FTIR在物质结构分析方面的研究进展
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FTIR在物质结构分析方面的研究进展


从三聚氰胺、“瘦肉精”、苏丹红、塑化剂、地沟油到如今的“皮革奶”,动物源性食品安全问题层出不穷,动物养殖环节中非法添加物的使用、高风险物质的滥用问题日益突出,如何实现对未知添加物的筛查与确证面临严峻考验。红外光谱,与核磁共振谱、质谱、紫外光谱一样,是进行结构分析的有力工具。目前,在畜产品质量安全方面,应用傅里叶红外光谱(FTIR)对这些添加物进行分析的研究很少。本文总结了当前FTIR物质结构分析方面的应用,包括对已知化合物光谱特征、分子构象、稳定性、同系物、衍生物、反应产物等的分析,对大分子物质官能团的推断,对未知物分子结构式的确证和对复杂生物样品的组分分析或种类辨别,以期形成对动物养殖环节中非法添加物或高风险物质筛查的新思路,希望建立针对动物养殖环节中可能出现的有危害性的添加物的红外光谱库、官能团库,在此基础上形成未知添加物的综合解析与确认技术规程,对可能引起重大食品安全事故的添加物进行早期预警,从而防患于未然。

近年来牧畜生产中使用非法添加物和高风险物质的问题日益突出。尽管行业管理部门花费巨大精力和人力物力进行整治,三聚氰胺、瘦肉精等恶性事件仍不断出现。继2011年“瘦肉精”事件发生后,陆续有各种各样的盐酸克伦特罗的类似物出现。已有的β-肾上腺素受体激动剂包括异丙肾上腺素、沙丁胺醇等二十几种。我国针对动物养殖中使用的非法添加物的筛查与确认存在较大缺陷:一是事后研究,二是检测方法标准的研发远远落后于非法添加物的更新,三是预警分析停留在现有信息的分析整理上,四是缺乏未知添加物的筛查与确认技术。

目前对动物养殖环节中污染物的检测方法主要有高效液相色谱技术、气相色谱-质谱技术、液相色谱-质谱技术、电化学技术以及免疫酶技术等,集中在定量分析,定性分析却较少。

红外光谱,作为分子光谱的四大谱学之一,同核磁共振谱(NMR)、质谱(MS)、紫外光谱一样,是对物质进行结构分析的有力工具,已在化工、环境、医药、农业、考古、司法鉴定等领域都得到了广泛应用。FTIR克服了普通色散型仪器由于使用单色器所造成的弊端,在各领域分析测试中发挥着越来越重要的作用。具有速度快,信噪比高,光通量大等优点。与色谱技术、核磁共振技术相比,FTIR样品前处理简单、快速,对样品破坏性小,且仪器操作简单。

为此,拟采用FTIR等技术建立动物养殖环节相关非法添加物和高风险物质的结构信息库,形成未知添加物的综合解析与确认技术规程,遏制非法添加物在畜牧养殖过程中的违法使用,对可能引起重大食品安全事故的添加物进行早期预警,从而防患于未然。

1 FTIR在物质结构分析方面的应用

红外光谱具有宏观指纹性,峰位、峰形、峰强反映了体系中各种基团的特征性振动和谱峰叠加情况,任何组分的改变都会引起红外谱图的变化,是对物质进行定性分析的有力工具。对已知化合物的定性,可以将试样的谱图与标准谱图(文献、“萨特勒”标准红外谱图等)比对;对于未知化合物的定性,若该化合物不是新物质,可检索标准谱库,若为新物质,往往需要与元素分析法、气相色谱(GC)、液相色谱(LC)、拉曼光谱(Raman)、MS、NMS等结合,进行结构解析。

从微观结构角度,FTIR可以鉴定化合物的异构体、同系物等,确定化合物可能包含的基团,鉴定已知或未知化合物的结构,分析杂质成分;追踪化学反应进程等。以下就其在一些方面的应用做介绍。

