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第51章 现代仪器分析在食品分析中的应用(7)

(1)双柱定性:采用已知物直接对照定性,在同一根柱子上进行分析比较来进行定性分析。这种定性分析结果的准确度往往不高,特别对一些同分异构体往往区分不出来。所以,可以在两根不同极性的柱子上,将未知物的保留值与已知物的保留值进行对比分析,以提高定性分析结果的准确度。在用双柱定性时,所选择的两根柱子的极性差别应尽可能大,极性差别越大,定性分析结果的可信度越高。由于非极性柱上各物质出峰顺序基本上是按沸点高低出峰,而在极性柱上各物质的出峰顺序则是主要由其化学结构所决定。因此双柱定性在同分异构体的确认中有很重要的作用。在双柱选择上还可以选择氢键缔合能力有较大差异的不同柱子对一些形成能力不同的化合物进行定性分析。两个纯化合物在性能(极性或氢键形成能力等)不同的二根或多根色谱柱上有完全相同的保留值(在不同柱上的保留时间不同),则这两个纯化合物基本上可以认定为同一个化合物。使用的柱子越多,可信度越高。

(2)碳数规律定性:在一定温度下,同系物间的调整保留值(也可采用比保留值,相对保留值)的对数与该分子的碳数成线性关系,即利用碳数规律可以在已知同系物中几个组分保留值的情况下,推出同系物中其他组分的保留值,然后与未知物的色谱图进行对比分析。在用碳数规律定性时,应先判断未知物类型,才能寻找适当的同系物。与此同时,要注意当碳原子数 n=1或 2时,以及碳数较大时,可能与线性关系发生偏差。

(3)沸点规律定性:同族具有相同碳原子数目的碳链异构体的调整保留值(也可用比保留值或相对保留值)的对数值与沸点成线性关系,根据参考文献上有关沸点的数据,就可以推断该组分为何种化合物。与利用碳数规律进行定性一样,对碳链异构体也可以根据其中几个已知组分的调整保留值的对数与相应的沸点作图,然后根据未知组分的沸点,在图上求其相应的保留值,与色谱图上的未知峰对照进行定性分析。

与气相色谱相比,液相色谱的分离机理复杂得多,不仅仅是吸附和分配,还有离子交换、体积排阻、亲核作用、疏水作用等。组分的保留行为也不仅与固定相有关,还与流动相的种类及组成有关(气相色谱中组分的保留行为只与固定相种类和柱温有关,而与流动相种类无关)。因此液相色谱中影响保留值的因素比气相色谱中要多很多。

在气相色谱中的一些保留值的规律在液相色谱中不适用,也不能直接用保留指数(Kovats指数)定性。

在液相色谱中保留值定性的方法主要是用直接与已知标准物对照的方法。当未知峰的保留值(t′R或V′R)与某一已知标准物完全相同时,则未知峰可能与此已知标准物是同一物质,特别是在改变色谱柱或改变洗脱液的组成时,未知峰的保留值与已知标准物的保留值仍能完全相同,则可以基本上认定未知峰与标准物是同一物质。

在利用保留值数据进行比对和定性分析时要特别注意到:由于液相色谱柱的填柱技术较复杂,液相色谱所使用的色谱柱的重现性还很不理想,即使是同一批号的柱子,重现性也不一致,这就使得使用保留值数据进行分析受到限制。因此,保留值数据只能作为定性分析的参考。可以根据这些数据和对样品的了解选用已知标准物,再用这些已知标准物与未知物在同一色谱条件下直接进行对比。已知物峰高增加法是最简单而可靠的定性方法。

一些HPLC仪器配备三维图谱检测器,如二极管阵列检测器(DAD),在进行未知组分与已知标准物质比对时,除了比较保留时间外,还可以比较两个峰的立体图形。如在使用二极管阵列检测器时,除了比较未知组分与已知标准物质的保留时间外,还可比较两者的紫外光谱图,如果保留时间一样,两者的紫外光谱图也完全一样,则可基本上认定两者是同一物质;若保留时间虽一样,但两者的紫外光谱图有较大差别,则两者不是同一物质。这种利用三维图谱比较对照的方法可大大提高保留值比较定性方法的准确性。

16.3.6.2色谱定量分析

16.3.6.2.1原理

色谱法定量分析的根据是组分i通过检测器时产生的信号大小,即组分i的峰面积Ai(或峰高hi)与进入检测器的组分i的质量mi成正比,即Ai∝ mi或hi∝mi,由此得到:

Ai=Simi;hi=Si(h)mi

或者mi=Ai/Si=Aifi;mi=hi/Si(h)=hifi(h)。

式中:Ai——组分i的峰面积,mm2;

mi——组分i进入检测器的量,g或mol;

hi——组分i的峰高,mm;

Si——组分i的绝对响应值;

fi——组分i的绝对校正因子;

Si(h)——组分i的峰高绝对响应值;

fi(h)——组分i的峰高绝对校正因子。

16.3.6.2.2方法

(1)归一化法:归一化法定量是色谱分析法中常用而且简单准确的方法。归一化法只适用于样品中所有组分都能从色谱柱流出并被检测器检出,且都在线性范围内,同时又能测定或查出所有组分相对校正因子的样品。各组分含量的计算公式为:

Xi=fiAi∑fiAi×100%

式中:Xi、fi,Ai——试样中被测组分的百分含量、相对质量校对因子和色谱峰面积。

该式也称为面积校正归一化法。归一化法定量的特点是比较简单、方便,其结果与进样量无关,仪器的操作条件稍有变动对结果影响不大。当所有组分的校正因子都相同时,上式可简化为:

Xi=Ai∑Ai×100%

此式又称为面积归一化法,在FID上,各种烃类的fi都很相近,计算时采用此式非常方便。

(2)内标法:内标法是色谱分析法中常用而且准确的定量方法,进样量的准确性和操作条件的波动对测定结果的影响较小,此法不要求出全峰,但被测的组分必须出峰。内标法是将一种纯物质作为标准物加入到待测样品中,此内标物质应该是样品中不存在的,且与待测组分性质相近的纯物质,加入的内标物质量应与待测物质的质量分数相近,内标物的色谱峰应位于待测组分峰的附近,或位于几个待测组分峰的中间,并与待测组分峰完全分离。

具体方法是:准确称取一定质量的内标物质,加入到准确称取的一定质量的样品中去,混合均匀,在一定的色谱操作条件下,将混合物注入色谱仪,分离出峰后,分别测量组分i和内标物S的峰面积或峰高,组分含量的计算为:

Xi=mSfiAimfEAE×100%

式中:ms、m——加入内标物的量和试样的质量;

i——被测峰;

E——内标峰。

(3)外标法:外标法又称标准工作曲线法或已知样校正法。此法是先配制一系列不同浓度的标样进行色谱分析,作出峰面积对浓度的工作曲线,在严格相同的色谱条件下,注射相同量或已知量的试样进行色谱分析,求出峰面积后根据工作曲线求出被测组分的含量。若工作曲线通过原点,可配制与所测组分浓度相近的一个标样进行色谱分析。在相同进样量的条件下,被测组分含量可直接用下式计算:

Xi=EiAiAE

此方法的特点是操作简单,计算方便,但要求分析组分与其他组分完全分离、色谱分析条件也必须严格一致。当配制标样的化合物与所测组分不同时,峰面积必须进行校正:

Xi=XEfiAifEAE

式中:Xi、fi、Ai——被测组分含量、相对校正因子及峰面积;

XE、fE、AE——外标物的浓度、相对校正因子及峰面积。

16.3.7色谱分析法在食品分析中的应用

色谱技术在食品分析中的应用越来越广泛,几乎涉及食品分析的所有内容,主要包括:蔬菜水果中农药残留分析;畜禽水产品中兽药残留及瘦肉精、三甲胺分析;饮用水农药残留及挥发性有机污染物分析;烟熏制品中多环芳烃分析;食品添加剂分析;油炸食品中丙烯酰胺分析;白酒中甲醇和杂醇油分析;啤酒饮料及葡萄酒种风味物质组成分析;食用油中脂肪酸组成分析;各类风味物质分析;食品包装中有害物质及迁移分析等。食品分析中色谱技术应用文献很多,国家标准方法中也大量应用,这里不具体举例说明,读者需要时可检索相关文献。

16.4核磁共振波谱法

16.4.1概述

核磁共振(Nuclear Magnetic Resonance,NMR)波谱是一种基于特定原子核在外磁场中吸收了与其裂分能级间能量差相对应的射频场能量而产生共振现象的分析方法。核磁共振波谱通过化学位移值、谱峰多重性、偶合常数值、谱峰相对强度和在各种二维谱及多维谱中呈现的相关峰,提供分子中原子的连接方式、空间的相对取向等定性的结构信息。

在一个分子中,各个质子的化学环境有所不同,或多或少受到周边原子或原子团的屏蔽效应影响,因此它们的共振频率也不同,从而导致在核磁共振波谱上各个质子的吸收峰出现在不同的位置上。但这种差异并不大,难以精确测量其绝对值,因此采用一个信号的位置与另一参照物信号的偏离程度表示,称为化学位移(Chemical Shift),即:某一物质吸收峰的频率与标准质子吸收峰频率之间的差异,是一个无量纲的相对值,常用符号“δ”表示,单位为 ppm。也可用氘代溶剂中残留的质子信号作为化学位移参考值。在实际应用中,常用四甲基硅烷(TMS)作为参照物。

δ=Vsample-VTMSVTMS×106

核磁共振定量分析以结构分析为基础,在进行定量分析之前,首先对化合物的分子结构进行鉴定,再利用分子特定基团的质子数与相应谱峰的峰面积之间的关系进行定量测定。核磁共振波谱是一专属性较好但灵敏度较低的分析技术。低灵敏度的主要原因是基态和激发态的能量差非常小,通常每十万个粒子中两个能级间只差几个粒子(当外磁场强度约为2 T 时)。磁性原子核,如1H和13C在恒定磁场中,只和特定频率的射频场作用。共振频率、原子核吸收的能量以及信号强度与磁场强度成正比。例如,在场强为21特斯拉(T)的磁场中,质子的共振频率为900 MHz。尽管其他磁性核在此场强下拥有不同的共振频率,但人们通常把21特斯拉和900 MHz频率进行直接对应。以1H核为研究对象所获得的谱图称为氢核磁共振波谱图;以13C核为研究对象所获得的谱图称为碳核磁共振波谱图。

核磁共振谱可提供四个重要参数:化学位移值、谱峰多重性、偶合常数值和谱峰相对强度。核磁共振信号的另一个特征是它的强度。在合适的实验条件下,谱峰面积或强度正比于引起此信号的质子数,因此可用于测定同一样品中不同质子或其他核的相对比例,以及在加入内标后进行核磁共振定量分析。

16.4.2核磁共振谱仪

常见的有两类核磁共振波谱仪:经典的连续波(CW)波谱仪和现代的脉冲傅里叶变换(PFT)波谱仪,绝大多数为后者。组成主要包含超导磁体、射频脉冲发射系统、核磁信号接收系统和用于数据采集、储存、处理以及谱仪控制的计算机系统。

(a)连续波(CW)波谱仪(b)现代的脉冲傅里叶变换(PFT)波谱仪

16.4.3定性和定量分析

16.4.3.1定性分析

核磁共振波谱是一个非常有用的结构解析工具,化学位移提供原子核环境信息,谱峰多重性提供相邻基团情况以及立体化学信息,偶合常数值大小可用于确定基团的取代情况,谱峰强度(或积分面积)可确定基团中质子的个数等。一些特定技术,如双共振实验、化学交换、使用位移试剂、各种二维谱等,可用于简化复杂图谱、确定特征基团以及确定偶合关系等。

对于结构简单的样品可直接通过氢谱的化学位移值、偶合情况(偶合裂分的峰数及偶合常数)及每组信号的质子数确定,或通过与文献值(图谱)比较确定样品的结构以及是否存在杂质等。与文献值(图谱)比较时,需要溶剂种类、样品浓度、化学位移参照物、测定温度等实验条件的影响。对于结构复杂或结构未知的样品,通常需要结合其他分析手段,如质谱等确定其结构。

16.4.3.2定量分析

与其他核相比,1H核磁共振波谱更适用于定量分析。在合适的实验条件下,两个信号的积分面积(或强度)正比于产生这些信号的质子数:

A1A2=N1N2

式中:A1、A2——相应信号的积分面积(或强度);

N1、N2——相应信号的总质子数。

如果两个信号来源于同一分子中不同的官能团,上式可简化为

A1A2=n1n2

式中:n1、n2——相应官能团中的质子数。

如果两个信号来源于不同的化合物,则

A1A2=n1m1n2m2=n1W1/M1n2W2/M2

式中:m1、m2——化合物1和化合物2的分子个数;

W1、W2——其质量;

M1、M2——其分子量。

由后两式可知,核磁共振波谱定量分析可采用绝对定量和相对定量两种模式。

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