在线拉曼光谱仪应用之基于拉曼光谱的没食子酸甲酯化反应在线监控研究

（1）样品材料

没食子酸(质量分数>99%，L2031358，阿拉丁)；没食子酸甲酯(质量分数>98%，A1810031，阿拉丁)；浓硫酸(质量分数为 95%~98%，国药集团)；甲醇(色谱级，德国 Merk 公司)；超纯水由 Milli-Q 水纯化系统(美国 Millipore 公司)产生；磷酸(质量分数>85%，国药集团)。

（2）设备搭建

测量系统核心采用如海光电AtroPos在线拉曼光谱仪实现样品分析。（配备785 nm激光源）

2.1光谱特征峰分析

将一定量的没食子酸和没食子酸甲酯粉末溶于甲醇中，测得的拉曼光谱如图1所示。没食子酸的特征峰在 702.7、792.6 和 957.5 cm?1，没食子酸甲酯在 747.9 和 916.3 cm?1处有明显的特征峰。

图1 没食子酸、没食子酸甲酯拉曼光谱图

2.2 校正模型的建立

使用Origin 2019b软件对拉曼位移分别为702.7、792.6和 957.5 cm?1这3个形态较好的没食子酸特征峰，以峰高为x，没食子酸质量浓度为y，进行线性回归，求得标准曲线，计算其R2和RMSEC，如表1所示。结果表明，没食子酸的检测质量浓度在2.9850~208.0323mg·mL?1时，与特征峰相对强度表现出良好的线性关系，R2均大于0.999，且重复性良好，满足定量要求。

表1 没食子酸质量浓度线性回归模型的建立

2.3 反应过程的定量分析——线性回归模型

进行没食子酸甲酯化反应，流通池内溶液流速设定为14.0 mL·min?1。以校正模型对没食子酸质量浓度进行预测。将预测值与HPLC分析得到的质量浓度值进行比较，评估模型性能如表2所示。反应温度为65、70、75℃时，线性范围内分别有32、33、30个样品用于预测。没食子酸甲酯位于747.9和916.3 cm?1处的特征峰，对没食子酸位于792.6和957.5 cm?1处的特征峰影响较大，因此预测结果不佳。没食子酸702.7 cm?1处的特征峰受干扰较小，具有较好的预测能力，且在65~75 ℃，RMSEP均小于3.4 mg·mL?1。

2.4反应过程的定量分析——PLS模型

以3个特征峰波段进行PLS建模，结果如表2所示。不同波段建立的模型，R2均大于0.9995，RMSEC均小于线性回归模型的RMSEC；在不同反应温度下RMSEP差别较大，模型预测性能不佳。一般来说，PLS模型使用范围较宽的波段进行建模，可以提取光谱中更多的隐藏信息，但在该反应中建模效果不佳。可能是由于本实验中使用没食子酸对照品溶液进行建模，PLS 模型未掌握没食子酸甲酯相关信息。

表 2不同反应温度下没食子酸质量浓度的预测结果(线性回归模型)

因此在没食子酸甲酯特征峰的干扰下，无法做出精准的预测。综上所述，针对不同反应温度的没食子酸甲酯化反应，由没食子酸对照品溶液拉曼光谱建立的线性回归模型，相对于PLS模型，具有更好的预测性能。以拉曼位移为702.7 cm?1处的特征峰高对65、70和75℃反应温度下没食子酸质量浓度进行预测(图2)，预测结果与 HPLC 分析得到的变化趋势基本吻合，RMSEP 分别为3.248 3、3.314 3和3.175 6 mg·mL?1。

图2 65、70 和 75 ℃反应温度下没食子酸质量浓度随反应时间变化的曲线图

2.5反应过程的定性分析

以反应温度为75 ℃下获得的预处理后的351张拉曼光谱图(局部)为例，说明反应物和产物特征峰随反应时间的变化情况(图3)。没食子酸的特征峰随反应的进行，相对强度逐渐降低；没食子酸甲酯的特征峰则随反应的进行，相对强度逐渐升高，符合化学反应规律。

图3 75 ℃反应过程拉曼光谱图

以拉曼光谱数为横轴，相对强度为纵轴，绘制不同反应温度下，拉曼位移702.7 cm?1处没食子酸特征峰相对强度随时间变化的曲线图(图4(a))。为了更直观地观察反应速率随时间的变化，使用Unscramber

软件计算一阶导数并进行 Savitzky-Golay 平滑处理(图4(b))，多项式阶设为2，窗口宽度设为13。反应初始阶段，反应温度为75℃时反应速度最快，70℃次之，65 ℃时反应速度最慢，因此温度越高，反应越快；反应中后期，温度越高，反应则越快达到平衡状态，反应温度为75和70℃时，较65℃更快趋近于反应的平衡状态。

图4 702.7 cm_x0010_ 1 处没食子酸特征峰相对强度随时间变化的曲线图

本研究采用在线拉曼光谱对没食子酸甲酯化反应过程进行监测。结果表明，特征峰高的变化趋势可用于反映反应进程。使用一系列质量浓度的没食子酸对照品溶液建立线性回归模型，与PLS模型相比，

对没食子酸质量浓度有更好的预测能力。将该模型用于反应在线监测，可以达到实时获取反应浓度的目的。在本研究中，反应容器到流通池的管路长度和液体流速决定了响应时间，实际生产应用中，可定制

耐强酸腐蚀的插入式探头避免这段滞后时间。对于更加复杂的反应，可能出现难以寻找特征峰或特征峰相互干扰严重的情况，灵活应用光谱预处理方法和多变量分析技术手段，可以提高光谱信息挖掘能力。

上海如海光电的在线拉曼Atropos光谱仪基于在线拉曼光谱技术，以没食子酸甲酯化反应过程为对象，建立该反应过程分析方法，增加对反应过程的了解，为实现工业生产在线监控提供依据。