《Spectrochimica Acta Part A: Molecular and Biomolecular Spectroscopy》：Raman quantification of (R)-(+)-limonene in mineral oil: An integrated PCA/PLS and DFT–PED approach
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摘要本研究开发了一种基于拉曼光谱的方法，通过光谱预处理、PCA/PLS化学计量分析以及DFT辅助的振动解析，用于测定矿物油中(R)-(+)-柠檬烯的含量。研究人员准备了1%至50%（质量比）共7个浓度的样品，每个浓度设置5次独立测量，以评估光谱重复性。实验光谱显示，由于烃类基质的
摘要
本研究开发了一种基于拉曼光谱的方法，通过光谱预处理、PCA/PLS化学计量分析以及DFT辅助的振动解析，用于测定矿物油中(R)-(+)-柠檬烯的含量。研究人员准备了1%至50%（质量比）共7个浓度的样品，每个浓度设置5次独立测量，以评估光谱重复性。实验光谱显示，由于烃类基质的强烈干扰，强烈的脂肪族C-H伸缩谱带并非测定柠檬烯的最优区域。而与环己烯环和乙烯基团中的C=C伸缩振动相关的1700–1600?cm?1谱段则具有更高的分析特异性。气相及庚烷介质中的DFT计算结合PED分析，为主要拉曼谱带的归属提供了依据。HOMO、LUMO和MEP分析进一步表明，在这两种条件下，不饱和区域都是该分子中电子结构差异最明显的部分。PCA分析显示光谱组织与浓度相关，组内离散度较低；而基于全部预处理光谱构建的PLS模型则通过3个潜变量实现了良好的内在预测性能，其R2值为0.990，RMSEC值为1.70%（质量比），平均回收率为104.8%，平均相对误差为4.8%。因此，该方法适用于在所研究范围内测定烃类基质中柠檬烯的含量，不过还需进一步的独立验证来评估其外部稳健性及在更低浓度下的适用性。
引言
(R)-(+)-柠檬烯是一种手性单萜，广泛存在于植物源基质中，尤其是柑橘制品、芳香剂、溶剂、粘合剂、生物材料以及化学回收系统中[1]、[2]、[3]。从分子结构角度而言，它的重要性不仅在于其含量丰富且应用广泛，还在于其振动响应的复杂性。其灵活的手性结构以及内环和外环的不饱和键使得其拉曼光谱包含丰富的结构信息[4]、[5]。先前的研究表明，柠檬烯在液态环境中可能存在多种构象，因此结合振动光谱分析与电子结构计算，可为解释其光谱谱带以及不同分子排列对光谱响应的影响提供有效思路[6]、[7]。
拉曼光谱在有机介质中分析柠檬烯方面具有独特优势，因为它能够快速、无损地获取振动特征信息，且样品制备要求较低。该技术对C=C键的变化、碳骨架的变形以及涉及乙烯基和异丙烯基团的振动模式尤为敏感[8]、[9]。针对(R)-(+)-柠檬烯，以往的红外和拉曼研究都发现了复杂的液态光谱，其中存在信号重叠以及多种构象贡献，这需要借助DFT计算和振动标度方法进行细致的分子结构解析[10]。同样，拉曼强度和拉曼光学活性研究也表明，2000?cm?1以下的谱段包含了与分子骨架及不饱和部分相关的关键结构信息[11]、[12]、[13]。
然而，目前大多数关于柠檬烯的光谱研究都集中在分子特征描述、构象确定以及手性光学特性分析上，而非在含油或烃类丰富的基质中进行定量分析[14]。这一现状存在一定的分析缺陷，因为在实际应用中，柠檬烯常常存在于复杂的有机介质中，此时直接定量可能会受到光谱重叠、基质干扰以及化学性质相似的烃类信号的干扰。矿物油是一种合适的模型基质，因其石蜡结构会在脂肪族C-H伸缩谱段产生强烈的拉曼信号，而这一区域正是柠檬烯信号可能出现重叠的地方[18]、[19]。因此，在这类基质中测定柠檬烯含量时，不能仅依赖强度最高的拉曼谱带，而需识别具有更高分子选择性的谱段，并运用化学计量学方法从重叠的光谱图中提取与浓度相关的信息[20]、[33]。
