郭 磊，栗彧君，李彥威

(太原理工大學 化學化工學院，太原 030024)

二取代的苯甲醛類化合物大部分為無色至黃色的液體或白色至淡黃色的結(jié)晶，不溶或難溶于水，易溶于醇、醚及通常的有機溶劑中，是重要的醫(yī)藥中間體或有機化工原料[1]，可用于農(nóng)藥、醫(yī)藥、化妝品和染料等眾多產(chǎn)品的合成。此類化合物均具有3種同分異構(gòu)體。對這些化合物異構(gòu)體的分析測定通常采用的方法是色譜法[2-3]、色譜-質(zhì)譜聯(lián)用法[4]以及毛細管電泳[5]等，但這些方法的儀器使用成本比較高、操作較為復雜。目前采用紫外光譜法(ultraviolet spectrophotometry,UV)與化學計量學的多元校正方法相結(jié)合，無需分離就能達到此類化合物同分異構(gòu)體同時測定的目的，而且成本低廉、操作方便、分析快速[6-8]。本文在課題組原有工作[9-11]的基礎上，采用化學計量學中的偏最小二乘法(partial least squares method,PLS)[12]對紫外吸收光譜重疊嚴重、相關(guān)性高的10種二取代苯甲醛化合物各自異構(gòu)體的同時測定進行了研究，取得了良好的實驗結(jié)果。

1 實驗部分

1.1 試劑與儀器

試劑：甲基苯甲醛、硝基苯甲醛、氯苯甲醛(阿法埃莎化學有限公司)；甲氧基苯甲醛(阿拉丁試劑上海有限公司)；羥基苯甲醛(莊信萬豐(上海)化工有限公司)；苯二甲醛、苯氧基苯甲醛、羧基苯甲醛(百靈威科技有限公司)；氟苯甲醛、溴苯甲醛(薩恩化學技術(shù)(上海)有限公司)；無水乙醇(天津市科密歐化學試劑有限公司)。上述試劑均為分析純，實驗用水由Heal Force超純水系統(tǒng)制備。

儀器：UV-1901型紫外可見分光光度計(北京普析通用儀器有限公司)；SK250HP超聲波清洗器(上海科導超聲儀器有限公司)；BS-110S電子天平(北京賽多利斯儀器有限公司)。

1.2 實驗方法

標準溶液的配制：分別準確稱取二取代的苯甲醛類化合物的3種同分異構(gòu)體0.010 0 g于50 mL燒杯中，用少量乙醇溶解后轉(zhuǎn)移至100 mL棕色容量瓶中，以乙醇定容并搖勻，即制備成質(zhì)量濃度為100.00 μg/mL的待用標準溶液。

參照文獻[9-10]的實驗方法，分別配制上述化合物相應的單組分或者三組分混合的待測溶液。通過紫外光譜掃描，獲得它們各單組分及混合物的吸收曲線。同時，在波長221～267 nm的范圍內(nèi)，采集間隔1 nm的吸光度數(shù)據(jù)，然后輸入用MATLAB7.0.1軟件編寫的PLS程序進行處理,計算混合溶液中各組分的含量。

2 結(jié)果與討論

2.1 紫外吸收光譜

依據(jù)實驗方法分別對10種二取代苯甲醛類化合物的鄰、間、對位單組分溶液和三組分的混合溶液進行紫外光譜掃描。得到的10種二取代苯甲醛化合物各自鄰、間、對位同分異構(gòu)體單組分溶液的紫外吸收光譜均有不同程度的重疊，相關(guān)性比較高。以重疊最為嚴重的氟苯甲醛為例，其紫外吸收光譜如圖1所示。異構(gòu)體間相互重疊越嚴重，相互干擾的程度就越大，此時采用常規(guī)的光譜法是難以對化合物3種同分異構(gòu)體進行同時測定的。

