常用的反應(yīng)監(jiān)測方法包括滴定、高效液相色譜、薄層色譜、氣相色譜等。這些檢測方法，通常需要對樣品進(jìn)行復(fù)雜的前處理，且檢測時間長，難以滿足反應(yīng)過程監(jiān)測與控制要求。近年來，近紅外光譜、拉曼光譜、核磁共振波譜等過程分析技術(shù)逐漸應(yīng)用于化學(xué)反應(yīng)過程實時監(jiān)測，及時獲取反應(yīng)動力學(xué)、形態(tài)變化、反應(yīng)終點時間、反應(yīng)物和產(chǎn)物質(zhì)量濃度等信息。

酯化反應(yīng)過程中有水生成，逐漸由有機相體系轉(zhuǎn)變?yōu)樗w系。水分子是一個較差的拉曼散射體，使用拉曼光譜檢測水體系中的有機官能團(tuán)振動是較為方便的；近紅外光譜則會受到水的強烈影響，在水體系中進(jìn)行其他成分的鑒定和定量較為困難。

另外，核磁共振波譜使用成本較高。

利用激光與物質(zhì)分子相互作用產(chǎn)生的、具有“指紋”特性的拉曼散射光譜，通過專門設(shè)計的工業(yè)探頭和系統(tǒng)，在工藝流程中原位、實時地獲取光譜信息，并借助化學(xué)計量學(xué)模型將其轉(zhuǎn)化為精確的組分濃度數(shù)據(jù)，最終實現(xiàn)生產(chǎn)過程的連續(xù)監(jiān)控與智能控制。

由上海如海光電科技有限公司提供的在線拉曼光譜儀。

2.1 沒食子酸甲酯化反應(yīng)與實驗裝置 

沒食子酸甲酯化反應(yīng)的化學(xué)反應(yīng)方程式(圖 1)為：

實驗裝置示意圖如圖 2 所示。向四頸燒瓶中加入定量甲醇和沒食子酸(按工業(yè)生產(chǎn)等比例縮小)，升溫溶解后降至常溫，在控溫條件下滴加濃硫酸，升溫至反應(yīng)溫度，回流 6 h。

2.2 拉曼光譜采集 

由于反應(yīng)體系具有強酸性和腐蝕性，插入式探頭容易被腐蝕，因此采用流通池結(jié)構(gòu)實現(xiàn)光譜對反應(yīng)體系的在線檢測，即通過蠕動泵使燒瓶中的溶液泵出，溶液流經(jīng)流通池，經(jīng)探頭檢測后，流回?zé)?。探頭與反應(yīng)溶液之間用石英流通池隔開，探頭由金屬模塊固定。其中，到達(dá)流通池前經(jīng)過的管路長 68 cm，按流速 14 mL·min_x0010_ 1 計算測量時滯約 88 s，與 6 h 的反應(yīng)時間相比，可以忽略該時段內(nèi)反應(yīng)溶液的變化，因此滿足在線監(jiān)測要求。拉曼光譜采集參數(shù)為：光譜范圍 172.91~3201.75 cm- 1，激光強度500mW，積分時間 20 s，平均次數(shù) 3 次，每張光譜采集間隔時間為0 s，每組實驗可采集 351 張光譜。在不同反應(yīng)溫度下進(jìn)行 3 組實驗，共采集 1053 張光譜。 

2.3 參考值分析 

使用高效液相色譜(high performance liquid chromatography，HPLC)法分析反應(yīng)過程中沒食子酸質(zhì)量濃度。每組實驗中，0~1 h 每 5 min 取樣一次，1~3 h 每 10 min 取樣一次，3~5 h 每 20 min 取樣一次，5~6 h 每 30 min 取樣一次，每次取樣 400 μL，冷卻至常溫后用水稀釋 125 倍，得供試品溶液。每組實驗33個樣品，3 組實驗共 99 個樣品。 色譜柱 Agilent Zorbax SB-C18 柱(4.6 mm×250 mm，5 μm)；流動相 A 為甲醇，流動相 B 為 0.05%(體積分?jǐn)?shù))磷酸-水溶液，采用梯度洗脫程序：0~10 min，5% A~10% A；10~26 min，10% A~30% A；26~27 min， 30% A~80% A；27~37 min，80% A~80% A。流速為 1 mL·min_x0010_ 1 ，進(jìn)樣量為 5 μL，柱溫為 25 ℃，檢測波長 269 nm。按上述色譜條件進(jìn)行方法學(xué)考察：沒食子酸檢測質(zhì)量濃度在 0.016 6~2.076 2 mg·mL?1時，與峰面積相關(guān)系數(shù)R2為 0.999 86；精密度的相對標(biāo)準(zhǔn)偏差(relative standard deviation，RSD)為 0.20%；重復(fù)性的 RSD 為 0.56%；沒食子酸低、中、高質(zhì)量濃度平均加樣回收率為 101.09%，RSD 為 0.81%；48 h 內(nèi)穩(wěn)定性的 RSD為 0.73%。

