葡萄糖漫反射二维红外光谱

韩卫荣， 牟 微， 赵婷婷， 杨晓雪， 唐甜甜， 于宏伟

(石家庄学院化工学院，河北石家庄 050035)

葡萄糖是自然界分布最广的一种单糖。葡萄糖在生物学领域具有重要地位，是活细胞的能量来源和新陈代谢的中间产物[1-4]，此外葡萄糖被广泛应用于食品工业生产的各个领域中[5-9]。已有文献报道，葡萄糖在水溶液中同时存在α-D-(+)-吡喃葡萄糖和β-D-(+)-吡喃葡萄糖[10]，但由于测试仪器的局限性，关于固相葡萄糖异构体的研究少见报道。红外光谱法被广泛应用于有机化合物的结构研究，但有关固相葡萄糖异构体的研究同样少见报道，这主要是因为固相葡萄糖异构体的红外吸收频率重叠，而传统的红外光谱由于分辨率不高，不能提供更有价值的光谱信息，二维红外光谱的分辨率要优于传统的红外光谱。因此，本研究采用漫反射红外光谱技术，以时间为物理扰动因素，重点开展对葡萄糖漫反射二维红外光谱的研究。

1 材料与方法

1.1 试剂

主要试剂有溴化钾(分析纯，上海国药集团化学试剂有限责任公司)、葡萄糖(分析纯，天津市永大化学试剂有限公司)。

1.2 仪器与设备

Spectrum 100型中红外光谱仪(分辨率为4 cm，FR-DTGS检测器)，由美国Perkinelmer有限公司提供；漫反射红外光谱附件，由英国Specac公司提供。

1.3 方法

1.3.1 红外光谱仪操作条件 室温下试验以溴化钾(含量100%)为背景，每次对样品(葡萄糖与溴化钾的混合物)漫反射红外光谱信号进行16次扫描累加，测定频率范围为 4 000～400 cm-1。中红外光谱仪稳定后5、10、15、20、25、30、35、40、45、50、55、60 min测试样品。

1.3.2 数据获得与处理 漫反射一维红外光谱数据(参数部分：通过K-M转化)、漫反射二阶及四阶导数红外光谱数据(参数部分：平滑点数为13)、漫反射去卷积红外光谱数据(参数部分：Gamma=3.0，Length=10.0)，均采用Spectrum v 6.3.5软件进行处理；漫反射二维红外光谱数据(参数部分：Interval=2.0，Contour Number=30.0)采用TD Versin 4.2软件进行处理。

2 结果与分析

在4 000～400 cm-1的频率范围内，首先开展葡萄糖漫反射红外光谱研究(图1)。根据文献报道，3 400～3 100 cm-1频率处较宽的红外吸收峰归属于葡萄糖O—H伸缩振动模式(νOH)，2 964 cm-1频率处的红外吸收峰归属于葡萄糖CH2不对称伸缩振动模式(νasCH2)，2 884 cm-1频率处的红外吸收峰归属于葡萄糖CH2对称伸缩振动模式(νsCH2)，1 374 cm-1频率处的红外吸收峰归属于葡萄糖OH面内弯曲振动模式(δOH)，1 070 cm-1频率处的红外吸收峰归属于葡萄糖C—O伸缩振动模式(νC-O)，917 cm-1频率处的红外吸收峰归属于葡萄糖环振动模式(νⅠ型)，而772 cm-1频率处的红外吸收峰归属于葡萄糖环呼吸振动模式(νⅢ型)[11-12]。关于葡萄糖νOH、νasCH2、νsCH2、νC-O、δOH的红外光谱研究已有文献报道[11-12]，而葡萄糖νⅠ型和νⅢ型与其异构体结构有关，但由于传统红外光谱的分辨率不高，相关研究少见报道，因此，重点开展对葡萄糖νⅠ型和νⅢ型的漫反射二维红外光谱的研究。

2.1 葡萄糖漫反射红外光谱研究

2.1.1 葡萄糖νⅠ型漫反射红外光谱研究 950～900 cm-1频率范围内的红外吸收谱带归属于葡萄糖νⅠ型。首先开展漫反射一维光谱的研究(图2-A)，其中917 cm-1频率处的红外吸收峰归属α-D-(+)-吡喃葡萄糖环振动红外吸收模式(νⅠ-α型)；漫反射导数及去卷积光谱的分辨率则有了明显提高(图2-B、图2-C、图2-D)，其中在926 cm-1频率处发现了1个明显的红外吸收峰，归属于β-D-(+)-吡喃葡萄糖环振动红外吸收模式(νⅠ-β型)。

