品至脱酰样品混合均匀后，再将KBr加入混合均匀后，压片，制得系列压片样本17组样品，选择其中12组建立标准曲线，编号K1～K12，剩余5组作为验证组，编号L1～L5；
步骤二、红外光谱数据采集；
采集步骤一制备的三氯蔗糖与三氯蔗糖-6-乙酯对照品以及双组分样品，脱酰样品KBr压片的中红外透射光谱，光谱采集范围为450～4000cm-1，分辨率4cm-1，数据间隔1cm-1；
步骤三、数据处理；
将步骤二所测得的光谱数据导入数据计算平台中，并定义：AB：系列样品组分二元或多元混合体系的混合光谱；a：组分三氯蔗糖；A：组分三氯蔗糖的光谱；b：其他组分；B：其他组分光谱：
1)针对组分a、b特征峰位置不同，选择信号区间范围，并进行基线校正、求导滤波降噪，再求取差分；
2)根据混合光谱AB包含的波长点数，设置一定宽度建立移动窗口，从最小波数点开始，将移动窗口从该光谱A的左端向右移动，分别计算混合光谱AB与光谱A的夹角，得到系列夹角值θ；对系列夹角值求方差D；
3)重复步骤二步骤分别计算组分a在不同配比值Ci下的光谱Ai与混合光谱AB的系列夹角θi，即计算系列D值，绘制该组分a的不同配比值Ci与系列D的标准曲线；
4)计算待测样品与A的D值，并带入3)标准曲线中，实现待测样品中所含组分A的定量。
进一步的，所述中红外光谱测试样品的制备的方法采用KBr压片法。
进一步的，所述数据处理方法中，区间宽度选择范围具体为4000～1500cm-1。
进一步的，所述中移动窗口的宽度选择具体为：依据中红外混合光谱AB包含的波长点数，选取其1/n作为移动窗口宽度，其中n＞1且n为正整数。
相对于现有技术，本发明的有益效果为：
本发明采用中红外透射光谱结合空间向量角度测定三氯蔗糖中间合成产品含量，该方法在测定双组分以及脱酰(多组分)样品中三氯蔗糖含量时，均可快速准确测定，所建立标准曲线的相关系数r均可达0.9950以上，相对误差均低于8.0％，准确度较高。该方法无需样品预处理、方法简便无需大数据建模，具有不依赖光谱特征响应、检测限低、适用范围广等特点，对中红外透射光谱分析研究多组分样品具有重要的参考价值。
附图说明
图1为本发明实验例1中系列样品的中红外谱图；
图2为本发明实验例1中S0的一阶导数光谱曲线图；
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明技术方案做进一步详细描述：
一种中红外光谱结合向量夹角定量分析三氯蔗糖含量的方法，中红外光谱结合向量夹角定量分析方法由如下步骤构成：
步骤一、系列样品制备；
具体为：制备三氯蔗糖对照品、三氯蔗糖-6-乙酯对照品的KBr压片：分别准确称取对照品加入KBr，混合均匀后压片，编号分别为S0、S10；
制备双组分样品的KBr压片：将三氯蔗糖-6-乙酯与三氯蔗糖对照品分别按照质量比为1:9、2:8、3:7、4:6、5:5、6:4、7:3、8:2、9:1混合，再加入KBr，进行压片，依次编号S1～S9；
制取脱酰多组分样品的KBr压片：按照不同量添加三氯蔗糖对照品至脱酰样品混合均匀后，再将KBr加入混合均匀后，压片，制得系列压片样本17组样品，选择其中12组建立标准曲线，编号K1～K12，剩余5组作为验证组，编号L1～L5；
步骤二、红外光谱数据采集；
采集步骤一制备的三氯蔗糖与三氯蔗糖-6-乙酯对照品以及双组分样品，脱酰样品KBr压片的中红外透射光谱，光谱采集范围为450～4000cm-1，分辨率4cm-1，数据间隔1cm-1；
步骤三、数据处理；
将步骤二所测得的光谱数据导入数据计算平台中，并定义：AB：系列样品组分二元或多元混合体系的混合光谱；a：组分三氯蔗糖；A：组分三氯蔗糖的光谱；b：其他组分；B：其他组分光谱：
1)针对组分a、b特征峰位置不同，选择信号区间范围，并进行基线校正、求导滤波降噪，再求取差分；
2)根据混合光谱AB包含的波长点数，设置一定宽度建立移动窗口，从最小波数点开始，将移动窗口从该光谱A的左端向右移动，分别计算混合光谱AB与光谱A的夹角，得到系列夹角值θ；对系列夹角值求方差D；
3)重复步骤二步骤分别计算组分a在不同配比值Ci下的光谱Ai与混合光谱AB的系列夹角θi，即计算系列D值，绘制该组分a的不同配比值Ci与系列D的标准曲线；
