Phương pháp phổ hồng ngoại và ứng dụng trong thực phẩm

Để phân tích thực phẩm như ngày nay người ta sử dụng rất nhiều phương pháp như: phân tích sắc ký, phương pháp điện thế, phương pháp quang…Trong đó phương pháp quang là phương pháp được sử dụng phổ biến bởi kỹ thuật này được coi là sạch và tốt vì không sử dụng hoá chất, không ảnh hưởng sức khoẻ và an toàn cho người phân tích. Một trong những phương pháp quang được sử dụng thì phổ hồng ngoại là một trong những phương pháp quang phổ hấp thu phân tử. Phổ hồng ngoại được sử dụng rộng rãi trong những kỹ thuật phân tích rất hiệu quả và đã trải qua ba thập kỷ qua. Một trong những ưu điểm quan trọng nhất của phương pháp phổ hồng ngoại vượt hơn những phương pháp phân tích cấu trúc khác (nhiễu xạ tia X, cộng hưởng từ điện tử, phương pháp quang vv…) là phương pháp này cung cấp thông tin về cấu trúc phân tử nhanh, không đòi hỏi các phương pháp tính toán phức tạp. Kỹ thuật này dựa trên hiệu ứng đơn giản là: các hợp chất hoá học có khả năng hấp thụ chọn lọc bức xạ hồng ngoại. Sau khi hấp thụ các bức xạ hồng ngoại, các phân tử của các hơp chất hoá học dao động với nhiều vận tốc dao động và xuất hiện dải phổ hấp thụ gọi là phổ hấp thụ bức xạ hồng ngoại. Được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực nghiên cứu khác nhau như trong Y học, Hóa Học, Thực phẩm,…nghiên cứu cấu trúc các hợp chất vô cơ, hữu cơ, phức chất và trong thực tế sản xuất. Đặc biệt trong lĩnh vực thực phẩm phổ biến người ta sử dụng phổ hồng ngoại để phân tích dư lượng axit amin trong protein, đánh giá chất lượng của chất béo, protein thành phần của các sản phẩm sữa và hạt. Phân biệt giữa bột cá, bột thịt, bột đậu nành có trong mẫu. Phân tích thành phần hóa học các sản phẩm thực phẩm như phomat, ngũ cốc, bánh kẹo, thịt bò… Nhằm có cái nhìn tổng quát về các phương pháp phân tích cũng như cung cấp cho chúng ta một công cụ hữu hiệu trong học tập và nghiên cứu về môn: Các phương pháp thực nghiệm nghiên cứu cấu trúc vật chất” nên em đã chọn đề tài: “Phương pháp phổ hồng ngoại và ứng dụng trong thực phẩm” để tìm hiểu về nguyên tắc phân tích nhờ phổ hồng ngoại và những ứng dụng của nó trong kỹ thuật phân tích hàm lượng các chất.

MỤC LỤC A Lời mở đầu B NỘI DUNG I NGUỒN GỐC CỦA BỨC XẠ HỒNG NGOẠI: III HẤP THU HỒNG NGOẠI CỦA MỘT SỐ HỢP CHẤT HỮU CƠ VÀ VÔ CƠ 3.1 Tần số hấp thu hydrocarbon: 3.2 Tần số hấp thu Alcohol phenol: 10 3.3 Tần số hấp thu ether, epoxide peroxide: 11 3.4 Tần số hấp thu hợp chất carbonyl: 12 3.5 Tần số hấp thu hợp chất Nitrogen: 17 3.6 Tần số hấp thu hợp chất chứa phosphor: 19 3.7 Tần số hấp thu hợp chất chứa lưu huỳnh: 19 3.8 Tần số hấp thu hợp chất chứa nối đôi liền nhau: 20 3.9 Tần số hấp thu hợp chất chứa halogenur: 20 IV KỸ THUẬT THỰC NGHIỆM VÀ ỨNG DỤNG PHƯƠNG PHÁP QUANG PHỔ HỒNG NGOẠI:21 4.1 Máy quang phổ IR: 21 4.2 Cách chuẩn bị mẫu: 23 4.3 Ứng dụng: 24 a Đồng chất: 24 b Xác định cấu trúc phân tử: 24 c Nghiên cứu động học phản ứng: 25 d Nhận biết chất: 25 e Xác định độ tinh khiết: 25 f Suy đoán tính đối xứng phân tử: 26 h Phân tích định lượng: 26 V ỨNG DỤNG PHỔ HỒNG NGOẠI TRONG THỰC PHẨM: 27 PHÂN TÍCH THÀNH PHẦN CHÍNH 27 5.1 Nước: 27 5.2 Protein : 28 5.3 Lipid: 28 5.4 Glucid: 28 5.5 Chất xơ : 29 5.6 số ứng dụng khác: 29 VI NHỮNG LOẠI MÁY QUANG PHỔ TRÊN THỊ TRƯỜNG HIỆN NAY: 30 6.1 Máy quang phổ hồng ngoại biến đổi Fourier: 30 6.2 Máy quang phổ hồng ngoại gần (FT-NIR): 30 C KẾT LUẬN 32 D TÀI LIỆU THAM KHẢO 33 Lời mở đầu Để phân tích thực phẩm ngày người ta sử dụng nhiều phương pháp như: phân tích sắc ký, phương pháp điện thế, phương pháp quang…Trong phương pháp quang phương pháp sử dụng phổ biến kỹ thuật coi tốt khơng sử dụng hố chất, khơng ảnh hưởng sức khoẻ an tồn cho người phân tích Một phương pháp quang sử dụng phổ hồng ngoại phương pháp quang phổ hấp thu phân tử Phổ hồng ngoại sử dụng rộng rãi kỹ thuật phân tích hiệu trải qua ba thập kỷ qua Một ưu điểm quan trọng phương pháp phổ hồng ngoại vượt phương pháp phân tích cấu trúc khác (nhiễu xạ tia X, cộng hưởng từ điện tử, phương pháp quang vv…) phương pháp cung cấp thông tin cấu trúc phân tử nhanh, không đòi hỏi phương pháp tính tốn phức tạp Kỹ thuật dựa hiệu ứng đơn giản là: hợp chất hố học có khả hấp thụ chọn lọc xạ hồng ngoại Sau hấp thụ xạ hồng