2.1.2 葡萄糖νⅢ型漫反射红外光谱研究 在800～750 cm-1频率范围内，首先开展葡萄糖的漫反射一维及二阶导数红外光谱的研究(图3-A、图3-B)，其中，在772 cm-1频率处的红外吸收峰属于葡萄糖νⅢ型，而相应漫反射四阶导数红外光谱的分辨率有了进一步提高(图3-C)，其中，在 784 cm-1频率处发现了一个新的红外吸收峰，归属于β-D-(+)-吡喃葡萄糖环呼吸振动模式(νⅢ-β型)，进一步研究漫反射去卷积红外光谱(图3-D)则得到同样的红外光谱信息。

2.2 葡萄糖漫反射二维红外光谱研究

2.2.1 葡萄糖νⅠ型漫反射二维红外光谱研究 在930～900 cm-1的频率范围内，开展葡萄糖νⅠ型漫反射同步二维红外光谱研究(图4)。在(916、916 cm-1)和(925、925 cm-1)频率位置处发现了2个自动峰，且在930～900 cm-1的频率范围内没有发现明显的交叉峰，这证明葡萄糖在916、925 cm-1频率处对应的红外吸收峰之间不存在较强的分子内或分子间相关作用[13-19]。

在930～900 cm-1的频率范围内，进一步开展葡萄糖νⅠ型漫反射异步二维红外光谱研究(图5)。其中，在(916、925 cm-1)频率位置处发现了1个明显交叉峰，则进一步说明，葡萄糖νⅠ型的红外吸收频率包括916、925 cm-1。其中925 cm-1频率处的红外吸收峰归属于β-D-(+)-吡喃葡萄糖环振动红外吸收模式(νⅠ-β型)，而916 cm-1频率处的红外吸收峰均归属于α-D-(+)-吡喃葡萄糖环振动红外吸收模式(νⅠ-α型)，根据Noda规则[13-19]可知，室温下葡萄糖环振动的红外吸收峰变化快慢的顺序为 925 cm-1(νⅠ-β型)>916 cm-1(νⅠ-α型)。

2.2.2 葡萄糖νⅢ型漫反射二维红外光谱研究 在800～760 cm-1的频率范围内，开展葡萄糖漫反射同步二维红外光谱研究(图6)。在(776、776 cm-1)和(785、785 cm-1)频率位置处发现了2个自动峰， 其中(776、776 cm-1)频率处的自动峰强度较大，说明该频率处的红外吸收峰对于温度变化比较敏感。而在(776、785 cm-1)频率处发现1个弱的交叉峰，证明葡萄糖在776、785 cm-1频率处对应的红外吸收峰之间存在较弱的分子内或分子间相关作用。

进一步开展葡萄糖漫反射异步二维红外光谱研究(图7)，在(776、785 cm-1)频率位置处发现1个相对强度较大的交叉峰，其中785 cm-1频率处的红外吸收峰归属于β-D-(+)-吡喃葡萄糖环呼吸振动模式(νⅢ-β型)，而776 cm-1频率处的红外吸收峰归属于α-D-(+)-吡喃葡萄糖环呼吸振动模式(νⅢ-α型)，根据Noda规则[13-19]，室温下葡萄糖环呼吸振动的红外吸收峰变化快慢的顺序为785 cm-1(νⅢ-β型)>776 cm-1(νⅢ-α型)。

3 结论

本研究分别探讨葡萄糖的漫反射红外光谱和漫反射二维红外光谱。结果表明，葡萄糖环振动红外吸收频率包括 925 cm-1(νⅠ-β型)、916 cm-1(νⅠ-α型)，在室温下，葡萄糖环振动的红外吸收峰变化快慢的顺序为925 cm-1(νⅠ-β型)>916 cm-1(νⅠ-α型)；同时葡萄糖环呼吸振动模式红外吸收频率包括785 cm-1(νⅢ-β型)和776 cm-1(νⅢ-α型)，在室温下，葡萄糖环呼吸振动的红外吸收峰变化快慢的顺序为785 cm-1(νⅢ-β型)>776 cm-1(νⅢ-α型)。本研究拓展了漫反射二维红外光谱在固相葡萄糖异构体结构的研究范围，具有重要的理论研究价值。