红外吸收光谱法在食品工业中的应用
2007-12-01 18:25阅读：
题 目红外吸收光谱法在食品工业中的应用
摘要：19世纪初人们通过实验证实了红外光的存在。二十世纪初人们进一步系统地了解了不同官能团具有不同红外吸收频率这一事实。1950年以后出现了自动记录式红外分光光度计。随着计算机科学的进步，1970年以后出现了傅立叶变换型红外光谱仪。红外测定技术如全反射红外、显微红外、光声光谱以及色谱-红外联用等也不断发展和完善，使红外光谱法得到广泛应用。
关键词：红外光谱 食品 应用 分析
一、红外吸收光谱法简介
1、定义：红外吸收光谱又称红外分光光度法。它是利用物质对红外电磁辐射的选择性吸收特性来进行结构分析、定性和定量分析的一种分析方法。
分子的振动能量比转动能量大，当发生振动能级跃迁时，不可避免地伴随有转动能级的跃迁，所以无法测量纯粹的振动光谱，而只能得到分子的振动—转动光谱，这种光谱称为红外吸收光谱。
红外吸收光谱也是一种分子吸收光谱。当样品受到频率连续变化的红外光照射时，分子吸收了某些频率的辐射，并由其振动或转动运动引起偶极矩的净变化，产生分子振动和转动能级从基态到激发态的跃迁,使相应于这些吸收区域的透射光强度减弱。做红外光的百分透射比与波数或波长关系曲线，就得到红外光谱。
2、红外光区的划分
红外光谱在可见光区和微波光区之间，波长范围约为 0.75 ~
1000µm，根据仪器技术和应用不同，习惯上又将红外光区分为三个区：近红外光区（0.75 ~ 2.5µm ），中红外光区（2.5 ~
25µm ），远红外光区（25 ~ 1000µm ）。
近红外光区（0.75 ~ 2.5µm ）
近红外光区的吸收带主要是由低能电子跃迁、含氢原子团（如O—H、N—H、C—H）伸缩振动的倍频吸收等产生的。该区的光谱可用来研究稀土和其它过渡金属离子的化合物，并适用于水、醇、某些高分子化合物以及含氢原子团
化合物的定量分析。
中红外光区（2.5 ~ 25µm ）
绝大多数有机化合物和无机离子的基频吸收带出现在该光区。由于基频振动是红外光谱中吸收最强的振动，所以该区最适于进行红外光谱的定性和定量分析。同时，由于中红外光谱仪最为成熟、简单，而且目前已积累了该区大量的数据资料，因此它是应用极为广泛的光谱区。通常，中红外光谱法又简称为红外光谱法。
远红外光区（25 ~ 1000µm ）
该区的吸收带主要是由气体分子中的纯转动跃迁、振动-转动跃迁、液体和固体中重原子的伸缩振动、某些变角振动、骨架振动以及晶体中的晶格振动所引起的。
由于低频骨架振动能很灵敏地反映出结构变化，所以对异构体的研究特别方便。此外，还能用于金属有机化合物（包括络合物）、氢键、吸附现象的研究。但由于该光区能量弱，除非其它波长区间内没有合适的分析谱带，一般不在此范围内进行分析。
3、红外吸收光谱法的特点
紫外、可见吸收光谱常用于研究不饱和有机物，特别是具有共轭体系的有机化合物，而红外光谱法主要研究在振动中伴随有偶极矩变化的化合物（没有偶极矩变化的振动在拉曼光谱中出现）。因此，除了单原子和同核分子如Ne、He、O2、H2等之外，几乎所有的有机化合物在红外光谱区均有吸收。除光学异构体，某些高分子量的高聚物以及在分子量上只有微小差异的化合物外，凡是具有结构不同的两个化合物，一定不会有相同的红外光谱。通常红外吸收带的波长位置与吸收谱带的强度，反映了分子结构上的特点，可以用来鉴定未知物的结构组成或确定其化学基团；而吸收谱带的吸收强度与分子组成或化学基团的含量有关，可用以进行定量分析和纯度鉴定。由于红外光谱分析特征性强，气体、液体、固体样品都可测定，并具有用量少，分析速度快，不破坏样品的特点。因此，红外光谱法不仅与其它许多分析方法一样，能进行定性和定量分析，而且该法是鉴定化合物和测定分子结构的最有用方法之一。具体表述为：
1）红外吸收只有振-转跃迁,能量低；
2）应用范围广,除单原子分子及单核分子外,几乎所有的有机物均有红外吸收；
3）分子结构更为精细的表征：通过波谱的波数位置、波峰数目及强度确定分子基团和分子结构；
4）可以进行定量分析；