ngoại, phân tử hơp chất hoá học dao động với nhiều vận tốc dao động xuất dải phổ hấp thụ gọi phổ hấp thụ xạ hồng ngoại Được ứng dụng nhiều lĩnh vực nghiên cứu khác Y học, Hóa Học, Thực phẩm,…nghiên cứu cấu trúc hợp chất vô cơ, hữu cơ, phức chất thực tế sản xuất Đặc biệt lĩnh vực thực phẩm phổ biến người ta sử dụng phổ hồng ngoại để phân tích dư lượng axit amin protein, đánh giá chất lượng chất béo, protein thành phần sản phẩm sữa hạt Phân biệt bột cá, bột thịt, bột đậu nành có mẫu Phân tích thành phần hóa học sản phẩm thực phẩm phomat, ngũ cốc, bánh kẹo, thịt bò… Nhằm có nhìn tổng qt phương pháp phân tích cung cấp cho công cụ hữu hiệu học tập nghiên cứu môn: "Các phương pháp thực nghiệm nghiên cứu cấu trúc vật chất” nên em chọn đề tài: “Phương pháp phổ hồng ngoại ứng dụng thực phẩm” để tìm hiểu nguyên tắc phân tích nhờ phổ hồng ngoại ứng dụng kỹ thuật phân tích hàm lượng chất Tuy cố gắng khơng thể tránh khỏi sai sót nội dung hình thức Rất mong nhận ý kiến đóng góp chân thành từ thầy bạn! NỘI DUNG I NGUỒN GỐC CỦA BỨC XẠ HỒNG NGOẠI: Năm 1800, William Hershel phát tồn xạ nhiệt vùng phổ ánh sáng nhìn thấy ơng đặt tên cho xạ hồng ngoại (Infrared - IR) Đây dải xạ khơng nhìn thấy có bước sóng từ 0,75 đến 1000 nm ông chứng minh xạ tuân theo qui luật ánh sáng nhìn thấy Kể từ mốc lịch sử đến nay, lĩnh vực nhân loại đạt bước phát triển đáng kể Về nguồn phát xạ: Vào nửa đầu kỷ 19 tìm định luật xạ nhiệt, đầu kỷ 20 hoàn thành qui luật xạ không kết hợp Trong năm 1920-1930 tạo nguồn IR nhân tạo, phát hiệu ứng điện phát quang làm sở để tạo nguồn phát xạ IR (các diodes phát quang) Về detectors (dùng để phát IR): Năm 1830 detectors theo nguyên lý cặp nhiệt điện (thermopile) đời Năm 1880 đời quang trở cho phép tăng đáng kể độ nhạy phát IR Từ năm 1870 đến 1920, detectors lượng tử theo nguyên lý tương tác xạ với vật liệu đời (với detectors xạ chuyển đổi trực tiếp sang tín hiệu điện khơng phải thông qua hiệu ứng nhiệt xạ sinh ra) Từ năm 1930-1944 phát triển detectors sulfure chì (PbS) phục vụ chủ yếu cho nhu cầu quân Từ năm 1930-1950 khai thác vùng IR từ đến mm detectors Antimonium d’Indium (InSb) từ 1960 bắt đầu khai thác vùng IR từ đến 14 mm detectors Tellure de Cadmium Mercure (HgTeCd) Trên giới IR áp dụng nhiều lĩnh vực: Như ứng dụng chế tạo thiết bị quang điện tử đo lường - kiểm tra lĩnh vực thực phẩm, thiết bị chẩn đoán điều trị y tế, hệ thống truyền thông, hệ thị mục tiêu thiên văn, điều khiển thiết bị vũ trụ năm gần đây, chúng sử dụng để thăm dò tài nguyên thiên nhiên trái đất hành tinh khác, để bảo vệ môi trường Đặc biệt, có ứng dụng quan trọng lĩnh vực quân Các ứng dụng quân IR đòi hỏi detectors phải có độ nhậy cao, đáp ứng nhanh, phải mở rộng dải phổ làm việc detectors dải truyền qua vật liệu quang học Cuối chiến tranh giới lần thứ hai nhờ ứng dụng IR người ta chế tạo bom quang - điện tự điều khiển, hệ thống điều khiển hỏa lực sở biến đổi quang - điện, thiết bị nhìn đêm cho vũ khí binh, điện đàm IR sau chiến lần thứ hai tạo nhiều hệ thống điều khiển tên lửa không đối không, không đối đất, đất đối không Ở nước ta nay, lĩnh vực số quan khoa học có Viện nghiên cứu ứng dụng cơng nghệ, tiếp cận, nghiên cứu từ cuối năm 60 kỷ 20 Và đặc biệt, phổ hồng ngoại ứng dụng rộng rãi lĩnh vực cơng nghiệp nói chung thực phẩm nói riêng… II ĐẠI CƯƠNG VỀ PHỔ HỒNG NGOẠI: Phương pháp phân tích theo phổ hồng ngoại kỹ thuật phân tích hiệu Một ưu điểm quan trọng phương pháp phổ hồng ngoại vượt phương pháp phân tích cấu trúc khác (nhiễu xạ tia X, cộng hưởng từ điện tử vv…) phương pháp cung cấp thông tin cấu trúc phân tử nhanh, khơng đòi hỏi phương pháp tính tốn phức tạp Kỹ thuật dựa hiệu ứng đơn giản là: hợp chất hoá học có khả hấp thụ chọn lọc xạ hồng ngoại Sau hấp thụ xạ hồng ngoại, phân tử hợp chất hoá học dao động với nhiều vận tốc dao động xuất dải phổ hấp thụ gọi phổ hấp thụ xạ hồng ngoại Các đám phổ khác có mặt phổ hồng ngoại tương ứng với nhóm chức đặc trưng liên kết có phân tử hợp chất hoá học Bởi phổ hồng ngoại hợp chất hoá học coi "dấu vân tay", vào để nhận dạng chúng Phổ hấp thu hồng ngoại phổ dao động quay hấp thu xạ hồng ngoại chuyển động dao động chuyển động quay bị kích thích Bức xạ hồng ngoại có độ dài sóng từ 0,8 đến 1000µm chia thành ba vùng: 1- Cận