Phương pháp Phổ Hồng Ngoại và Ứng Dụng trong Phân Tích Thực Phẩm

Phổ dao động quay của phân tử hai nguyên tử

Biểu thức (8) còn giúp ta hình dung đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc thế năng của phân tử hai nguyên tử trong dao động điều hoà vào khoảng cách r giữa hai nguyên tử. Đó là một parabol có trục đối xứng là đường thẳng đứng đi qua điểm cực tiểu của thế năng. Ở mỗi trạng thái dao động, khoảng cách r giữa hai nguyên tử thay đổi xung quanh giá trị ro từ một giá trị cực đại rmax đến một giá trị cực tiểu rmin. Ở hai giá trị giới hạn đó thế năng Er của hệ bằng năng lượng toàn phần do dao động Edđ. Theo cơ học lượng tử, năng lượng toàn phần Edđ chỉ có thể nhận một dãy các giá trị gián đoạn:. Hình3: a) Đường cong thế năng và các mức năng lượng dao động của phân tử hai nguyên tử dao động điều hoà. b) Phổ dao động trong trường hợp dao động điều hoà. Như vậy trong trường hợp lý tưởng, phân tử có dao động điều hoà và không kể đến chuyển động quay thì phổ hấp thu hồng ngoại chỉ gồm một vạch duy nhất (Hình 3b) ứng với biến thiên năng lượng bằng hiệu năng lượng giữa hai mức cạnh nhau và có tần số bằng tần số dao động riêng của phân tử.

Phổ dao động quay của phân tử nhiều nguyên tử

Quang phổ dao động quay ( phổ hồng ngoại):. Khi phân tử hấp thu bức xạ hồng ngoại thì phổ thu được không chỉ là phổ dao động không điều hoà mà còn là phổ dao động quay, do khi năng lượng của bức xạ đủ lớn để kích thích các trạng thái dao động thì nó cũng làm thay đổi cả trạng thái quay. Kết quả là “ vạch” hấp thu phổ ứng với quá trình dao động không phải là một vạch duy nhất mà bao gồm nhiều tập hợp vạch nhỏ là đám vạch có tần số V = Vdd + Vq còn chính vạch có tần số Vdd thì lại không xuất hiện. Các máy quang phổ có độ phân giải kém không cho thấy các vạch riêng lẻ của đám mà chỉ cho thấy một đường cong viễn quanh các vạch đó. Hình 5: Các kiểu dao động trong phân tử nước a) dao động hoá trị đối xứng. b) dao động hoá trị bất đối xứng c) dao động trong mặt phẳng. Vùng phổ từ 1500-700 cm-1 , mặc dù có chứa các vân hấp thu đặc trưng cho dao động hóa trị của các liên kết đơn như C-C, C-N, C-O…và các vân do dao động biến dạng của các liên kết C-H, C-C…nhưng thường được dùng để nhận dạng toàn phân tử hơn là để xác định các nhóm chức, vì ngoài các vân hấp thu trên còn có nhiều vân hấp thu xuất hiện do tương tác mạnh giữa các dao động.

Các yếu tố ảnh hưởng đến tần số đặc trưng nhóm

Ảnh hưởng do cấu trúc của phân tử

Ảnh hưởng của liên kết hydro nội phân tử: Liên kết hydro là liên kết yếu được hình thành khi nguyên tử hydro đã tham gia liên kết cộng hóa trị với nguyên tử của một nguyên tố có độ âm điện lớn lại tương tác với một nguyên tử âm điện khác. Liên kết hydro có thể được xem là liên kết kiểu ba trung tâm trong đó H đóng vai trò của cầu nối, làm cho hai liên kết hai bên đều bị yếu đi dẫn đến số sóng dao động hóa trị của hai nhóm tham gia liên kết đều giảm xuống, vân hấp thu của nhóm X-H (X: F, O, N) thường trải rộng ra so với trường hợp không tạo liên kết hydro.

Các vân phổ hồng ngoại không cơ bản

Tuy nhiên việc đo phổ hồng ngoại của các hợp chất vô cơ và phức chất khá phức tạp (ví dụ như phải tiến hành đo ở vùng có số sóng khá thấp mà không phải máy nào cũng đáp ứng được) nên trong thực tế, phương pháp này được sử dụng để phân tích các hợp chất hữu cơ là phổ biến hơn. Tần số hấp thu đặc trưng của các nhóm chức được trình bày trong các bảng có đơn vị là cm-1 (thật ra là số sóng, nhưng được quen gọi là tần số) với cường độ được viết tắt là m (mạnh), tb (trung bình), y (yếu) và bđ (biến đổi).

Tần số hấp thu của hydrocarbon

Tần số hấp thụ thay đổi càng mạnh khi dao động hoá trị C – O và dao động biến dạng O–H có sự kết hợp với những hydro liên tiếp (bảng 6 và 7). Bảng 6: Tần số hấp thu đặc trưng của alcohol. hoặc DD thật loãng). Dao động hoá trị của nhóm NH đôi khi cũng ở lẫn trong vùng của nhóm OH liên kết hydro, nhưng vân NH thưởng nhọn ( vì tạo liên kết hydro yếu) và có cường độ yếu hơn vân OH.

