《Talanta》：Research on molecular dynamics of sucrose hydrolysis process based on mid-infrared evanescent wave absorption spectroscopy technology
编辑推荐：
摘要：本研究基于碲化物锥形光纤，开发了一种高灵敏度的中红外衰减波传感平台。空间光学耦合系统实现了中红外光源与光纤之间的高效光耦合，而锥形碲化物光纤则增强了衰减场与液体分析物之间的相互作用。该平台无需标记物或衍生化处理，即可精准区分葡萄糖（1030 cm-1）和果糖（1060 cm
摘要：
本研究基于碲化物锥形光纤，开发了一种高灵敏度的中红外衰减波传感平台。空间光学耦合系统实现了中红外光源与光纤之间的高效光耦合，而锥形碲化物光纤则增强了衰减场与液体分析物之间的相互作用。该平台无需标记物或衍生化处理，即可精准区分葡萄糖（1030 cm-1）和果糖（1060 cm-1）的结构异构体。在0–2 mol/L范围内，其线性相关系数超过0.98，且在多组分定量分析中几乎不存在交叉干扰。利用蔗糖α-1,2-糖苷键的998 cm-1特征峰，可实现酸催化水解反应的实时连续监测。在高底物浓度下，可准确识别出伪一级动力学规律，其速率常数为3.37×10-4 min-1。该传感器具有出色的稳定性：重复性相对标准偏差低于0.4%，在15-50 °C温度范围内的RSD小于0.64%，并且在pH 1.1-7.2的范围内，经过500分钟连续运行后，其RSD仍保持在0.11%以下。结合偏最小二乘回归模型，蔗糖水解转化率的预测决定系数可达0.987，均方根误差仅为3.60%。这项工作为液相反应的实时动力学分析提供了新方法，同时也为复杂有机系统的多组分定量及动态监测提供了一种经济且可靠的策略。
引言
蔗糖水解反应作为一种典型的酸催化一级反应，在化学动力学领域长期以来都具有重要的研究价值[1]。从理论上而言，它有助于阐释反应速率常数、活化能以及反应级数等核心概念[2]；而在工业应用方面，则涉及食品加工、生物燃料生产以及药物辅料优化等多个领域。其中，水解产物的生成效率直接影响甜味剂的质量以及生物乙醇的转化率[1,3]。近年来，研究重点逐渐转向跨学科的技术创新：一方面，现场光谱技术的引入使得能够实时监测反应中间体[4]，分子动力学模拟则揭示了微观尺度上的质子转移机制[5]；另一方面，绿色催化体系的发展也取得了显著进展，固定化酶催化剂的重复使用性能得到了提升[6]，离子液体协同微波辅助技术则降低了反应的活化能[7]。对蔗糖水解动力学的持续监测为可持续化学工艺及清洁能源的发展提供了理论支持与技术路径。
近年来，虽然有多种检测技术被用于分析蔗糖水解反应，但它们都存在明显的局限性。拉曼光谱虽可实现多组分定量，却易受荧光背景干扰[8]；核磁共振虽能实现生物质反应的在线监测，但却存在信号重叠问题且仪器成本高昂[9,10]；基于光子自旋霍尔效应[11]以及弱测量的光学方法虽然灵敏度较高，但依赖于精密的光学元件，且容易受到基质干扰[12,13]；而酶基葡萄糖仪虽能实现快速检测，但其热稳定性却受限于酶的活性[14]。这些方法要么需要复杂的样品预处理，要么成本高昂，要么容易受到环境因素的影响，因此难以满足复杂系统中实时、经济且通用的检测需求。