hồng ngoại ( near infrared) λ = 0,8 – 2,5µm 2- Trung hồng ngoại ( medium infrared) λ = 2,5 – 50µm 3- Viễn hồng ngoại ( far infrared) λ = 50 - 100µm Trong thực tế, phổ hồng ngoại thường ghi với trục tung biểu diễn T%, trục hồnh biểu diễn số sóng với trị số giảm dần ( 4000 – 400 cm-1) III HẤP THU HỒNG NGOẠI CỦA MỘT SỐ HỢP CHẤT HỮU CƠ VÀ VƠ CƠ Xét mặt lý thuyết, người ta đo phổ hồng ngoại hợp chất hữu cơ, vô phức chất Tuy nhiên việc đo phổ hồng ngoại hợp chất vô phức chất phức tạp (ví dụ phải tiến hành đo vùng có số sóng thấp mà máy đáp ứng được) nên thực tế, phương pháp sử dụng để phân tích hợp chất hữu phổ biến Tần số hấp thu đặc trưng nhóm chức trình bày bảng có đơn vị cm -1 (thật số sóng, quen gọi tần số) với cường độ viết tắt m (mạnh), tb (trung bình), y (yếu) bđ (biến đổi) 3.1 Tần số hấp thu hydrocarbon: Tần số hấp thu hồng ngoại hydrocarbon no, alkene, arene nhiều nhân thơm, alkyne tóm tắt bảng 1,2, v Bảng 1: Tần số hấp thu hydrocarbon no (alkane cyclane) Nhóm Dao động Tần số (cm-1) –CH3 VC - H(bđx) 2975 – 2950 (m) DĐ hóa trị bất đối xứng VC - H(đx) 2885 – 2870 (m) DĐ hóa trị đối xứng δ CH3 (tmp) 1465 – 1440 (tb) DĐ biến dạng mặt phẳng δ CH3 (nmp) 1390 – 1375 (tb) DĐ biến dạng mặt phẳng >(CH3)2 δ CH3 ≈ 1380 (tb) DĐ biến dạng mặt phẳng – C(CH3)3 δ CH3 1395 – 1385 (tb) DĐ biến dạng mặt phẳng Ghi 1365 (m) >CH2 thẳng VC - H(bđx) 2940 – 2920 (m) DĐ hóa trị bất đối xứng VC - H(đx) 2870 – 2840 (m) DĐ hóa trị đối xứng δ CH2 1480 – 1440 (tb) DĐ biến dạng “lưỡi kéo” δ CH2 745 – 720 (y): 745 – 735 735 – 725 725 - 720 DĐ biến dạng “con lắc” mạch carbon – (CH2)n _: n=2 n=3 n>3 – CH2 – vòng δ CH2 1452 cm-1 DĐ biến dạng “lưỡi kéo” cyclohexane (có tần số thường bé alkane thẳng) – CH vòng (lớn ba) VC - H 2890 – 2880 (y) CH vòng ba – CH2 - halogen VC - H ≈ 3050 (y) C–C VC - C 1260 – 700 (y) δC - C 600 - 500 – CO – CH3 VC – H 3100 – 2900 (y) Thường yếu – CHO VC-H 2900 – 2700 (y) Thường gồm haivân (một ≈ 2720cm1 ) – O CH3 – O – CH2 – O VC-H 2850 – 2810 (tb) Aryl ether: số sóng cao 2790 – 2770 (tb) Ankyl ether: số song thấp N – CH3 VC-H 2820 – 2780 (tb) – O – CO – CH3 δ CH3 1385 – 1365 (m) Trùng với vùng Ch alkene Rất yếu Cường độ mạnh 1360 – 1355 (m) Nhóm C – H khơng tham gia liên kết hydro nên vị trí vân hấp thu chịu ảnh hưởng trạng thái mẫu đo chất hố học mơi trường đo Nếu không thấy xuất vân hấp thu dao động hố trị CH no chắn hợp chất nghiên cứu khơng có nhóm CH, > CH2, – CH3 Liên kết C – C hấp thu vùng vân tay, thường yếu có số sóng thay đổi ảnh hưởng tương tác dao động nên khơng có giá trị thực tế Bảng 2: Tần số hấp thu Alkene Nhóm Dao động Tần số (cm-1) Ghi >C=CH2 V=CH2 3095 – 3075 (tb) δ=CH2 895 – 885 (m) Đôi bị che phủ vân VC-H no V=CH2 3095 – 3075 (tb) δ=CH2 995 - 980 – CH=CH2 Và 915 - 905 V=CH 3040 – 3010 (tb) δ=CH 850 – 790 (m) RCH= CHR (trans) δCH(nmp) 970 – 960 (m) – RHC=CHR (cis) δCH 730 – 675 (tb) R – CH=CH2 δCH 995 – 985 (m) >C=CH – DĐ biến dạng mặt phẳng (ở 990cm-1 liên hợp với C=O ) Và 940 – 900 (m) R2C=CHR δCH 840 – 790 (tb) > C=C < VC=C(klh) 1680 – 1620 (bđ) VC=C(lh) ≈1625 (tb) DĐ hố trị C=C khơng liên hợp Liên hợp với nhân thơm (với hệ thống liên hợp, thường xuất hai mũi hấp thu 1650 – 1600 cm-1) > C=CH2 VC=C C=CH C=C< VC=C >1665 Dien Trien VC=C 1650(m) 1600(m) carbon với mũi hấp thu Vân 1600 thường mạnh xen lẫn với vân 1650 Bảng 3: Tần số hấp thu Arene môt nhân thơm nhiều nhân thơm Nhóm Dao động Tần số(cm-1) Ghi Aryl – H VCH thơm 3080 – 3010 (y) δCH(tmp) thơm 1290 – 1000 (y) Thường bị che phủ, có đến mũi (số mũi giảm số nhóm tăng) DĐ biến dạng mặt phẳng (rất yếu thường bỏ qua) δCH(nmp ) thơm 900 – 675 (bđ) C=C (một nhân thơm) VC=C Mạch carbon Nhiều nhân thơm δCH(nmp)thơm DĐ biến dạng mặt phẳng(rất đặc trưng), tần số thay đổi theo vị trí số nhóm thế: 770 – 730 710 – 690 770 – 735 960 – 900, 880 – 830 Và 710 – 680 860 – 800 Một nhóm (2 mũi) Hai nhóm ortho (1mũi) Hai nhóm meta (3 mũi) 800 – 760 720 – 685 900 – 885 780 – 760 865 – 810 760 - 730 Ba nhóm – 1,2,3 Ba nhóm – 1,2,4 Ba nhóm – 1,3,5 1625 – 1430 1625– 1590, 1590 – 1575 1575 1525 – 1470 900 – 675 (bđ) 671 770 – 730 (m) 770 – 735 (m) 820 – 760 (m) Hai nhóm para (1 mũi) hay mũi DĐ biến dạng mặt phẳng, tần số thay đổi theo số H, theo vị trí số nhóm thế: H liên tiếp (một mũi) 