5）固、液、气态试样均可用,且用量少,不破坏样品；
6）分析速度快。
7）与色谱等联用（GC-FTIR）具有强大的定性功能。
4、产生红外吸收的条件
①辐射光子具有的能量与发生振动跃迁所需的跃迁能量相等
②辐射与物质之间有耦合作用
5、基本原理
能量在400~4000cm-1的红外光不足以使样品产生分子电子能级的跃迁，而只是振动能级与转动能级的跃迁。由于每个振动能级的变化都伴随许多转动能级的变化，因此红外光谱也是带状光谱。分子在振动和转动过程中只有伴随净的偶极矩变化的键才有红外活性。因为分子振动伴随偶极矩改变时，分子内电荷分布变化会产生交变电场，当其频率与入射辐射电磁波频率相等时才会产生红外吸收。因此，除少数同核双原子分子如O2，N2，Cl2等无红外吸收外，大多数分子都有红外活性。当样品受到频率连续变化的红外光照射时，分子吸收了某些频率的辐射，并由其振动或转动运动引起偶极矩的净变化，产生分子振动和转动能级从基态到激发态的跃迁，使相应于这些吸收区域的透射光强度减弱。记录红外光的百分透射比与波数或波长关系曲线，就得到红外光谱。
二、红外吸收光谱的应用
红外光谱最重要的应用是中红外区有机化合物的结构鉴定。通过与标准谱图比较，可以确定化合物的结构；对于未知样品，通过官能团、顺反异构、取代基位置、氢键结合以及络合物的形成等结构信息可以推测结构。近年来红外光谱的定量分析应用也有不少报道,尤其是近红外、远红外区的研究报告在增加。如近红外区用于含有与C，N，O等原子相连基团化合物的定量；远红外区用于无机化合物研究等。
1、官能团定性分析
在许多IR光谱专著中都详细地叙述各种官能团的IR光谱特征频率表，但是利用这些特征频率表来解析IR光谱，判断官能团存在与否，在很大程度上还要靠经验。因此分析工作者必须熟知基团的特征频率表，如能熟悉一些典型化合物的标准红外光谱图，则可以提高IR光谱图的解析能力，加快分析速度。
2、有机化合物结构分析
IR光谱是测定有机化合物结构的强有力的手段，由IR光谱可判断官能团、分子骨架，具有相同化学组成的不同异构体，它们的IR
光谱有一定的差异，因此可利用IR光谱识别各种异构体。
3、跟踪化学反应
利用IR光谱可以跟踪一些化学反应，探索反应机理。酰基自由基是许多有机物在光、热分解时的中间体对该自由基的快速分析有助于理解反应的机理。IR光谱法就是一种简单方便和快速分析自由基中间体的方法。如在安息香类化合物和O-酰基-α-酮肟的光分解反应中，加入适量的CCl4，当产生酰基自由基时，则在IR光谱上可观察到酰氯的信号，证明了酰基自由基是该光反应的中间体。
4、在化学动力学研究中的应用
在化学动力学的研究方面，IR光谱法有其独到之处。如关于聚氨酯生成的动力学研究，国内外已有不少报道，研究的主要对象是二苯甲烷二异氰酸酯（MDI）、甲苯二异氰酸酯（TDI）、1,6-乙异氰酸酯（HDI）等，而对苯二甲基二异氰酸酯（XDI）体系的研究则甚少。目前，XDI的应用已引起人们的重视，如已利用于制造皮革涂饰剂、涂料等。利用IR
光谱，通过外加内标
（KSCN）的方法研究XDI体系的聚醚型聚氨酯的动力学，可求出该体系的反应速率常数k、表观活化能E及催化活化能Ec和指前因子A。该体系为二级反应。
5、在定量分析中的应用
利用红外光谱进行定量分析的基本依据是朗伯-比尔定律，其关系式为：
A=εbc
式中A为吸光度，ε为摩尔吸光系数，b样品槽厚度，c样品浓度。
6、食品成分的分析。
利用红外吸收光谱法分析研究食品中所含有的成份，确定食品的营养价值及功能特性。
7、红外吸收光谱解析的辅助方法
在实际工作中，遇到被剖析的物质不仅是单一组分，经常遇到的是二组分或多组分的样品。为了快速准确的推测出样品的组成及结构，还要借助于因子分析法、计算机技术等手段来解决实际问题。
应用举例：
1、傅立叶变换近红外光谱法可快速检测鲜猪肉中肌内脂肪、蛋白质和水分含量。傅立叶变换近红外(FT—NIR)光谱法具有样品前处理简捷．无需化学试剂、环保，操作简单、检测速度快，可同时检测多种组分，稳定性好、精度高等优点，用这种方法测定肌内脂肪、蛋白质和水分含量的预测值和测定值间差异均不显著。