作为高速数据传输载体的光纤，其应用范围已覆盖现代社会的各个领域[15,16,17]。其中，石英光纤在光纤技术领域发展最为迅速，但由于石英玻璃的材料红外截止波长限制，其在中红外波段的应用存在很大局限。随着中红外光纤技术的快速发展，越来越多的研究人员开始关注中红外光纤传感器的发展与应用。其中，碲化物光纤能够提供2-12 μm的透射窗口，满足中红外波段光束传输的需求。基于碲化物光纤的光学传感器可将检测信号范围扩展到中红外区域[18,19,20]。由于该区域内存在各种分子的强振动吸收峰，因此这一区域也被称为“分子指纹”区域。在此光谱范围内开展传感研究具有重要意义。中红外光纤方法利用特定化学键对红外光在特征频率处的吸收作用，从而在红外光谱中产生吸收峰。该方法不仅能检测样品中的化学物质及其浓度，还能帮助分析生物组织的变化情况，以及追踪化学或生化反应的进程[21,22]。最近，研究人员着重研究了在中红外波段具有高透射率和化学稳定性的材料。Shiryaev等人系统总结了近年来用于中红外衰减波传感的碲化物玻璃光纤的研究进展，为传感器设计提供了宝贵指导[23]。通过调整中红外玻璃光纤的锥形腰长[24]、采用U形弯曲结构[22]、对称/非对称结构设计[25]以及其他微结构设计，他们增强了中红外衰减波效应，进而提升了液态体系中有机物质的传感灵敏度。
本研究基于锥形碲化物光纤构建了一种中红外衰减波传感平台。这种锥形光纤结构能够增强衰减场的穿透深度，提升光与物质的相互作用效果，再结合空间光学耦合系统，可实现高效的中红外光传输。该平台无需复杂的衍生化处理或繁琐的样品预处理，即可实现葡萄糖和果糖结构异构体在0-2 mol/L范围内的基线分离与同时定量，且几乎不存在交叉干扰。它还可以通过监测998 cm-1糖苷键特征峰的衰减情况，实现对酸催化蔗糖水解反应的全过程实时监测，并在高底物浓度下准确揭示出伪一级动力学规律。此外，还建立了基于偏最小二乘回归的全谱定量模型，可实现水解转化率的高精度预测。该平台为研究各种复杂有机液相体系的动态动力学提供了可靠的现场分析方法。
章节节选
实验材料、仪器及探针制备
详细的实验材料、仪器信息以及传感器探针的制备流程均记载在补充材料中。其中包含了实验中使用的所有材料与仪器的规格及来源信息，同时还详细介绍了锥形光纤传感器探针的制备工艺，以供参考。
中红外传感平台的构建
在中红外光谱分析领域，傅里叶变换红外光谱仪技术因其广泛的
锥形TCF传感器的表征
直径为310 μm的TCF光纤通过CT106专用光纤切割机被精确切割成5 cm长的片段，其端面呈平坦状，如图1(a)所示。平坦的纤维端面能够减少光散射和反射，从而提高耦合效率，使入射光更易于进入光纤核心。随后，这些末端经过抛光的5 cm长TCF片段通过自主研发的低温熔融锥形加工技术被加工成锥形。由此得到的锥形光纤表现出
结论
本文基于含硫化合物锥形光纤构建了一种中红外衰减波传感平台。该平台利用分子振动能级跃迁的特异性吸收特性，实现了葡萄糖和果糖结构异构体的基线分离与精准定量。它在较宽的浓度范围内都能保持良好的线性响应，从而证明了该方法在复杂体系中的定量分析能力
作者贡献说明
刘文文：验证、方法学研究。尹宇：论文撰写与编辑、资金获取、正式分析。李世：方法学研究、资金获取、正式分析。王勋思：资源准备、方法学研究。戴世勋：资源准备、方法学研究。王鹏飞：论文撰写与编辑、实验监督、项目管理、资金获取、概念构思。刘一春：实验监督、概念构思。李沐阳：论文初稿撰写、数据可视化、方法学研究、实验分析、正式分析
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利益冲突或个人关系。
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利益冲突或个人关系。
致谢
本研究得到了中国国家自然科学基金（NSFC）项目编号62225502和62575082的支持，以及中国黑龙江省自然科学基金（项目编号KY12500250008）的资助。
Muyang Li|Lei Dai|Wenwen Liu|Yu Yin|Shi Li|Xunsi Wang|Shixun Dai|Pengfei Wang|Yichun Liu
哈尔滨工程大学物理与光电工程学院，中国哈尔滨150001