5H liên tiếp (một thế)(một mũi) 4H liên tiếp (hai ortho)(một mũi) 3H liên tiếp (hai meta hay – 860 – 800 (m) 900 – 830 (m) 1, 2, 3) 2H liên tiếp (hai para hay – 1,2,3,4) 1H cô lập(hai meta hay – 1,2,3,5,- 1,2,4,5) Nhóm CH khơng no CH thơm phân biệt với CH no vân hấp thu dao động hoá trị chúng thường xuất số sóng lớn 3000 cm -1 (trong vân hấp thu dao động hoá trị CH no xuất số sóng bé 3000 cm -1) Tuy nhiên, cường độ vân yếu nên chúng thường bị che phủ vân CH no vân NH, OH, Nhìn chung, phổ hồng ngoại hợp chất thơm thể năm vùng: vùng 3080 – 3010 cm-1(dao động hoá trị liên kết CH), vùng có tần số từ 2000 – 1600 cm -1 xuất vân họa tần vân kếp hợp hợp chất thơm, vùng 1600 – 1500 cm -1 có hai hay ba vân dao động hố trị liên kết C- C nhân gây nên (dao động khung), đặc trưng cho nhân thơm loại sáu cạnh nhân benzen, nhân pyridine, vùng 1225 – 950 cm-1 không cung cấp thông tin có giá trị cho việc giải đốn phổ, vùng 900 cm-1có vân dao động biến dạng ngồi mặt phẳng liên kết CH thơm cung cấp thơng tin số lượng vị trí nhóm thế, phải thận trọng khơng phải vân vùng Bảng4: Tần số hấp thu Alkyne Nhóm Dao động Tần số (cm-1) Ghi –C≡C–H V=CH δCH VC≡C VC≡C 3340 – 3300 (tb) 695 – 575 2140 – 2100 (y) 2260 – 2190 (y) Có thể bị che mũi NH hay OH Hai mũi Alkyne nhóm Alkyne hai nhóm thế, mũi chẻ cộng hưởng Femi, cường độ yếu tính đối xứng cao (không xuất nối ba mạch gần mạch) δC≡C δC≡C 355 – 335 510 – 260 960 – 900 520 – 495 495 – 480 – C≡C–H – C≡C–H Acetylene Alkyne -–C–C≡C R–C≡Cme R–C≡Cet DĐ hoá trị mạch carbon DĐ biến dạng mạch carbon DĐ biến dạng mạch carbon 3.2 Tần số hấp thu Alcohol phenol: Các vân hấp thu đặc trưng hai hợp chất dao động hoá trị liên kết –O–H – C – O – Các vân hấp thu chịu ảnh hưởng mạnh liên kết hydrogen nội phân tử liên phân tử Tần số hấp thụ thay đổi mạnh dao động hoá trị C – O dao động biến dạng O–H có kết hợp với hydro liên tiếp (bảng 6) Bảng5: Tần số hấp thu đặc trưng alcohol Nhóm Dao động Số sóng (cm-1) Ghi –OH tự (khí DD thật lỗng) VOH 3650 – 3590 (bđ) δOH(tmp) 3640 – 3630 3625 – 3620 3620 – 3610 3460 – 3450 1410 – 1260 (m) * Mũi hấp thu thường nhọn,cường độ tăng dần theo Alcohol thơmC=N–), amidine(>N–C=N), nitrile(–C=N), isonitrile(–N C)cyanamine (>N–C N), cyanide(C N), diazonium (ArN=N+, X-) Nhóm Dao động Tần số(cm-1) –NH (của imine) C=N(của imine) –C=N– (amidine) –C N– (nitrile) VNH 3400–3300 (tb) VCN VCN 1690–1620 168–1580 1515 2260–2250(bđ) 2230–2220(bđ) VCN δCN 390-350 580-540 Ghi Mọi imine Mọi Amidine rắn DD Nitrile thẳng, no Nitrile không no, thơm(cường độ biến carbon, theo hệ thống tạo phức với kim C N  M ) Nitrile thẳng, no liên hợp hay đổi theo mạch nối Pi liên hợp, loại dạng – 16 VCN Và 430-380 2175-2150 2150-2115 VCN 2225-2210 VCN VCN 2250-2000 2080-2070 1575(y) VCN 2300-2230 (m) VN=O(bđx) VN=O(đx) VN=O(bđx) VN=O(đx) VN=O(bđx) VN=O(đx) VN=O(bđx) VN=O(đx) 1560 (m) 1350 1650-1600(m) 1270-1250(m) 1630-1550(m) 1300-1250(m) 1600(m) 1500(m) 1300-1200(m) 970-950(m) –N C– (isonitrite) >N–C N (cyanamine) C N– (của cyanide) –N=N– (hợp chất diazo) Ar–N=N+, X(muối iazonium) C–NO2 (nitro) R–O–NO2 (nitrate) N–NO2 (nitramine) C–N=O –N+–O– thơm –N+–O– béo VCN Nitrile thơm (hai mũi) Isonitrile thẳng Isonitrile thơm(Isonitrile có mũi hấp thu đặc trưng để phân biệt với nitrile 1595 cm-1) Muối dạng rắn Muối DD Rất yếu không xuất liên kết-N=N- khơng phân cực Khi liên hợp giảm khoảng 30cm-1 Khi liên hợp giảm khoảng 30cm-1 Rất mạnh Mạnh 3.6 Tần số hấp thu hợp chất chứa phosphor: Bảng 18: Tần số hấp thu đặc trưng hợp chất chứa phosphor Nhóm – P– H P=O P– OH P– O– P P– O– C P– O– C Dao động VP-H δP-H(nmp) δP-H(nmp) VP=O VP=O Tần số(cm-1) 2440-2350(m) 1090-1080 940-909 1150 1190 1299-1250 1040-910 1000-870 1050-970 1260-1160 Ghi Nhọn Phorus oxide thẳng Phorus oxide thơm Phosphoric ester Rộng P-O-C thẳng P-O-C thơm 3.7 Tần số hấp thu hợp chất chứa lưu huỳnh: Bảng 19: Tần số hấp thu đặc trưng hợp chất chứa chứa lưu huỳnh Nhóm – S– H Dao động VS-H Tần số(cm-1) 2600-2550 (y) Ghi Yếu VO-H bị ảnh hưởng 17 (của imine) >C=S – CS– NH– (Thioamide) liên kết hydrogen VC=S VN-H VC=S δN-H VS=O VS=O >S=O >SO2 – SO2– O 1200-1050 3400 1300-1100 (m) 1550-1460 (m) 1060-1040 (m) 1370-1310 (m) 1180-1120 (m) 1420-1330 (m) 1200-1145 (m) 3150 cm-1 thể rắn DĐ hóa trị