2.4 校正模型建立 

以甲醇為溶劑配制 19 個質(zhì)量濃度為 2.985 0~208.032 3 mg·mL?1 的沒食子酸對照品溶液，流速設(shè)定為14.0 mL·min?1 ，每個質(zhì)量濃度的對照品溶液測定 3 張拉曼光譜，共計獲得 57 張光譜。使用 Unscrambler X 10.4 軟件對基線進(jìn)行基線偏移和線性基線校正，以減少實驗過程中儀器和環(huán)境造成的不可預(yù)測的變化；使用 Savitzky-Golay 平滑法進(jìn)行平滑處理，多項式階數(shù)設(shè)為 3，窗口寬度設(shè)為 13。以一元線性回歸方法和偏最小二乘(partial least squares，PLS)回歸算法建立沒食子酸甲酯化反應(yīng)過程中拉曼光譜與沒食子酸濃度的定量校正模型。使用決定系數(shù) R2 、校正均方根誤差(RMSEC)和驗證均方根誤差(RMSEP)對模型進(jìn)行評價。

3.1 光譜特征峰分析

將一定量的沒食子酸和沒食子酸甲酯粉末溶于甲醇中，測得的拉曼光譜如圖 3 所示。沒食子酸的特征峰在 702.7、792.6 和 957.5 cm_x0010_ 1 ，沒食子酸甲酯在 747.9 和 916.3 cm- 1 處有明顯的特征峰。

3.2 校正模型的建立 

使用 Origin 2019b 軟件對拉曼位移分別為 702.7、792.6和 957.5 cm_x0010_ 1 這 3 個形態(tài)較好的沒食子酸特征峰，以峰高為 x，沒食子酸質(zhì)量濃度為 y，進(jìn)行線性回歸，求得標(biāo)準(zhǔn)曲線，計算其 R2 和 RMSEC，如表 1 所示。結(jié)果表明，沒食子酸的檢測質(zhì)量 濃度在 2.985 0~208.032 3 mg·mL- 1時，與特征峰相對強度表現(xiàn)出良好的線性關(guān)系，R2 均大于 0.999，且重復(fù)性良好，滿足定量要求。間隔選取 7 個對照品溶液分別在 18.5 和 9.5 mL·min?1 流速下測定 3 次拉曼光譜，使用上述的線性回歸模型進(jìn)行預(yù)測，考察流速對光譜測量系統(tǒng)的性能影響。

結(jié)果如表2 所示，RMSEP 均小于 3 mg·mL- 1。因此，流速對光譜測量系統(tǒng)的性能影響極小，在 9.5~18.5 mL·min?1 的流速范圍內(nèi)可以忽略。

3.3 沒食子酸甲酯化反應(yīng)過程監(jiān)測

進(jìn)行沒食子酸甲酯化反應(yīng)，流通池內(nèi)溶液流速設(shè)定為 14.0 mL·min- 1 。以校正模型對沒食子酸質(zhì)量濃度進(jìn)行預(yù)測。將預(yù)測值與 HPLC 分析得到的質(zhì)量濃度值進(jìn)行比較，評估模型性能如表 3 所示。反應(yīng)溫度為 65、70、75 ℃時，線性范圍內(nèi)分別有 32、33、30 個樣品用于預(yù)測。

沒食子酸甲酯位于 747.9 和 916.3 cm- 1 處的特征峰，對沒食子酸位于 792.6 和 957.5 cm?1 處的特征峰影響較大，因此預(yù)測結(jié)果不佳。沒食子酸 702.7 cm- 1 處的特征峰受干擾較小，具有較好的預(yù)測能力，且在 65~75 ℃，RMSEP 均小于 3.4 mg·mL?1 。

不同波段建立的模型，R2均大于 0.9995，RMSEC均小于線性回歸模型的RMSEC；在不同反應(yīng)溫度下 RMSEP 差別較大，模型預(yù)測性能不佳。

一般來說，PLS 模型使用范圍較寬的波段進(jìn)行建模，可以提取光譜中更多的隱藏信息，但在該反應(yīng)中建模效果不佳?？赡苁怯捎诒緦嶒炛惺褂脹]食子酸對照品溶液進(jìn)行建模，PLS 模型未掌握沒食子酸甲酯相關(guān)信息。因此在沒食子酸甲酯特征峰的干擾下，無法做出精準(zhǔn)的預(yù)測。

綜上所述，針對不同反應(yīng)溫度的沒食子酸甲酯化反應(yīng)，由沒食子酸對照品溶液拉曼光譜建立的線性回歸模型，相對于PLS 模型，具有更好的預(yù)測性能。

以拉曼位移為 702.7 cm- 1 處的特征峰高對 65、70 和 75 ℃反應(yīng)溫度下沒食子酸質(zhì)量濃度進(jìn)行預(yù)測(圖 4)，預(yù)測結(jié)果與 HPLC 分析得到的變化趨勢基本吻合，RMSEP 分別為 3.248 3、3.3143和3.175 6 mg·mL- 1 。

以 3 個特征峰波段進(jìn)行 PLS 建模，結(jié)果如表 4 所示。

以反應(yīng)溫度為 75 ℃下獲得的預(yù)處理后的 351 張拉曼光譜圖(局部)為例，說明反應(yīng)物和產(chǎn)物特征峰隨反應(yīng)時間的變化情況(圖5)。沒食子酸的特征峰隨反應(yīng)的進(jìn)行，相對強度逐漸降低；沒食子酸甲酯的特征峰則隨反應(yīng)的進(jìn)行，相對強度逐漸升高，符合化學(xué)反應(yīng)規(guī)律。

以拉曼光譜數(shù)為橫軸，相對強度為縱軸，繪制不同反應(yīng)溫度下，拉曼位移 702.7 cm_x0010_ 1 處沒食子酸特征峰相對強度隨時間變化的曲線圖(圖 6(a))。為了更直觀地觀察反應(yīng)速率隨時間的變化，使用 Unscramber 軟件計算一階導(dǎo)數(shù)并進(jìn)行 Savitzky-Golay 平滑處理(圖6(b))，多項式階設(shè)為 2，窗口寬度設(shè)為 13。反應(yīng)初始階段，反應(yīng)溫度為 75 ℃時反應(yīng)速度最快，70 ℃次之，65 ℃時反應(yīng)速度最慢，因此溫度越高，反應(yīng)越快；反應(yīng)中后期，溫度越高，反應(yīng)則越快達(dá)到平衡狀態(tài)，反應(yīng)溫度為 75 和 70 ℃時，較 65 ℃更快趨近于反應(yīng)的平衡狀態(tài)。

本研究采用在線拉曼光譜對沒食子酸甲酯化反應(yīng)過程進(jìn)行監(jiān)測。結(jié)果表明，特征峰高的變化趨勢可用于反映反應(yīng)進(jìn)程。使用一系列質(zhì)量濃度的沒食子酸對照品溶液建立線性回歸模型，與 PLS 模型相比，對沒食子酸質(zhì)量濃度有更好的預(yù)測能力。將該模型用于反應(yīng)在線監(jiān)測，可以達(dá)到實時獲取反應(yīng)濃度的目的。

在本研究中，反應(yīng)容器到流通池的管路長度和液體流速決定了響應(yīng)時間，如海光電的浸入式探頭可防腐蝕，探頭在硫酸、鹽酸、硝酸、氟化氫等強腐蝕性體系中均適用，可避免反應(yīng)的滯后時間。對于更加復(fù)雜的反應(yīng)，可能出現(xiàn)難以尋找特征峰或特征峰相互干擾嚴(yán)重的情況，靈活應(yīng)用光譜預(yù)處理方法和多變量分析技術(shù)手段，可以提高光譜信息挖掘能力。