从分析角度来看，测定矿物油中(R)-(+)-柠檬烯的含量对于那些将单萜添加到载体油、香精混合物、溶剂混合物以及涉及烃类介质的质量控制体系中的应用非常重要。在这些应用场景中，柠檬烯的存在浓度往往为百分比级，而非微量级，因此快速、无损的监测方法对于配方验证、成分检测以及日常工艺控制具有重要意义。本研究的目的并非开发一种微量检测方法，而是建立一种基于拉曼光谱与化学计量学的策略，用于在可控浓度范围内测定烃类丰富基质中的柠檬烯含量。
该分析方法面临的挑战在于分析物与基质在化学性质上的相似性。柠檬烯和矿物油都属于烃类物质，在以C-H振动为主的谱段都会产生强烈的拉曼响应。因此，强度最高的谱段未必是最适合选择性定量的区域。该方法的实用性取决于能否将柠檬烯特有的信息——主要是与其不饱和部分及相关特征谱带相关的信息——从基质中的通用烃类背景中区分出来。这也正是为何需要结合光谱预处理、PCA/PLS化学计量建模以及DFT-PED辅助的振动归属分析等方法[14]、[20]、[24]、[33]的原因。
选择1%至50%（质量比）的浓度范围，是为了在更广泛的配方相关范围内评估拉曼光谱定量分析的可行性，同时判断该谱段的响应是否仍具备足够的结构特征以用于多变量校准。尽管在高浓度下可能会出现较大的光谱差异，但由于基质信号的强烈干扰，有必要确定哪些谱段能够提供有选择性的分析信息，以及全谱段PLS方法是否能够可靠地模拟浓度相关的响应。总体而言，本研究为基于拉曼光谱监测烃类基质中柠檬烯的方法提供了方法学基础，同时也指出若要扩展到更低浓度范围，还需要进一步的校准与验证工作。
因此，本研究的目的是开发并验证一种基于拉曼光谱的方法，用于在7个不同浓度下测定矿物油中的(R)-(+)-柠檬烯，每个浓度设置5次独立重复测量。该方法整合了直接光谱分析、作为探索工具的PCA分析以及作为定量模型的PLS回归分析。此外，还通过DFT计算和PED分析来辅助振动归属，并对那些呈现浓度依赖性响应的谱段进行分子层面的解释。通过这种方式，本研究将仪器重复性、化学计量学建模以及分子层面分析整合到了同一个分析框架之中。
章节节选
材料
本研究分析的对象是来自Sigma-Aldrich的(R)-(+)-柠檬烯，纯度为97%。实验中使用的光谱级矿物油既作为分散介质，也作为分析基质。无需进一步纯化处理，所有试剂均直接使用。
溶液的制备
在1%、5%、10%、20%、30%、40%和50%（质量比）的矿物油中，通过重量法制备了一系列(R)-(+)-柠檬烯溶液，以此确保成分的精确控制以及不同浓度下的良好重复性。
(R)-(+)-柠檬烯溶液的光谱行为
图1显示，在每个浓度下，多次测量的拉曼光谱之间具有非常高的相似度，这体现了仪器良好的重复性以及组内数据较低的离散度。从分析角度来看，这说明实验所得的变异程度低于由混合成分引起的化学变异，而这正是后续运用化学计量学方法的基础。不过从光谱学角度看，图中最重要的不仅在于重复性，还有
结论
本研究通过光谱预处理、PCA/PLS化学计量分析以及DFT-PED辅助的振动解析，开发了一种基于拉曼光谱的方法，用于测定矿物油中(R)-(+)-柠檬烯的含量。在该研究的1%至50%（质量比）浓度范围内，该方法展现了良好的内在预测性能。
实验光谱显示，强烈的脂肪族C-H伸缩谱带并非测定柠檬烯的最佳区域，因为无论是柠檬烯还是
未引用参考文献
[15]、[16]、[17]、[21]、[22]、[23]、[25]、[41]、[42]、[45]、[46]、[47]、[61]
利益冲突声明
作者声明，他们不存在任何可能影响本文研究结果的已知财务利益或个人关系。
Joaquín Hernández-Fernández|Jhojan Salcedo-Castellar
哥伦比亚卡塔赫纳大学自然与精确科学系化学专业，圣巴勃罗校区，卡塔赫纳德印第亚斯130015