1—鄰氟苯甲醛；2—間氟苯甲醛；3—對氟苯甲醛；4—3種異構(gòu)體混合物圖1 鄰、間、對位氟苯甲醛及其混合物的紫外吸收光譜 Fig.1 Absorption spectra of o-,m-,p- fluorobenzaldehyde and their mixture

2.2 吸光度加和性的考察及波長區(qū)間的選擇

按照實驗方法，在190～350 nm波長范圍內(nèi)，分別測定10種二取代苯甲醛類化合物各自同分異構(gòu)體的單組分溶液在各波長點處的吸光度值，計算得到化合物鄰、間、對位三組分吸光度的加和值A′。同時測定混合物的吸光度值A，以(A′-A)/A對波長λ作圖，結(jié)果見圖2.

為了保證測定結(jié)果的準確性，要求A與A′值應盡可能相近，本實驗取其相對偏差小于±10%.由圖2可知，10種化合物在波長221～267 nm范圍內(nèi)的A與A′值基本吻合，相對偏差滿足要求。因此，本實驗選擇的適宜光譜數(shù)據(jù)測量區(qū)間為221～267 nm，并且間隔1 nm采集一次吸光度值。

圖2 不同化合物(A′-A)/A隨λ的變化曲線 Fig.2 The curve of (A′-A)/A of different compounds with wavelength λ

2.3 單組分線性關(guān)系的考察

依據(jù)實驗方法，在質(zhì)量濃度2.00～20.00 μg/mL范圍內(nèi)，以2.00 μg/mL為間隔配制一系列不同質(zhì)量濃度的、二取代苯甲醛化合物的鄰、間、對單組分標準溶液。在波長221～267 nm范圍內(nèi)，以化合物各自的最大吸收波長進行吸光度的測定，同時進行線性回歸。實驗數(shù)據(jù)表明，10種化合物的鄰、間、對3種同分異構(gòu)體在所選質(zhì)量濃度范圍內(nèi)與其吸光度呈現(xiàn)良好的線性關(guān)系，相關(guān)系數(shù)在0.990 8～0.999 9之間。

2.4 化合物相關(guān)系數(shù)及吸光度的比較

根據(jù)向量間相關(guān)系數(shù)的計算方法[13]，可得到鄰、間位，鄰、對位和間、對位化合物之間的相關(guān)系數(shù)a、b、c.其中，鄰位的相關(guān)系數(shù)為(a+b)/2，間位的相關(guān)系數(shù)為(a+c)/2，對位的相關(guān)系數(shù)為(b+c)/2，而該化合物的平均相關(guān)系數(shù)為(a+b+c)/3.相關(guān)系數(shù)計算結(jié)果見表1.

同時取質(zhì)量濃度均為12.00 μg/mL的、10種化合物鄰位、間位、對位的單組分標準溶液和三組分混合溶液，在波長221～267 nm范圍內(nèi)進行掃描。比較鄰位、間位、對位化合物及其混合物的平均吸光度，結(jié)果見表2.

表1 二取代苯甲醛化合物相關(guān)系數(shù)的比較Table 1 The comparison of correlation coefficient for disubstituted benzaldehyde compounds

表2 二取代苯甲醛化合物平均吸光度的比較Table 2 The comparison of average absorption intensity for disubstituted benzaldehyde compounds

表1表明：10種化合物中氟苯甲醛和甲基苯甲醛異構(gòu)體間的相關(guān)系數(shù)平均值比較大，其光譜信號重疊嚴重，相互干擾較大；而甲氧基苯甲醛異構(gòu)體間的相關(guān)系數(shù)平均值最小，其光譜信號重疊相對較小，相互干擾比較小。這一計算結(jié)果與化合物的紫外吸收光譜圖相吻合。

由表2可知，鄰苯二甲醛的平均吸光度僅為0.061 9，而其余化合物的吸光度均大于0.200 0.通常情況下，所測化合物的光譜信號強度越小，其測定靈敏度就越低，測定誤差就相對越大。因此，在苯二甲醛3種異構(gòu)體的同時測定中，鄰苯二甲醛的測定誤差比較大。

2.5 模型的建立

2.5.1校正模型的建立

參照文獻[10]進行校正模型的建立。三組分的質(zhì)量濃度分別選取3.00，6.00，9.00，12.00 μg/mL 4個水平，配制成16組合成樣品作為校正集。每個測試樣品的質(zhì)量濃度組成見表3.