4)计算待测样品与A的D值，并带入3)标准曲线中，实现待测样品中所含组分A的定量。
进一步的，所述中红外光谱测试样品的制备的方法采用KBr压片法。
进一步的，所述数据处理方法中，区间宽度选择范围具体为4000～1500cm-1。
进一步的，所述中移动窗口的宽度选择具体为：依据中红外混合光谱AB包含的波长点数，选取其1/n作为移动窗口宽度，其中n＞1且n为正整数。
实验例：
实验仪器与试剂
Frontier型傅立叶变换红外光谱仪(美国Perkin Elmer公司)，Agilent1200型高效液相色谱仪(美国Agilent公司)，WS70-1型远红外快速干燥箱，CP214型电子分析天平。
三氯蔗糖(三氯蔗糖)对照品(99.99％，by HPLC)，三氯蔗糖-6-乙酯(三氯蔗糖-6-乙酯)对照品(96.5％，by HPLC)，KBr(AR)，脱酰样品(自制，含有三氯蔗糖、三氯蔗糖-6-乙酯、少量的乙酸甲酯等其他副产物，在此认为其为多组分样品)
系列样品制备
制备三氯蔗糖对照品、三氯蔗糖-6-乙酯对照品的KBr压片：分别准确称取对照品加入KBr，混合均匀后压片，编号分别为S0、S10；
制备双组分样品的KBr压片：将三氯蔗糖-6-乙酯与三氯蔗糖对照品分别按照质量比为1:9、2:8、3:7、4:6、5:5、6:4、7:3、8:2、9:1混合，再加入KBr，进行压片，依次编号S1～S9。
制取脱酰(多组分)样品的KBr压片：按照不同量添加三氯蔗糖对照品至脱酰样品(原始三氯蔗糖含量为19.45％，by HPLC)混合均匀后，再将KBr加入混合均匀后，压片，制得系列压片样本17组样品，选择其中12组建立标准曲线，编号K1～K12，剩余5组作为验证组，编号L1～L5。
红外光谱数据采集
采集三氯蔗糖与三氯蔗糖-6-乙酯对照品以及系列样品压片样品中红外透射光谱，光谱采集范围为450～4000cm-1，分辨率为4cm-1，数据间隔为1cm-1。
数据处理方法
将光谱数据导入数据计算平台，(AB：系列样品组分二元(或多元)混合体系的混合光谱；a：组分三氯蔗糖；A：组分三氯蔗糖的光谱；b：其他组分；B：其他组分光谱)：
1)针对组分a、b特征峰位置不同，选择信号区间范围，并进行基线校正、求导滤波降噪，再求取差分。
2)根据混合光谱AB包含的波长点数，设置一定宽度建立移动窗口，选择体系中组分a的光谱A，从最小波数点开始，将移动窗口从该光谱A的左端向右移动，分别计算光谱A与混合光谱AB的夹角，得到系列夹角值θ；对系列夹角值求方差D；
3)分别计算组分a在不同配比值Ci下的光谱Ai与混合光谱AB的系列夹角θi，即计算系列Di值绘制该组分a的不同配比值Ci与系列Di的标准曲线；
4)计算待测样品与A的D值，并带入3)标准曲线中，实现待测样品中所含组分A的定量。
结果与讨论
系列样本的红外光谱图
三氯蔗糖对照品(S0)、三氯蔗糖-6-乙酯对照品(S10)、三氯蔗糖-6-乙酯加入三氯蔗糖对照品的混合物样品(S)、脱酰样品加入三氯蔗糖对照品的混合样品的中红外光谱(K)见图1。
由系列中红外光谱图1可知，三氯蔗糖-6-乙酯与三氯蔗糖特征集中于4000～1500cm-1波数区域内，选择该区域作为光谱区间。
双组分样本的三氯蔗糖含量分析
依照上述数据处理方法，分别对系列S光谱一阶求导降噪并求取差分，其中S0的差分谱图如图2所示：
设置区间波长(4000～1500cm-1)的1/16宽度为移动窗口，从最小波数点1500cm-1开始，分别计算S1～S10与三氯蔗糖对照品光谱S0的夹角余弦值Di。三氯蔗糖的不同配比值Ci与系列Di的关系如表2所示。取其中的S0、S1、S3、S5、S7、S9、S10，计算系列Di值与标准加入量的线性相关系数Cov。得到线性关系：Ci＝-65.235*Di+102.37，相关系数r＝0.9969。
表2双组分样品中三氯蔗糖含量与方差值结果
计算得到S2、S4、S6、S8中三氯蔗糖预测含量及误差分析见表3所示：
表3双组分预测含量与误差分析结果
通过表3结果可得到该方法在测定双组分待测物含量时，测定结果与高效液相色谱相比较，预测结果较好，相对误差低于±2.50～6.03％。