1.1 FTIR在已知化合物结构分析方面的应用

采用FTIR,Raman,MS和NMR等一种或几种技术研究某已知化合物的光谱特征,实现结构确证,或建立相应检测方法。

王吉有等[1] 测量了盐酸苯海拉明的红外吸收光谱和拉曼光谱,并根据其结构对主要的振动谱峰进行了指认和探讨,在红外振动谱峰中,3 045和3 022cm-1为苯环C—H对称伸缩振动,1 020cm-1为C—O—C反对称伸缩振动,714和757cm-1可表征单取代苯等,为药物的快速检测提供了一种手段。Suresh等[2] 采用FTIR和FT-Raman进行了2,4-二羟基-N’-(4-对甲氧苯亚甲基)苯甲酰肼分子构象和振动光谱的确证。Linda Monaci等[3] 将3 478cm-1(吲哚基团中N—H伸缩振动)、1 708cm-1(环羰基基团中C=O伸缩振动)、1 618cm-1(β-烯醇羰基振动)作为环匹阿尼结构鉴定的特征峰,建立了快速检测母羊奶酪样品中环匹阿尼的衰减全反射傅里叶变换红外光谱法。王继芬等[4] 分别选取了氯胺酮及常见添加成分淀粉、葡萄糖、咖啡因的特征吸收峰,采用FTIR对氯胺酮含量不同的混合物进行了分辨,在此基础上,用OMNIC软件建立了按一定比例混合的氯胺酮与淀粉等添加成分的混合物红外光谱库,更好地服务于司法实践。

对某种化合物构象、分子特性、稳定性等的分析。如Y.Sheena Mary等[5] 进行了9-[3-(二甲氨基)丙基]2-三氟醚-甲基-9H-噻吨-9-醇的FTIR和FT-Raman实验,确定了该物质四种可能的稳定构象,并对其构象进行分析。Maurizio Baldassarre等[6] 在前人对人类α1-酸糖蛋白(AGP)分子动力学研究的基础上,采用FTIR研究了牛体内相应物质的结构,发现牛AGP热稳定性要高于人类约293.15 K,解释了牛AGP变性过程中pH值等的变化对热稳定性的影响。EwaSosińska等[7] 研究了β-谷甾醇热氧化产物中低聚物的光谱特征,经分离后,用MS对其结构进行初步鉴定,然后通过NMR和FTIR对其结构进行进一步的认证,在FTIR谱图中,比较了不同低聚物特征吸收峰的异同,并对各谱带进行归属,分析差异来源。

对某化合物衍生产物或反应产物的分析。Radoslaw Pankiewicz等[8] 在对8-羟基-2,6-二氧辛基酯研究后,又采用ESI-MS,NMR,FTIR和PM5等对新型拉沙里菌素2-(羟甲基)-12-冠-4酯(Las8)及其与单价金属阳离子复合物进行了分析,依据羰基和羟基振动峰的变化,指出溶剂中Las8烯醇形式和氧化形式之间的平衡,阳离子变化对O—H振动的影响。Folker Westphal等[9] 采用GC-MS,GC-MS/MS,NMR,衰减全反射(ATR)FTIR对A-796,260的新型开环异构体结构进行详细说明。

1.2 FTIR在未知物结构分析方面的应用

对大分子化合物分子骨架、官能团等的推测。

Seyed等[10] 回顾了前人关于木质素的研究,详细阐明了FTIR各个吸收带形成的原因,3 429cm-1由OH伸缩振动引起,2 945cm-1由甲基、亚甲基或甲烷基团中C—H伸缩振动引起,1 732和1 726cm-1由游离酮和羰基基团中的C=O伸缩振动引起,1 660和1 653cm-1由结合态酮中的C=O伸缩振动引起,1 606,1 507和1 434cm-1由芳香环骨架振动引起等,其中OH的振动带强弱随脱甲基作用、乙酰化作用而减弱,随甲氧基中甲基被氢取代而增强。王擎等[11] 在对来自不同地区的五种油页岩干酪根的分析中,通过FTIR对其官能团进行定性分析,1 460cm-1表征CH3反对称振动和CH2对称弯曲振动的综合作用,1 370cm-1附近小尖峰为CH3的对称弯曲振动峰,720cm-1为是长亚甲基链的摇摆振动频带;3 030cm-1为芳环C—H的伸缩振动峰,880~750cm-1的峰群为芳环C—H的面外弯曲振动峰;3 400cm-1附近的宽吸收峰为O—H的伸缩振动峰,1 030cm-1C—O—C的伸缩振动等。这些结构信息,为构建平均分子模型,研究其热解机理和结构反应性做好了准备工作。