表3 校正集樣品質(zhì)量濃度的組成Table 3 The sample concentration of calibration set

2.5.2主成分數(shù)的確定

主成分數(shù)是PLS模型的重要參數(shù)，其取值對預測結(jié)果的準確度影響比較大。本實驗模型的建立選用交互驗證法，各化合物的最佳主成分數(shù)及預報誤差平方和(PRESS)如表4所示。

表4 不同化合物的PLS模型參數(shù)Table 4 The parameters of PLS method of different compounds

由表4可知，10種化合物中除苯二甲醛的PRESS大于0.800 0外，其余9種化合物的PRESS均小于0.400 0.這表明所建模型對苯二甲醛的預測準確度相對比較低，而對于其余9種化合物均具有良好的預測能力。此結(jié)果與2.4部分的預判相吻合。

2.6 模型預測性能的比較

采用與文獻[10]相同的方法建立預測集，對所建模型的預測能力進行檢驗。同時，采用平均回收率(AR)和預測均方根誤差(RMSEP)對結(jié)果進行評價，見表5.

由表5可以看出，除鄰苯二甲醛外，其他化合物的平均回收率均在90.67%～111.57%之間，RMSEP≤0.95.這表明所建模型對其余9種二取代苯甲醛各自同分異構(gòu)體的同時測定具有良好的預測能力，這與2.5部分所得結(jié)論相一致。此外，甲基苯甲醛和氟苯甲醛的鄰、間位異構(gòu)體的RMSEP均大于0.50，其預測結(jié)果與其他化合物相比相對較差。這主要是由于上述兩種化合物各自3種異構(gòu)體的吸收光譜重疊嚴重，其相關(guān)系數(shù)平均值均大于0.900 0(見表1)，相互干擾比較大所致。

表5 合成樣品預測能力的比較Table 5 Comparison of the prediction performances for synthetic samples

2.7 方法的精密度試驗及結(jié)果比較

按照實驗方法，配制鄰、間、對位二取代的苯甲醛類化合物質(zhì)量濃度均為6.00 μg/mL的混合溶液，平行測定8次，并進行化合物之間的比較。結(jié)果顯示，除苯二甲醛和氟苯甲醛外，所建立的方法對其余8種化合物各自異構(gòu)體的同時測定均具有良好的重現(xiàn)性，相對標準偏差(RSD)均小于1.1%.

2.8 本文方法的加標回收率實驗

按照實驗方法，分別將二取代苯甲醛化合物配制成鄰、間、對位質(zhì)量濃度均為3.00 μg/mL的合成樣品。在測定其吸光度值后，加入一定量的標準溶液后再進行吸光度的測定。實驗采用正交表L4(23) 構(gòu)建方法的加標回收率測定，分別選取3.00 μg/mL和6.00 μg/mL兩個水平，配制成4組混合標準溶液。實驗結(jié)果顯示：所建方法對于10種化合物各自異構(gòu)體的測定，其加標回收率均在80.01%～112.45%之間；除鄰苯二甲醛外，其余化合物的預測均方根誤差(RMSEP)≤1.0，顯示出測定方法的準確度良好。

3 結(jié)論

本實驗所建立的偏最小二乘-紫外光譜法可用于多種二取代苯甲醛類化合物各自同分異構(gòu)體混合溶液中三組分的同時測定。實驗結(jié)果表明，在選定的波長范圍內(nèi)，化合物的吸光度太小，將影響所建模型預測結(jié)果的準確度，致使方法的精密度和準確度降低。同時，化合物同分異構(gòu)體間的相關(guān)系數(shù)越大，相互干擾越大，也會對測定結(jié)果產(chǎn)生不利的影響。