脱酰样品中三氯蔗糖含量分析
参照上一步双组分含量分析方法设置区间，计算12组脱酰样品(K1～K12)系列Di值，结果如下表4。
表4脱酰样品中三氯蔗糖含量与方差值结果
为了更加精确的计算结果，对待不同含量的待测样本计算角度值分别建立标准曲线，当D值≥1.5时，建立标准曲线1:Ci＝-145.5×Di+228.01，相关系数r＝0.9978；当D值<1.5时，建立标准曲线2：Ci＝-57.09×Di+97.886，相关系数r＝0.9957，将5组验证组样品(L1～L5)的D值分别带入相应曲线中预测含量，并将结果与高效液相色谱作对比验证，结果如下表5：
表5脱酰样品预测含量与误差分析结果
通过表5结果可得到5组验证组测定结果与高效液相色谱相比较，预测结果较好，相对误差在±1.09～7.10％。
结论
采用中红外透射光谱结合空间向量角测定三氯蔗糖中间合成产品含量的方法是可行，实验结果理想合理，说明该方法在测定双组分以及脱酰(多组分)样品中三氯蔗糖含量时，均可快速准确测定，所建立标准曲线的相关系数r均可达0.9950以上，相对误差均低于8.0％，准确度较高。该方法无需样品预处理、方法简便无需大数据建模，具有不依赖光谱特征响应、检测限低、适用范围广等特点，对中红外透射光谱分析研究多组分样品具有重要的参考价值。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何不经过创造性劳动想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书所限定的保护范围为准。
Claims (3)
1.一种中红外光谱结合向量夹角定量分析三氯蔗糖含量的方法，其特征在于，中红外光谱结合向量夹角定量分析方法由如下步骤构成：
步骤一、系列样品制备；
具体为：制备三氯蔗糖对照品、三氯蔗糖-6-乙酯对照品的KBr压片：分别准确称取对照品加入KBr，混合均匀后压片，编号分别为S0、S10；
制备双组分样品的KBr压片：将三氯蔗糖-6-乙酯与三氯蔗糖对照品分别按照质量比为1:9、2:8、3:7、4:6、5:5、6:4、7:3、8:2、9:1混合，再加入KBr，进行压片，依次编号S1～S9；
制取脱酰多组分样品的KBr压片：按照不同量添加三氯蔗糖对照品至脱酰样品混合均匀后，再将KBr加入混合均匀后，压片，制得系列压片样本17组样品，选择其中12组建立标准曲线，编号K1～K12，剩余5组作为验证组，编号L1～L5；
步骤二、红外光谱数据采集；
采集步骤一制备的三氯蔗糖与三氯蔗糖-6-乙酯对照品以及双组分样品，脱酰样品KBr压片的中红外透射光谱，光谱采集范围为450～4000cm-1，分辨率4cm-1，数据间隔1cm-1；
步骤三、数据处理；
将步骤二所测得的光谱数据导入数据计算平台中，并定义：AB：系列样品组分二元或多元混合体系的混合光谱；a：组分三氯蔗糖；A：组分三氯蔗糖的光谱；b：其他组分；B：其他组分光谱：
1)针对组分a、b特征峰位置不同，选择信号区间范围，并进行基线校正、求导滤波降噪，再求取差分；
2)根据混合光谱AB包含的波长点数，设置一定宽度建立移动窗口，从最小波数点开始，将移动窗口从该光谱A的左端向右移动，分别计算混合光谱AB与光谱A的夹角，得到系列夹角值θ；对系列夹角值求方差D；所述移动窗口的宽度选择具体为：依据中红外混合光谱AB包含的波长点数，选取其1/n作为移动窗口宽度，其中n＞1且n为正整数；
3)重复步骤二步骤分别计算组分a在不同配比值Ci下的光谱Ai与混合光谱AB的系列夹角θi，即计算系列D值，绘制该组分a的不同配比值Ci与系列D的标准曲线；
4)计算待测样品与A的D值，并带入3)标准曲线中，实现待测样品中所含组分A的定量。
2.根据权利要求1所述的一种中红外光谱结合向量夹角定量分析三氯蔗糖含量的方法，其特征在于，所述中红外光谱测试样品的制备的方法采用KBr压片法。
3.根据权利要求2所述的一种中红外光谱结合向量夹角定量分析三氯蔗糖含量的方法，其特征在于，所述数据处理方法中，区间宽度选择范围具体为4000～1500cm-1。
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