bất đối xứng DĐ hóa trị đối xứng 3.8 Tần số hấp thu hợp chất chứa nối đôi liền nhau: Bảng 20: Tần số hấp thu đặc trưng số hợp chất chứa nối đôi liền Nhóm Dao động O=C=O Carbon dioxide – N=C=O Isocyanate Tần số(cm-1) Ghi 2349 (m) 2275-2250 (m) Rất mạnh; Vị trí khơng bị ảnh hưởng liên hợp – N=N=N– Azit – N=C=N– Carbodilmide >C=C=O Cetene – N=C=S– Isothiocyanate 2160-2120 (m) >C=C=NCeteneimine C=C=C Allen 2000 (m) 2125-2130 (m) Rất mạnh 2150 (m) 2140-1990 (m) Vân rộng mạnh 1950 (tb) Nhóm allen đầu mạch liên hợp với nhóm hút electron thường có hai vân 3.9 Tần số hấp thu hợp chất chứa halogenur: Bảng 21: Tần số hấp thu đặc trưng số hợp chất chứa halogenur Nhóm Dao động Tần số(cm-1) C– F VC-F 1400-730: 1100-1000 Ghi Monofluoralkane 18 CF2,CF3 – C– C– Cl VC-F VC-Cl 1350-1120 830-560: VC-C δC-F 726 649 760-505 (m) CCl3 VC-Cl 450-250 830-700 CH2– Cl C– Br δCH2 VC-Br δC-Br 1230 (m) 650-485 (m) 300-140 C– I VC-I CH2– I CH2– CH2– I Aryl-halogen δCH2 600-200 610-485 1170 (m) 594 503 1270-1100 1096-1089 1078-1074 1057-1034 1073-1068 1073-1065 1042-1028 1061-1057 VC-F VC-Cl (para) VC-Cl (meta) VC-Cl (ortho) VC-Br (para) VC- Br (meta) VC- Br (ortho) VC-I (para) IV Thay đổi theo vị trí khơng gian halogenur phân tử Dạng trans ziczac C-C-C-Cl Dạng “Gốt” Rất mạnh; có mũi họa tần khoảng 15101450 cm-1 Mạch thẳng Hai vân KỸ THUẬT THỰC NGHIỆM VÀ ỨNG DỤNG PHƯƠNG PHÁP QUANG PHỔ HỒNG NGOẠI: 4.1 Máy quang phổ IR: Phổ kế hồng ngoại thông dụng loại tự ghi, hoạt động theo nguyên tắc sau: Chùm tia hồng ngoại phát từ nguồn tách hai phần, qua mẫu (2) qua môi trường đo (dung môi) (2’) tạo đơn sắc (3) tách thành xạ có tần số khác chuyển đến detector (4) Detector so sánh cường độ hai chùm tia chuyển thành tín hiệu điện có cường độ tỉ lệ với phần xạ bị hấp thu mẫu Dòng điện có cường độ nhỏ nên phải nhờ khuếch đại (5) tăng lên nhiều lần trước chuyển sang phận tự ghi (6) vẽ lên phổ đưa vào máy tính xử lý số liệu in phổ 19 Hình 1: Sơ đồ nguyên lý máy phổ hồng ngoại hai chùm tia Các máy phổ hồng ngoại hệ chế tạo theo kiểu biến đổi Fourier (Fourier Transformation Infrared Spectrometer-FTIR Spectrometer) Trong máy này, người ta dùng giao thoa (giao thiết kế) Michelson thay cho tạo đơn sắc Giao thoa kế Michelson thiết bị tách chùm xạ thành hai thành phần có cường độ sau kết hợp trở lại thành xạ có cường độ thay đổi theo thời gian Sự thay đổi cường độ xạ quãng đường hai xạ bị tách không giống Giá trị I(t) hàm hiệu số hai quãng đường nói Giao thoa kế gồm gương cố định Mı, gương di động M2 (có thể di chuyển tịnh tiến đường thẳng nằm ngang) đặt vuông góc phận chia chùm sáng S Chùm xạ từ nguồn qua phận tách S chia thành hai chùm xạ vng góc, chùm đến gương cố định Mı chùm đến gương cố định M2 Khi gặp gương chúng phản xạ trở lại phận tách S Đến chùm lại chia thành đôi, nửa nguồn nửa qua mẫu đo đến detector Như vậy, chùm xạ đến mẫu đo gồm hai xạ nhập lại có thời gian trễ khác nên cường độ xạ thay đổi theo thời gian, phụ thuộc vào quãng đường d xạ đến gương di động M2 (H.2) Hình 2: Cấu tạo giao thoa kế Michelson Detector ghi nhận biến đổi cường độ xạ theo quãng đường d chuyển thành tín hiệu điện Tín hiệu thu dạng hàm điện V theo quãng đường V=f(d), máy tính dùng phép biến đổi Fourier chuyển thành hàm cường độ I theo nghịch đảo quãng đường d ( tức d-1 hay số sóng v) : V = f(d)→I = f(v) 20 So với máy hồng ngoại hệ cũ, máy hồng ngoại biến đổi Fourier (H.3) có nhiều ưu điểm: việc sử dụng giao thoa kế cho phép khe sáng rộng nên cường độ xạ vào detector lớn hơn; tỉ lệ S/N tăng lên nhờ giảm nhiễu; nhờ sử dụng máy tính, việc đo phổ tự động hố mức cao phổ lưu trữ đối chiếu với phổ chuẩn có “thư viện” máy Hình 3: Sơ đồ nguyên lý máy phổ hồng ngoại biến đổi Fourier Trong trình làm việc, khung số sóng máy phổ hồng ngoại bị lệch Để kiểm tra, người ta thường sử dụng chất chuẩn polystirene, ammonia nước 4.2 Cách chuẩn bị mẫu: Người ta đo phổ hồng ngoại chất thể rắn, thể lỏng tinh khiết, DD thể Mẫu thể rắn: Có ba cách đo mẫu thể rắn: Nghiền nhỏ vài mg chất nghiên cứu với vài giọt parafin lỏng (nujol) ép phần thu hai NaCl Để tránh vân hấp thu mạnh parafin 2950-2850 cm -1 1450-1350 cm -1 khảo sát hấp thu nhóm C-H, người ta thay parafin hexachlor butadien Trộn mẫu thật đồng với KBr theo tỉ lệ 1:10 1:100 