2、复合近红外光谱法在牛奶测定中的应用
在近红外光谱检测技术中，通常采用透射或漫反射方式。两种方式由于在样品池的设计和光信号的接收方面都不一样，因此光信号中携带的物质结构信息也存在较大差异，导致对最终的测量结果的贡献不同。试验结果表明，将两种方式结合的复合近红外光谱法可以提高预测结果的精度。具体来说，复合近红外光谱法就是指在检测过程中同时测定牛奶成分在同一波段下的近红外透射光谱和漫反射光谱；然后将两种光谱数据合并到一起，建立多变量校正模型的方法。
3、啤酒主要成分的近红外光谱法测定。
近红外光谱(NIR)主要反映了分子中有机官能团(C—H ，N—H ，
—H等)的倍频与合频的振动吸收，其振动吸收强度与官能团的含量之间存在着密切的关系。因此，近红外光谱可以用来测定某些物质中有机物的含量。
啤酒在出厂前，必须提供酒精度、原麦汁浓度、总酸、双乙酰以及CO
的含量等5项质量指标。然而，近红外光谱(NIR)严重重叠，需用化学计量学的方法，建立多元回归的定量模型进行分析和预测。偏最小二乘法(PLS)是近红外光谱分析中使用最多和效果最好的方法。
4、快速检测蔬菜中的有机磷农药。
农药在保证促进农、林、畜牧业发展上发挥重大作用的同时，各种残留影响也越来越引起人们的重视
。目前广泛或部分应用于农药残留检测和确证试验的方法有气、液相色谱，质谱，以及气相或液相色谱．质谱联用等方法。这些方法精度很高，但对样品的前处理过程非常繁琐，不能适应我国蔬菜的产销特点，难以满足对蔬菜中农残实现现场快速检测。而红外光谱技术对样品前处理简单，对环境无污染，分析速度快，可以同时进行农药残留多组分测定。
三、红外吸收光谱法存在的不足
虽然红外吸收光谱法有很多优点，但是它也不是一个万能的分析方法，它同样存在不足，例如，①红外光源发光能量较低，因此红外检测器的灵敏度也很低，ε＜103。②由于测定的是倍频及合频吸收，灵敏度差，一般要求检测的含量>1﹪；③建模难度大，定标模型的适用范围、基础数据的准确性即选择计量学方法的合理性，都将直接影响最终的分析结果。④固体压片或液膜法制样麻烦,光程很难控制一致,给测量结果带来误差。另外,无论是添加红外惰性物质或是压制自支撑片,都会给粉末状态的样品造成形态变化或表面污染,使其在一定程度上失去其“本来面目”。⑤大多数物质都有独特的红外吸收,多组分共存时,普遍存在谱峰重叠现象。⑥透射样品池无法解决催化气相反应中反应物的“短路”问题,使得催化剂表面的吸附物种浓度较低,影响检测的灵敏度。
同时红外吸收光谱技术在应用中也受到诸多因素的影响，如定标样品的选择、制备、精确的化学分析、红外仪器操作技术、计算机及其配套软件等。尤其是其准确性不能比它所依赖的化学分析法更好，所以在推广应用该技术时，必须使用准确、精确的化学分析值及适当的定标操作技术，即必须实行系统的标准化操作。
四、红外吸收光谱法的发展前景
由于红外吸收光谱法自身存在缺陷，限制了它的使用范围，而这些缺陷我们可以借助其他技术来完善。这就要求我们进行多技术的联合，进行方法上的创新。
在现代分析测试技术中，用于复杂试样的微量或痕量组分的分离分析的多功能红外联机检测技术代表了新的发展方向。傅立叶变换红外光谱仪与色谱联用可以进行多组分样品的分离和定性，与显微镜联用可进行微量样品的分析鉴定，与热失重联用可进行材料的热稳定性研究，与拉曼光谱联用可得到红外光谱弱吸收的信息。实践证明，红外光谱联用技术是一种十分有效的实用技术，现已实现；联机的有气相色谱-红外、高效液相色谱-红外、超临界流体色谱-红外、热失重-红外、显微镜-红外、气相色谱-红外-质谱等，这将进一步提高红外分析仪器的分析能力。
随着傅立叶变换红外光谱技术的发展，远红外、近红外、偏振红外、高压红外、红外光声光谱、红外遥感技术、变温红外、拉曼光谱、色散光谱等技术也相继出现，这些技术的出现使红外吸收光谱法成为物质结构判断和鉴定分析的有效方法，为其在食品工业中的应用提供了更广阔的前景。
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