对未知物结构的推测。

Dongre G.Vaijanath等[12] 用LC检测出氟康唑原料药中含有两种未知杂质成分,用NMR、MS和IR确定其结构式分别为1-(1-H-1,2,4-三唑-1-基)丙烷-2,3-二醇和Z-2-(2,4-氟代苯基)-3-(1-H-1,2,4-三唑-1-基)-2-丙烯-1-醇。Srinivasan等[13] 也采用类似的方法对替米沙坦中杂质进行分析,并在理论上进行验证,给出了优化的空间结构和计算的红外光谱及主要的振动带的归属。Danilo Sciarrone等[14] 采用GC-FT-IR确证黄皮果基质中某挥发性未知成分(氧化倍半萜烯,与α-甜橙醛相似)的结构为(2E,6E)-2-甲基-6-(4-甲基环己胺-3-亚辛烯基)庚-2-烯醛。Deepak M.Khatria[14] 对米那普仑(MIL)原料药(API)和胶囊制剂的纯度进行检验,并对其中的杂质的结构进行表征。首先分离纯化MIL-API,之后通过FTIR,MS,NMR对其结构进行表征,最终确定杂质分子式为C11H11NO,结构式为1-苯基-3-氮杂双环[3.1.0]己烷-2-酮。

样品组分推测。王鑫[16] 采用红外光谱法、气质联用结合计算机谱图检索,将一种未知涂料的不同组分溶剂、涂膜及不溶物分离并鉴定,该未知涂料中47%聚酰胺-聚酰亚胺树脂,12%的聚四氟乙烯填料,41%的溶剂(包含N-甲基吡咯烷酮、甲基异丁基酮及微量二甲苯和乙苯)。

2 FTIR对复杂生物样品的分析

随着化学计量学如主成分分析(PCA)、聚类分析(CA)、人工神经网络法等在红外光谱解析中的应用,FTIR在复杂样品分析方面的应用越来越广。往往相似产品的一维谱图差异不明显时,可对原始谱图进行处理,分析二阶导数光谱或二维相关光谱,即可得到较好的结果。

在医学方面,如FTIR可以灵敏地探测细胞分子水平生物化学变化。光纤材料与FTIR的联用可以实现对化学反应的“在线”适时监控和遥感监测,可对人体疾病实现适时、在体原位检测;观察健康人、运动员在运动过程中心脏、肝、骨骼肌等器官的变化,为无创伤评价运动负荷、指导科学运动训练提供简单、有效、快捷的科学手段。路春霞等[17] 通过FTIR结合相关数据分析、PCA和CA对大肠杆菌O157∶H7、肠炎沙门氏菌、单核增生性李斯特菌和金黄色葡萄球菌四种食源性致病菌进行了很好的区分。文春先等[18] 对来自不同地区的黄芪药材及其水提物进行分析,采用PekinElmer公司的Spectrum for Windows软件的compare功能对所有样品1 800~1 000cm-1区间内的光谱进行相似度比较,指出了黄芪药材及其水提物的特征峰,并提出了宜通过导数光谱或二维相关光谱进一步实现产地鉴别。

在食品方面,徐留仙等[19] 采用FTIR结合二阶导数光谱和二维相关红外光谱对滇产绿茶、红茶和普洱熟茶进行三级红外光谱解析,实现对三类茶的区分。

在司法方面,张显强等[20] 利用显微镜和FTIR技术对交通事故中车辆多层漆片油漆进行指认,并指出FTIR结合扫描电镜等仪器分析技术,可为公安机关送检的有关毒品走私、炸药爆炸、伪造假币和艺术品防伪保全鉴定等案件的物证样品进行分析鉴定,并提供准确数据和分析结论。

3 结论

FTIR技术及相关技术的联用已在各个领域有了成熟的应用,为动物养殖过程中未知物的结构定性分析和鉴别提供了方法和思路。望在后续的工作中形成对动物养殖环节可能存在的高风险未知物的筛查与确证的规范,为保障食品安全提供预警。