ép thành viên mỏng suốt máy ép thuỷ lực Do KBr có tính hút ẩm, phổ hồng ngoại thường xuất vân hấp thu nước 3450 cm -1 Dùng KBr cầu lưu ý đến khả xảy phản ứng trao đổi cation anion trường hợp chất nghiên cứu muối phức chất vô Đo phổ chất rắn dạng màng lỏng cách làm nóng chảy chất nghiên cứu làm bay dung môi DD chất nghiên cứu chất có khả tạo màng Mẫu thể lỏng tinh khiết: 21 Khi mẫu thể lỏng tinh khiết, người ta chuẩn bị mẫu cách ép giọt nhỏ chất lỏng hai NaCl để có màng mỏng dày khoảng 0,01-0,1mm, gọi màng lỏng Mẫu DD: Hoà tan chất nghiên cứu dung mơi thành DD có nồng độ 1-5% Cho DD dung môi nguyên chất vào hai cuvet có bề dày 0,1-1mm việc so sánh hai chùm tia qua DD dung mơi loại vân hấp thu dung môi Dung môi không phép hấp thu 65% xạ chiếu vào cường độ xạ lại yếu Ngoài ảnh hưởng chất dung môi, cần lưu ý đến bề dày cuvet Những dung môi thường sử dụng CCl4, CHCl3, CH2Cl2, Cl2C=CCl2… Mặc dù vùng không hấp thu CHCl3 hẹp CCl4 khả hoà tan chất CHCl3 tốt nên thường sử dụng nhiều hơn, đặc biệt đo DD đặc cuvet có bề dày nhỏ Các cuvet thường có cửa sổ NaCl, CaF2 AgCl cửa sổ bị đen sau thời gian sử dụng Mẫu thể hơi: Khi mẫu thể hơi, đưa vào ống đặc biệt có chiều dài khoảng 10 cm với hai đầu ống bịt NaCl Trong thực tế để phân tích chất hữu phức tạp, người ta thường sử dụng máy hồng ngoại ghép với máy sắc kí khí Trong hệ thống sắc kí khí-hồng ngoại (GC/IR), sau tách máy sắc kí khí, hợp phần từ cột sắc kí (tương ứng với peak sắc kí đồ) ghi phổ hồng ngoại (thường dùng FTIR) lưu giữ nhớ máy tính Máy in phổ đồ hồng ngoại hợp phần ứng với peak sắc kí đồ mà ta quan tâm Nhờ so sánh phổ mẫu với thư viện phổ chuẩn lưu máy tính, máy rõ cấu tạo hợp chuẩn cho biết nhóm chức có mặt hợp phần 4.3 Ứng dụng: Các số liệu ghi nhận từ phổ hồng ngoại cung cấp nhiều thông tin chất nghiên cứu Dưới số ứng dụng phương pháp quang phổ hồng ngoại a Đồng chất: Số liệu hồng ngoại đặc trưng sử dụng cho q trình đồng chất hữu hiệu Từ đồng phổ hồng ngoại hai mẫu hợp chất kết luận đồng chất hai mẫu hồng ngoại với mức độ xác cao Để thực trình đồng nhất, người ta thường so sánh phổ chất nghiên cứu với phổ chuẩn ghi điều kiện xác định (hiện người ta thành lập phổ chuẩn hàng ngàn hợp chất hữu khác gọi Atlas phổ hồng ngoại) Nếu chất nghiên cứu chưa có Atlas, người ta so sánh phổ chất chuẩn theo ba giai đoạn sau đây: So sánh phổ hai chất nồng độ hai môi trường khác hai trạng thái khác ( ví dụ, DD viên nén) Ghi phổ chất nồng độ đủ lớn để so sánh vân có cường độ thấp 22 So sánh cường độ vân tương ứng với b Xác định cấu trúc phân tử: Từ tần số vân phổ hấp thu cho phép kết luận có mặt nhóm chức phân tử, nghĩa số liệu hồng ngoại giúp xác định cấu trúc phân tử chất nghiên cứu Mức độ xác việc xác định cấu trúc phụ thuộc lớn vào độ tin cậy, xác tần số vân hấp thu phổ hồng ngoại (các máy hồng ngoại thường hiệu chỉnh tần số chất chuẩn polytyrol) Ngoài việc đề phòng sai lệch vị trí vân phổ máy, tiến hành định tính phương pháp cần lưu ý đến hiệu ứng khả làm dịch chuyển phổ vùng khác phải loại trừ vân hấp thu dung môi… c Nghiên cứu động học phản ứng: Việc nghiên cứu động học phản ứng có thề kiểm tra phương pháp phổ hồng ngoại cách ghi phổ hấp thu ứng với miền phổ khoảng thời gian thích hợp, nghĩa ghi trực tiếp đường cong biểu diễn thay đổi cường độ hấp thu theo thời gian miền phổ chọn tạo thành sản phẩm phản ứng hay đk tác chất ban đầu d Nhận biết chất: Trước ghi phổ hồng ngoại, nói chung ta có nhiều thơng tin hợp chất hỗn hợp cần nghiên cứu, như: trạng thái vật lý, dạng bên ngồi, độ tan, điểm nóng chảy, điểm cháy, đặc biệt lịch sử mẫu Nếu cần biết mẫu chất nguyên chất hay hỗn hợp Sau ghi phổ hồng ngại, chất nghiên cứu hợp chất hữu trước tiên nghiên cứu vùng dao động co giãn H để xác định xem mẫu thuộc loại hợp chất vòng thơm hay mạch thẳng hai Sau nghiên cứu vùng tần số nhóm để xác định có hay khơng có nhóm chức Trong nhiều trường hựp việc đọc phổ (giải phổ) tìm tần số đặc trưng khơng đủ để nhận biết cách tồn diện chất nghiên cứu, có lẽ suy đoán kiểu loại hợp chất.Cũng cần tránh khuynh hướng cố gắng giải gán cho đám phổ quan sát thấy, đám phổ vừa yếu vùng phổ phức tạp Mỗi phát loại chất, người ta so sánh phổ chất nghiên cứu với phổ chất nguyên chất tương ứng để nhận định đúng.Hiện người ta công