Tần số hấp thu của ether, epoxide và peroxide

• Có nhóm thế rút điện tử ở vị trí ortho ngăn cản tạo liên kết hydrogen. • Mẫu lỏng, rắn hay DD đậm đặc và không có nhóm thế rút điện tử ở vị trí ortho.

Tần số hấp thu của hợp chất carbonyl

Anhydride acid: Ngoài hai mũi hấp thu đặc trưng do dao động hóa trị đối xứng và bất đối xứng của hai liên kết C=O ghép trong hệ thống –CO–O–CO– trong anhydride acid, còn có dao động hóa trị của nhóm chức C–O–C (bảng 11). Ngoài các hợp chất đã kể trên, còn nhiều hợp chất khác cũng có chứa nhóm carbonyl như amide – CO-N<, imide –CO-N-CO-, urea –N-CO-N, Thioacid, Thioester… Bảng 16 cung cấp tần số hấp thu đặc trưng của một số hợp chất carbonyl thông dụng khác.

Tần số hấp thu của hợp chất Nitrogen

Nitrile không no, liên hợp hay thơm(cường độ biến đổi theo mạch carbon, theo hệ thống nối Pi liên hợp, tạo phức với kim loại dạng –. Isonitrile thơm(Isonitrile có mũi hấp thu đặc trưng để phân biệt với nitrile ở 1595 cm-1).

Tần số hấp thu của hợp chất chứa nối đôi liền nhau

1950 (tb) Nhóm allen đầu mạch hoặc liên hợp với nhóm hút electron thường có hai vân.

Máy quang phổ IR

Như vậy, chùm bức xạ đến mẫu đo gồm hai bức xạ nhập lại có thời gian trễ khác nhau nên cường độ bức xạ thay đổi theo thời gian, phụ thuộc vào quãng đường d của bức xạ đến gương di động M2 (H.7). So với máy hồng ngoại thế hệ cũ, máy hồng ngoại biến đổi Fourier (H.11.8) có rất nhiều ưu điểm: việc sử dụng giao thoa kế cho phép khe sáng rộng hơn nên cường độ bức xạ vào detector sẽ lớn hơn; tỉ lệ S/N tăng lên nhờ giảm được nhiễu; nhờ sử dụng máy tính, việc đo phổ được tự động hoá ở mức cao và phổ có thể được lưu trữ và đối chiếu với phổ chuẩn có trong “thư viện” của máy.

Cách chuẩn bị mẫu

Trong hệ thống sắc kí khí-hồng ngoại (GC/IR), sau khi được tách bằng máy sắc kí khí, mỗi hợp phần đi ra từ cột sắc kí (tương ứng với mỗi peak trên sắc kí đồ) sẽ được ghi phổ hồng ngoại (thường dùng FTIR) và được lưu giữ trong bộ nhớ của máy tính. Nhờ so sánh các phổ mẫu với thư viện phổ chuẩn lưu trong mỏy tớnh, mỏy cú thể chỉ rừ cấu tạo của cỏc hợp chuẩn hoặc cho biết các nhóm chức có mặt trong hợp phần đó.

Ứng dụng

Trong nhiều trường hựp việc đọc phổ (giải phổ) và tìm các tần số đặc trưng không đủ để nhận biết một cách toàn diện về chất nghiên cứu, nhưng có lẽ là có thể suy đoán được kiểu hoặc loại hợp chất.Cũng cần tránh khuynh hướng cố gắng giải và gán cho mọi đám phổ quan sát thấy, nhất là những đám phổ vừa và yếu trong vùng phổ phức tạp. Ví dụ có thể nhận ra một lượng nhỏ xeton trong hidrocacbon vì hidrocacbon thực tế không hấp thụ vùng phổ - 1720cm-1 là số sóng đặc trưng cho nhóm C = O Phương pháp này thường được dùng để kiểm tra sản xuất rất nhiều loại hoá chất ở quy mô công nghiệp.

Nước

- Chỉ riêng phổ hồng ngoại thì đôi khi chưa thể biết đó là chất nguyên chất hay chất hỗn hợp vì có trường hợp 2 chất có phổ hồng ngoại giống nhau. Phương pháp quang phổ IR dễ dàng thực hiện và rất hữu ích trong việc loại bỏ các nguyên liệu, sản phẩm thực phẩm mà ta nghĩ ngờ không đạt chất lượng.

Protein

Vị trí và hình dạng của các dải hấp thụ nước bị ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố như: nhiệt độ, nồng độ chất tan và hạt kích thước của mẫu. Tuy nhiên, nó thường cần thiết để áp dụng phương trình hiệu chỉnh phức tạp hơn dự đoán, lượng nước trong thực phẩm.

Máy quang phổ hồng ngoại biến đổi Fourier

Đây là một công cụ nhanh và chính xác để phân tích mẫu lỏng, rắn và vật liệu keo mà không làm phá hủy mẫu, tiết kiệm chi phí bằng cách giảm thời gian thực hiện và hóa chất sử dụng. Các lĩnh vực ứng dụng chính trong thực phẩm và thức ăn gia súc bao gồm: sản xuất bơ sữa và thịt, thức uống, thành phần bánh mì và đồ gia vị cũng như hạt, giống, thức ăn gia súc.