常见饮料中咖啡因的拉曼光谱定性检测

彭 军,梁敏华,冯锦澎

(广州大学,广东 广州 510006)

常见饮料中咖啡因的拉曼光谱定性检测

彭 军,梁敏华,冯锦澎

(广州大学,广东 广州 510006)

利用激光拉曼光谱仪在微弱光信号检测方面的优点,用测试范围200 nm-800 nm,测试精度0.1nm的激光拉曼光谱仪对几种常见饮料进行测试,将265nm处咖啡因特征峰作为判断依据,定性检出饮料中含有咖啡因。

咖啡因;样品提取;拉曼光谱;特征谱

1 应用拉曼光谱检测饮料中所含咖啡因的优势

咖啡因又叫咖啡碱,是一种生物碱,存在于茶叶、咖啡、可可等植物中。作为一种弱碱性化合物,咖啡因可溶于氯仿、丙醇、乙醇和热水中。咖啡因纯品熔点235～236℃,含结晶水的咖啡因是无色针状晶体,在100℃时失去结晶水,并开始升华,120℃时显著升华,178℃时迅速升华。利用这一性质可纯化咖啡因。咖啡因的结构式为:

咖啡因(1,3,7-三甲基-2,6-二氧嘌呤)

在商场货架上展示的各种饮料中都含有咖啡因。适量食用咖啡因有祛除疲劳、兴奋神经等作用。大量或长期摄取咖啡因有损人体的健康,对孕妇、儿童尤其不利。咖啡因是精神类药物,在我国属毒品管制物,其毒性可引发心脏病,对人体骨骼状况及钙平衡产生不利影响等。

激光拉曼光谱可对样品中小含量物质检出,对液体的检测尤其简便、快速、可靠。用激光拉曼检测手段可降低有机溶剂消耗,缩短分析时间,由于样品处理大多可采用液体稀释的方法,拉曼光谱检测不但高效,还具有更高的准确率,在短时间定性检测上有明显优势。

本实验研究采用天津港东LRS-2/3型激光拉曼光谱仪进行光谱测试。

2 饮料样品处理

2.1 标准样品——茶叶中萃取的高纯度咖啡因

从茶叶中提取咖啡因有很多方法,其中以索氏提取法最为简便,样品处理分为提取、蒸馏、升华3个步骤[1-2]。

图1 茶叶样品萃取处理装置

图1中1为索氏提取器(烧瓶,提取筒,球型冷凝管)。将研细的固体物质装入滤纸筒内,再置于抽凝筒,烧瓶内盛溶液,并与抽提筒相连,抽提筒索氏提取器上端接冷凝管。溶剂受热沸腾,其蒸气沿抽提筒侧管上升至冷凝管,冷凝为液体,滴入滤纸筒中,并浸泡筒中的样品。当液滴超过虹吸管最高处时,即虹吸回流烧瓶,从而萃取出溶于溶剂的部分物质。图1中2为蒸馏装置(三口管,弯尾管,锥形瓶,直型冷凝管,蒸发皿)。蒸出大部分乙醇,除去水分(不能干,成粉末状即可止)。图1中3为升华装置(蒸发皿,漏斗,滤纸,棉花)升华出白色针状的晶体。

本实验采用国产红茶萃取的99.7%咖啡因作为标准样品,比对其他各种常见饮料的拉曼光谱。

2.2 茶饮料、可乐、运动功能饮料、凉茶等饮料的样品处理

2.2.1 实验溶剂

对样品稀释可采用乙醇、纯水作为溶剂,用纯水稀释效果优于乙醇。

由实验观察可知,咖啡因样品在无水乙醇中会发生一定的化学能量反应,使咖啡因特征谱产生移动,乙醇光谱相对复杂,在拉曼光谱中体现为多组能量峰,往往掩盖咖啡因能量峰或造成干扰,对检测不利。改用纯净水作为实验溶剂,稀释后液体的532nm光源透过率增加,散射特征谱明显。

2.2.2 液体饮料样品处理

本实验选取比较常见的茶饮料、可乐、咖啡、功能饮料和罐装凉茶作为检测目标,通过物理的离心、过滤、静置等手段对样品进行处理[3]。

图2 标准样品——茶叶中提取的高纯度咖啡因拉曼光谱

图4 可乐饮料咖啡因拉曼光谱

(1)可乐样品处理

①置备可乐50 mL;

②在20℃下对可乐进行30 min的超声脱气;

③取脱气可乐10 mL,通过混纤微孔滤膜,弃去最初5mL,保留后5mL备用。

(2)咖啡型饮料样品处理

①将饮料溶液过滤后,置于800D离心机内离心3min;

②用注射器吸取底层清液,取3mL备用。

(3)茶饮料、运动功能饮料、罐装凉茶样品处理

①取茶饮料、某维生素/牛磺酸功能饮料、某品牌广东凉茶各10 mL,于室温内放置30 min;

②用滤纸对样品进行过滤,取样备用。

3 拉曼光谱咖啡因定性检测

3.1 定性检测

以上各液体饮料的稀释液分别置于拉曼光谱仪铅直液体管中,检测其拉曼光谱,均找到265nm处明显特征峰,与标准样品光谱值一致。标准样品光谱如图2,各检测饮料样品特征谱如图3～图7所示。

图3 茶饮料咖啡因拉曼光谱

图5 咖啡饮料咖啡因拉曼光谱

图6 维生素/牛磺酸功能饮料咖啡因拉曼光谱

对比以上样品的拉曼光谱图,可以很清楚地看到:各种饮料样品都在265nm附近都有一个明显的拉曼光谱峰,这个光谱峰与咖啡因标准样品的特征峰相同。而在其余的波段,由于样品的纯度问题、溶剂里存在合成饮料的其他物质,图线有细微的波动,不过并不明显。比较各光谱图,我们可以认定这种波动是普遍而微小的,并不影响判断。

从以上图中可以更清晰地看到:不论是那种饮料,也不论其咖啡因浓度有多少,其拉曼光谱图都显示样品在相同的波段(265nm)有一个明显散射峰。

4 结 论

从以上检测结果可知,应用激光拉曼光谱仪可检测到含咖啡因饮料都在265nm波段有明显峰值,通过与茶叶中提取的高纯度咖啡因标准样品拉曼光谱图的对比,可以确定该峰值即咖啡因散射峰。由此可知,拉曼光谱在265nm明显的能量峰可以作为判断饮料样品存在咖啡因的一种依据。与其他现行办法相比,用拉曼光谱法检测饮料中含有咖啡因,不需要经过繁琐的萃取或分离流程,只需简单的物理溶解、去气、离心等手段就可以处理好样品,该分析过程具有操作简便,测定时间短,灵敏度高的优点,适用于实验室对常见饮料中咖啡因的定性检测。

图7 某广东凉茶咖啡因拉曼光

[1]丁明珍,邹连凯.离心萃取-紫外光谱法测定可乐饮料中咖啡因的含量[J].分析化学研究简报,2008,36(3):381-384.

[2]黄攀豪.茶叶中咖啡因的提取和分析[J].佛山科学技术学院报,2008,26(2):48-50.

[3]关淑霞,朱建喜,于凯.咖啡因的检测[J].哈尔滨师范大学学报,2007,23(1):71-74.

The Qualitative Test of Laser Raman Spectrometer in Common Caffeine Drinks

PENGJun,LIANG Min-hua,FENGJin-peng

(Guangzhou University,Guangzhou 510006)

As laser Raman spectrometer has its advantage in testing signals in dim light,a test of several common drinks has been carried out by laser Raman spectrometer of 200nm-800nm spectrum and 0.1nm accuracy.The finding is that common drinks contain caffeine in the position of 265nm caffeine feature peak under the qualitative test.The sample liquids that laser Raman spectrometer needs can be obtained by chemical extraction and physical dissolving.Physical dissolving is easy tOcarry out as it produces nOmolecular changes that influence the move of wave length.

caffeine;sampling;Raman spectrometer;feature spectrum

O433.2

A

1007-2934(2011)03-0029-03

2010-10-22