bố số tuyển tập phổ hồng ngoại chất tần số nhóm đặc trưng e Xác định độ tinh khiết: Phổ hồng ngoại dùng để xác định độ tinh khiết chất Khi thích hợp chất khơng tinh khiết thường độ rõ nét đám phổ riêng biệt bị giảm, xuất thêm đám phổ làm "nhoè" phổ Khi tạp chất có hấp thụ mạnh IR mà thành phần khơng hấp thụ hấp thụ yếu việc xác định thn lợi Ví dụ nhận lượng nhỏ xeton hidrocacbon hidrocacbon thực tế khơng hấp thụ vùng phổ - 1720cm-1 số sóng đặc trưng cho nhóm C = O 23 Phương pháp thường dùng để kiểm tra sản xuất nhiều loại hoá chất quy mơ cơng nghiệp f Suy đốn tính đối xứng phân tử: Ví dụ xét xem phân tử NO phân tử gồm nguyên tử thẳng hàng hay có cấu tạo uốn võng Thực tế cho thấy phổ hấp thụ IR NO2 có đám 750, 1323, 1616cm -1 (không giống CO2 có đám phổ, nên phân tử NO2 phải có cấu tạo uốn võng h Phân tích định lượng: Khả ứng dụng phổ hồng ngoại ngành phân tích định lượng phụ thuộc trang thiết bị trình độ phòng thí nghiệm Ngày nay, đời máy quang phổ hồng ngoại đại, tăng tỷ lệ tín hiệu/nhiễu làm cho việc phân tích định lượng thêm xác mở rộng phạm vi phân tích định lượng Về nguyên tắc, việc phân tích định ượng theo phương pháp phổ hồng ngoại dựa vào định luật Lambert – Beer: A=lg(Io/I)=abc  A: Độ hấp thụ tia IR  Io: Cường độ xạ trước qua mẫu, I: cường độ xạ sau qua mẫu  a: Hệ số hấp thụ, b: bề dày mẫu  c: Nồng độ chất nghiên cứu Thực tế, người ta xác định nồng độ nhóm chức hợp chất cần phân tích Ví dụ: xác định nồng độ hexanol theo độ hấp thụ liên kiết O-H Về thực nghiệm, có cách xác định độ hấp thụ A - Phương pháp đường chuẩn: Ví dụ: Xác định chất dạng dung dịch.Chọn số sóng thích hợp, cho dung dịch cần đo vào cuvét Chỉ số độ đo máy tỷ lệ với I Lại cho dung môi nguyên chất vào Cuvet Lần số đo tỷ lệ với Io.Theo hệ thức trên, xác định A tương ứng với nồng độ C Ở máy đại, giá trị A tính ghi trực tiếp Từ nồng độ khác biết, đo giá trị A tương ứng, vẽ đồ thị A - C.Sau với nồng độ cần xác định, đo A theo đồ thị chuẩn mà tìm C - Phương pháp đường nền: Có giá trị A cho trực tiếp máy.Nếu hỗn hợp có nhiều thành phần có đám phổ xen phủ để tìm nồng độ thành phần phải giải hệ phương trình nhiêu ẩn (tương tự phương pháp phổ điện tử) 24 Kết thu theo phương pháp phổ hồng ngoại bị hạn chế sau: + Cuvet đựng mẫu thường làm NaCl, KBr mềm, dễ bị biến dạng, bề dày mẫu (giá trị b) thay đổi từ mẫu sang mẫu khác Cuvét bị tác động hố học dung mơi Do dẫn đến sai số phép đo Sai số phép đo nguyên nhân khác + Do hiệu ứng tập hợp phân tử chất hồ tan dẫn đến thay đổi tần số hấp thụ, hình dáng, cường độ hấp thụ + Do máy quang phổ hồng ngoại không đủ độ phân giải cần thiết nên không đủ khả đo đám phổ có tần số hẹp Mặc dù phương pháp phổ dao động phương pháp hữu hiệu để xác định chất định tính định lượng, ứng dụng rộng rãi nghiên cứu khoa học kiểm tra cơng nghiệp, phương pháp có hạn chế định: + Bằng phương pháp phổ hồng ngoại không cho biết phân tử lượng (trừ trường hợp đặc biệt) - Nói chung phổ hồng ngoại khơng cung cấp thơng tin vị trí tương đối nhóm chức khác phân tử + Chỉ riêng phổ hồng ngoại đơi chưa thể biết chất ngun chất hay chất hỗn hợp có trường hợp chất có phổ hồng ngoại giống V ỨNG DỤNG PHỔ HỒNG NGOẠI TRONG THỰC PHẨM: Quang phổ hồng ngoại (IR) xem kỹ thuật phân tích ứng dụng nhiều phân tích thực phẩm Kỹ thuật coi tốt khơng sử dụng hố chất, khơng có vấn đề sức khoẻ an tồn IR phân tích dư lượng axit amin protein, đánh giá chất lượng chất béo, protein thành phần sản phẩm sữa hạt Phân biệt bột cá, bột thịt, bột đậu nành có mẫu phân tích thành phần hóa học sản phẩm thực phẩm phomat, ngũ cốc, bánh kẹo, thịt bò Phương pháp quang phổ IR dễ dàng thực hữu ích việc loại bỏ nguyên liệu, sản phẩm thực phẩm mà ta nghi ngờ khơng đạt chất lượng PHÂN TÍCH THÀNH PHẦN CHÍNH Phần lớn ứng dụng IR bao gồm phân tích thành phần nước, protein, chất béo đường 5.1 Nước: Việc đo độ ẩm ứng dụng pp NIR Nước tinh khiết có dải hấp thụ mạnh 970, 1190, 1440 1940 nm Sóng dao động mãnh liệt, cao 1940 nm Nó kết hợp rung động sóng có tần số cao thấp khác Các sóng 970 760 nm tương ứng dao động thứ hai thứ ba rung động kéo dài 25 Vị trí hình dạng dải hấp thụ nước bị ảnh hưởng nhiều yếu tố như: nhiệt độ, nồng độ chất tan hạt kích thước mẫu Tính chất liên kết hydro có tác động đến hình dạng quang phổ khu vực phổ 1400-1500 nm Trong bột mì, lúa mì, hàm lượng nước tỷ lệ với khác biệt hấp thụ 940 2310 nm (Osborne et al 1993) Tuy nhiên, thường cần thiết để áp dụng phương trình hiệu chỉnh phức tạp dự đốn, lượng nước thực phẩm Việc đo độ ẩm phương pháp IR xác phương pháp tham khảo Đối với hầu hết sản phẩm đồng nhất, chẳng hạn bột, thay đổi tùy theo sản phẩm không đồng đem nghiên cứu Các kết đo nguyên liệu riêng xác so với hỗn hợp phức tạp Độ ẩm đo bị sai lệch 0,15-0,8% tùy thuộc vào thực phẩm đem phân tích 5.2 Protein : Phổ IR protein phức tạp khó để giải thích Người ta sử dụng phương pháp cận hồng ngoại (NIR) Các protein có đặc tính hấp thu bước sóng đến 1523, 1600 nm, 2050 2180 nm Các bứoc sóng 2180 nm thường sử dụng phân tích protein ( Osborne cộng (1993)) Ví dụ : phương trình dự đốn protein bột mì: %pr = 12,68 + 493,7*A2180 - 323,1*A2100 - 243,4*A1680 A2180 độ hấp thụ 2180 nm 323,1 * A2100 yếu tố cần thiết cho phản ánh quang phổ tinh bột, bao gồm dải hấp thụ protein đến 2180 nm Việc hấp thụ 1680 nm sở tham chiếu quang phổ Phân tích sản phẩm protein đơn giản bột xác Tuy nhiên chất không đồng thức ăn với thành phần hỗn hợp có sai lệch 0,16-0,45% 5.3 Lipid: Lipid cho quang phổ đơn giản chủ yếu đại diện hydrocarbon chuỗi axit béo Các dải hấp thụ xuất đến 1734, 1765, 2304 2348 nm Các chất béo phân tích IR nhiều sản phẩm, với chi tiết khác Tùy sản phẩm có mức độ chất béo cao hay thấp hơn, nhiều sản phẩm thơ có hàm lượng lipid thấp Trong trường hợp độ nhạy độ xác phương pháp khơng đủ tin cậy 5.4 Glucid: Glucid có tầm quan trọng lớn thức ăn động vật Theo tính chất sinh hóa nó, glucid có vai trò dinh dưỡng khác Các vùng quang phổ hấp thụ mạnh 2070 2110 nm, nơi carbohydrate có dải hấp thụ mạnh sóng kéo dài rung động nhóm CO OH 26 Khu vực phân biệt loại đường đơn giản polyme chúng saccharose phân tích nhiều loại thực phẩm dành cho người động vật, với sai số từ 0,2 đến 1% Nó giúp xác định dễ dàng lượng saccharose thêm vào thực phẩm dựa vào kết phân tích đường dạng tự nhiên 5.5 Chất xơ : Phương pháp Van Soest phương pháp tiếng để xác định hàm lượng chất xơ phương pháp đo lường NDF (Neutral Detergent Fibre) ADF (Acid chất tẩy rửa chất xơ) NDF tổng hàm lượng hemixenluloza, cellulose lignin, ADF xác định hàm lượng cellulose lignin Phương pháp phân tích thơng số với độ xác cao 5.6 số ứng dụng khác: - Trong thực phẩm: + Xác định hàm lượng tro, béo, xơ, đạm, ẩm, phospho bột cá thức ăn gia súc + Xác định hàm lượng béo chocolate kem, sữa chua + Xác định hàm lượng béo, đạm, nước, acid béo bão hòa, acid béo khơng bão hòa sữa + Xác định hàm lượng béo, đạm, ẩm thịt, thịt bò, thịt bê, thịt heo, thịt gà, + Xác định hàm lượng tro, béo, ẩm, đạm thành phần amylose gạo - Công nghiệp dược phẩm : + Xác định mức độ este hóa acid acetic benzyl alcohol + Xác định hàm lượng nước dư sau sấy khô lạnh + Xác định hàm lượng nước dung môi + Xác định hàm lượng acid nitric dẫn xuất pyridine - Cơng nghiệp Hóa chất : + Xác định hàm lượng chất keo hỗn hợp dung môi (40-50%) + Xác định hàm lượng nước polymer phân tán + Xác định mức độ este hóa hóa chất cơng nghiệp + Xác định hàm lượng cyanamide dung môi (10-60%) Dinh dưỡng: Phương pháp IR thường xác định giá trị dinh dưỡng tiêu chuẩn thực phẩm tiêu hóa chất hữu lượng Dự đoán hàm lượng sử dụng tuyến tính dựa phương trình có dạng: Giá trị dinh dưỡng = số + α [protein] + β [lipid] + δ [carbohydrates] + Trong α, β, δ hệ số Từ IR để xác định thành phần riêng lẻ, sử dụng phương pháp phân tích để đánh giá giá trị dinh dưỡng nguyên vật liệu hỗn hợp nghiên cứu Một số nghiên cứu công bố thực để dự đoán thành phần sau áp dụng mơ hình tuyến tính để xác định giá trị dinh dưỡng thực phẩm 27 Một cách khác dự đoán trực tiếp giá trị dinh dưỡng từ pp NIR Tuy nhiên, phương pháp, tài liệu tham khảo để đo lường giá trị dinh dưỡng thực phẩm dài để thực tốn Các vấn đề phải có đủ số lượng mẫu phân tích hiệu chỉnh quang phổ IR VI NHỮNG LOẠI MÁY QUANG PHỔ TRÊN THỊ TRƯỜNG HIỆN NAY: 6.1 Máy quang phổ hồng ngoại biến đổi Fourier: Thông tin chi tiết Máy quang phổ hồng ngoại biến đổi Fourier (FT-IR) Model: Nicolet 6700 - ThermoNicolet (Mỹ) Đặt tính kỹ thuật: - Độ phân giải quang học : 0.09 cm - Độ xác số sóng: 0.01 cm-1 - Độ tuyến tính theo tieue chuẩn: ASTM: