葡萄糖漫反射二維紅外光譜

韓衛榮， 牟 微， 趙婷婷， 楊曉雪， 唐甜甜， 于宏偉

(石家莊學院化工學院，河北石家莊 050035)

葡萄糖是自然界分布最廣的一種單糖。葡萄糖在生物學領域具有重要地位，是活細胞的能量來源和新陳代謝的中間產物[1-4]，此外葡萄糖被廣泛應用于食品工業生產的各個領域中[5-9]。已有文獻報道，葡萄糖在水溶液中同時存在α-D-(+)-吡喃葡萄糖和β-D-(+)-吡喃葡萄糖[10]，但由于測試儀器的局限性，關于固相葡萄糖異構體的研究少見報道。紅外光譜法被廣泛應用于有機化合物的結構研究，但有關固相葡萄糖異構體的研究同樣少見報道，這主要是因為固相葡萄糖異構體的紅外吸收頻率重疊，而傳統的紅外光譜由于分辨率不高，不能提供更有價值的光譜信息，二維紅外光譜的分辨率要優于傳統的紅外光譜。因此，本研究采用漫反射紅外光譜技術，以時間為物理擾動因素，重點開展對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，上海國藥集團化學試劑有限責任公司)、葡萄糖(分析純，天津市永大化學試劑有限公司)。

1.2 儀器與設備

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

1.3 方法

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

1.3.2 數據獲得與處理 漫反射一維紅外光譜數據(參數部分：通過K-M轉化)、漫反射二階及四階導數紅外光譜數據(參數部分：平滑點數為13)、漫反射去卷積紅外光譜數據(參數部分：Gamma=3.0，Length=10.0)，均采用Spectrum v 6.3.5軟件進行處理；漫反射二維紅外光譜數據(參數部分：Interval=2.0，Contour Number=30.0)采用TD Versin 4.2軟件進行處理。

2 結果與分析

在4 000～400 cm-1的頻率范圍內，首先開展葡萄糖漫反射紅外光譜研究(圖1)。根據文獻報道，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不對稱伸縮振動模式(νasCH2)，2 884 cm-1頻率處的紅外吸收峰歸屬于葡萄糖CH2對稱伸縮振動模式(νsCH2)，1 374 cm-1頻率處的紅外吸收峰歸屬于葡萄糖OH面內彎曲振動模式(δOH)，1 070 cm-1頻率處的紅外吸收峰歸屬于葡萄糖C—O伸縮振動模式(νC-O)，917 cm-1頻率處的紅外吸收峰歸屬于葡萄糖環振動模式(νⅠ型)，而772 cm-1頻率處的紅外吸收峰歸屬于葡萄糖環呼吸振動模式(νⅢ型)[11-12]。關于葡萄糖νOH、νasCH2、νsCH2、νC-O、δOH的紅外光譜研究已有文獻報道[11-12]，而葡萄糖νⅠ型和νⅢ型與其異構體結構有關，但由于傳統紅外光譜的分辨率不高，相關研究少見報道，因此，重點開展對葡萄糖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-(+)-吡喃葡萄糖環振動紅外吸收模式(νⅠ-α型)；漫反射導數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頻率處發現了1個明顯的紅外吸收峰，歸屬于β-D-(+)-吡喃葡萄糖環振動紅外吸收模式(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，首先開展葡萄糖的漫反射一維及二階導數紅外光譜的研究(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，而相應漫反射四階導數紅外光譜的分辨率有了進一步提高(圖3-C)，其中，在 784 cm-1頻率處發現了一個新的紅外吸收峰，歸屬于β-D-(+)-吡喃葡萄糖環呼吸振動模式(νⅢ-β型)，進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，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)頻率位置處發現了2個自動峰，且在930～900 cm-1的頻率范圍內沒有發現明顯的交叉峰，這證明葡萄糖在916、925 cm-1頻率處對應的紅外吸收峰之間不存在較強的分子內或分子間相關作用[13-19]。

在930～900 cm-1的頻率范圍內，進一步開展葡萄糖νⅠ型漫反射異步二維紅外光譜研究(圖5)。其中，在(916、925 cm-1)頻率位置處發現了1個明顯交叉峰，則進一步說明，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-(+)-吡喃葡萄糖環振動紅外吸收模式(νⅠ-β型)，而916 cm-1頻率處的紅外吸收峰均歸屬于α-D-(+)-吡喃葡萄糖環振動紅外吸收模式(νⅠ-α型)，根據Noda規則[13-19]可知，室溫下葡萄糖環振動的紅外吸收峰變化快慢的順序為 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，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)頻率位置處發現了2個自動峰， 其中(776、776 cm-1)頻率處的自動峰強度較大，說明該頻率處的紅外吸收峰對于溫度變化比較敏感。而在(776、785 cm-1)頻率處發現1個弱的交叉峰，證明葡萄糖在776、785 cm-1頻率處對應的紅外吸收峰之間存在較弱的分子內或分子間相關作用。

進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)頻率位置處發現1個相對強度較大的交叉峰，其中785 cm-1頻率處的紅外吸收峰歸屬于β-D-(+)-吡喃葡萄糖環呼吸振動模式(νⅢ-β型)，而776 cm-1頻率處的紅外吸收峰歸屬于α-D-(+)-吡喃葡萄糖環呼吸振動模式(νⅢ-α型)，根據Noda規則[13-19]，室溫下葡萄糖環呼吸振動的紅外吸收峰變化快慢的順序為785 cm-1(νⅢ-β型)>776 cm-1(νⅢ-α型)。

3 結論

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。結果表明，葡萄糖環振動紅外吸收頻率包括 925 cm-1(νⅠ-β型)、916 cm-1(νⅠ-α型)，在室溫下，葡萄糖環振動的紅外吸收峰變化快慢的順序為925 cm-1(νⅠ-β型)>916 cm-1(νⅠ-α型)；同時葡萄糖環呼吸振動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，葡萄糖環呼吸振動的紅外吸收峰變化快慢的順序為785 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體結構的研究范圍，具有重要的理論研究價值。