《Spectrochimica Acta Part A: Molecular and Biomolecular Spectroscopy》：Online IR spectroscopic quantification and reaction process analysis in continuous flow system
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彭世杰|徐启月|丁炯|胡东方|冯贵峰|吴慧清|任宇|倪立伟中国吉利学院热分析技术与仪器研究所，杭州310018，中国摘要由于连续流动在反应控制和高热/质量传递效率方面的优势，它被广泛用于化学合成。然而，目前的组分浓度量化技术（包括在线仪器）仍然需要大量的离线实验来为每个反应系统建
彭世杰|徐启月|丁炯|胡东方|冯贵峰|吴慧清|任宇|倪立伟
中国吉利学院热分析技术与仪器研究所，杭州310018，中国
摘要
由于连续流动在反应控制和高热/质量传递效率方面的优势，它被广泛用于化学合成。然而，目前的组分浓度量化技术（包括在线仪器）仍然需要大量的离线实验来为每个反应系统建立量化模型，这限制了连续流动反应的分析效率。在这项工作中，我们利用在线傅里叶变换红外光谱（FTIR）与动态流速控制相结合，建立了一种连续流动反应系统的定量分析方法。通过连续调整流速生成的红外光谱数据，利用人工神经网络构建了一个量化模型，并用于实时监测反应和预测反应物及产物的浓度。此外，还通过在不同流速下的连续流动实验进行了动力学分析和反应条件优化。结果表明，该方法能够实现连续流动反应的快速和连续定量分析，为反应监测和过程优化提供了一种有效的方法。
引言
近年来，连续流动反应技术在化学和制药行业受到了广泛关注。与传统批次反应相比，连续流动系统具有高热传递效率、可控的材料输送、良好的安全性和放大能力等优点，因此特别适合于快速、高效和自动化的合成过程[1]、[2]、[3]、[4]、[5]。在连续流动系统中，反应物通过泵控制连续进入反应器，并在受控条件下转化为产物，从而实现真正的在线自动化操作。然而，这类系统的定量分析和动力学研究仍存在技术挑战，包括实时采样的困难、浓度变化迅速以及复杂的多变量数据处理问题。传统的离线采样分析通常需要中断反应，这使得难以捕捉反应过程中的连续浓度变化，从而导致实验效率低下和数据点稀少，从而限制了对整个过程的动态分析[6]、[7]、[8]、[9]。傅里叶变换红外（FTIR）光谱技术具有快速、无损和同时检测多组分的优势，在连续流动系统中可以直接通过分子振动特征峰的变化反映组分的浓度变化[10]、[11]、[12]。结合ATR探针，可以实现液相系统的实时在线监测[13]、[14]、[15]。FTIR已在连续流动反应中的转化跟踪、中间体检测和副产物分析中得到成功应用[16]、[17]、[18]、[19]。
然而，红外光谱信号与组分浓度之间的关系通常不是简单的线性对应关系。为了从复杂的光谱数据中提取定量信息，研究人员通常采用化学计量方法进行建模。其中，偏最小二乘回归（PLS）是最常用的多变量校准技术之一，已广泛应用于FTIR和近红外光谱中的组分定量分析[20]。此外，主成分分析（PCA）、多元线性回归（MLR）和支持向量机（SVM）等方法也被用于光谱定量建模[21]。近年来，神经网络技术在光谱定量建模中展现了显著的优势。该方法可以直接从光谱序列中提取特征，并在处理非线性、多峰重叠和基线漂移等复杂光谱问题方面表现出色[22]、[23]。此外，可解释性技术可以揭示模型关注的关键光谱区域，提高其可信度[24]、[25]、[26]。现有研究已将ATR-FTIR或中红外光谱与神经网络结合，用于材料识别、浓度预测和混合物分析[27]、[28]。
基于此，本研究重点关注连续流动反应过程的红外光谱定量分析，并提出了一种适用于动态系统的快速建模和分析策略。构建了一个覆盖广泛浓度范围的动态样本集，以实现高效的模型训练。在建立定量人工神经网络模型的同时，引入了可解释性分析方法来解析模型关注的关键光谱区域。在此基础上，实现了连续流动反应的全过程监测，并进一步应用于反应动力学参数的计算和反应条件的优化。本研究为连续流动反应过程的在线定量分析提供了一个通用的研究框架。
章节摘录
材料与方法
在本研究中，使用了Paal–Knorr（PK）缩合反应来演示分析过程，如方案1所示。该反应过程可以通过一系列连续的反应步骤最终生成目标产物1-(2-羟乙基)-2,5-二甲基吡咯。假设所有反应都是不可逆的，并且IM2的脱水速率极快，则可以从IM1生成产物的速率等同于从IM2生成产物P的速率[29]。
流速调节下的定量建模结果
在连续流动实验中，收集了624个红外光谱，分别对应于乙醇胺-甲醇溶液、2,5-己二酮-甲醇溶液和1-(2-羟乙基)-2,5-二甲基吡咯-甲醇溶液，共进行了4轮光谱数据采集，如图3(a)所示。图3(b)显示了由泵控制的浓度趋势以及1D-CNN模型预测的浓度。2,5-己二酮的实际浓度曲线和预测浓度曲线都表现出周期性趋势
结论
本研究提出了一种基于流速比调节的动态浓度建模方法，用于连续流动反应过程中红外光谱的在线定量分析。通过在总流速恒定的条件下连续改变流速比，快速构建了具有浓度梯度的光谱样本集，提高了数据采集效率并减少了实验工作量。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的财务利益或个人关系。
致谢
本研究得到了中国国家重点研发计划（项目编号：2023YFB3209605）、浙江省自然科学基金（项目编号：LQ24F030008）、浙江省“先锋”和“领头雁”研发计划（项目编号：2025C02002）、浙江省自然科学基金（项目编号：LQN26B060003）、应急管理部重点科学技术计划（项目编号：2025EMST060901）以及基础研究的支持。
