全 文 :第3 4卷,第9期 光 谱 学 与 光 谱 分 析 Vol.34,No.9,pp2449-2452
2 0 1 4年9月 Spectroscopy and Spectral Analysis September,2014
基于顶空及表面增强拉曼散射(SERS)
结合的葱属植物挥发性物质研究
司民真,张德清,刘仁明
楚雄师范学院物理与电子科学学院,云南 楚雄 675000
摘 要 为了在常温下鉴定新鲜植物样品的挥发性物质,且避免繁杂前期样品的制备过程,将新鲜样品切
细后置入顶空瓶中,用注射器抽取顶空瓶上方的挥发性物质注入用微波法制备的纳米银溶胶中,用R-3000
便携式拉曼光谱仪进行SERS的测量。获得了葱属植物大蒜、韭菜、葱的挥发性物质的表面增强拉曼光谱
(SERS)。大蒜的SERS谱中较强的峰出现在307,399,569,711,1 182,1 287,1 397,1 622cm-1处。韭菜
的SERS谱中最强的峰出现在672cm-1,较弱的峰出现在274,412,575,1 185,1 289,1 396,1 618cm-1
处。葱的SERS谱中最强的峰出现在693cm-1,次强峰出现在372,888,1 023cm-1处,较弱的峰出现在
1 088,1 211,1 322cm-1。获得二烯丙基二硫(dialyl disulfide)、烯丙基甲基硫醚(alylmethyl sulfide)、1-丙
硫醇(1-Propanethiol)的液态、气态的SERS谱。经对比研究得出:吸附在银表面的大蒜、韭菜、葱的主要挥
发性物质分别是二烯丙基二硫(dialyl disulfide)、烯丙基甲基硫醚(alyl methyl sulfide)、1-丙硫醇(1-Pro-
panethiol)。同是葱属植物但不同种大蒜、韭菜、葱其吸附在银表面的主要的挥发性物质不一样,吸附在银表
面的各种葱的主要挥发性物质都是1-丙硫醇。该实验结果表明顶空与SERS结合,不需要复杂的提取过程,
可直接用于新鲜植物的挥发性物质快速检测。
关键词 顶空方法;SERS;葱属植物;二烯丙基二硫;烯丙基甲基硫醚;1-丙硫醇
中图分类号:O433.4 文献标识码:A DOI:10.3964/j.issn.1000-0593(2014)09-2449-04
收稿日期:2013-06-03,修订日期:2013-11-16
基金项目:国家自然科学基金项目(10864001,13064001)资助
作者简介:司民真,女,1962年生,楚雄师范学院物理与电子科学学院教授 e-mail:minzhensi@hotmail.com;siminzhen@cxtc.edu.cn
引 言
中国共有110种葱属植物,绝大部分的种具特殊的葱蒜
气味。对其挥发性成分的研究已有很多的报道,大多是采取
顶空微萃取-气相色谱/质谱联用法或气相色谱/质谱联用法,
该方法可以对样品中全部或指定成分作定性和定量分析,是
一种有效确定化合物分子结构的方法,并且具有灵敏度高的
特点。然而,该方法所需要的前期样品的制备时间较长,费
用高,其流程为微萃取-气相色谱柱分离-质谱仪定性或定
量,其中在进行气相色谱分离时需要在较高的温度下进行,
可能会引起生物活性分子的结构改变。从文献报道中可以看
到即使是对同一种葱属植物主要挥发性物质的研究,不同文
献报道得出的结论不尽相同(见表1)。这与萃取头的选取、
气相色谱仪进样口的温度及解吸时间(一般在200摄氏度以
上)不同有关。由于葱属植物的挥发性物质的热不稳定性,
在温度较高时会发生热分解。要在室温下对葱属植物挥发性
物质进行检测,必须寻找另外的方法,表面增强拉曼光谱
(SERS)就是满足该条件的方法之一。
SERS在挥发性气体检测方面的文献较少,Carron[6]将
SERS与气相色谱结合,获得了苯、甲苯、乙苯及二甲苯的
SERS谱。为了远距离、实时、在线检测挥发性有机化合物,
Mosier-Boss[7]研究小组,将表面有硫醇膜的SERS基底安装
在热电冷却器上,制成传感器,用该传感器成功获得了有机
氯溶剂(三氯乙烯、氯仿、全氯乙烯)、芳香族化合物(苯、甲
苯、乙苯及二甲苯)、甲基叔丁基醚的SERS谱。最近,韩国
首尔大学的Kwan kim等[8]将2,6-二甲基苯异腈吸附在聚乙
烯亚胺包覆的纳米金上,构建传感器。当传感器探测到植物
挥发性有机物,如异戊二烯、法尼醇、(+)-α-蒎烯时,2,6-
二甲基苯异腈的N-C伸缩振动峰的峰位会发生移动,从而
间接的检测植物挥发性有机物。目前未见用SERS技术直接
研究植物挥发性有机物的报道。
用顶空(headspace)与SERS技术结合的方式,对葱属植
物 大蒜(garlic)、韭菜(Chinesechive)、洋葱(onion)、大葱
Table 1 Volatile organic compounds of Alium species
植物名称 含量最高的挥发性物质 百分含量 研究方法 参考文献
大葱
黄皮洋葱
红皮洋葱
1-丙硫醇(1-Propanethiol)
69.51
70.98
67.44
顶空固相微萃取;气质连用法 1
细香葱
洋葱
大葱
火葱
丙烯醛(propenal)
2,5-二甲基噻吩(2,5-dimethyl-thiophene)
E)-2-已烯醛([E]-2-hexenal)
丙烯醛(propenal)
22.85
17.36
39.40
12.09
顶空固相微萃取;气质连用法 2
大蒜 Dialyl disulfide 23.50 顶空固相微萃取;气质连用法 3
山韭(dumebuchu) 二丙基二硫醚(Dipropyl disulfide) 40.95 顶空固相微萃取;气质连用法 4
大蒜 Dialyl disulfide
57.88±0.6
89.77±2.6
97.77±0.5
97.85±0.5
同时蒸馏溶剂提取;气质连用法
水蒸汽蒸馏;气质连用法
固相受限溶剂提取;气质连用法
顶空固相微萃取;气质连用法
5
(scalion)、火葱(shalot)、细香葱(chive)的挥发性物质进行
初步研究。
1 实验部分
所有的葱属植物从云南楚雄市的农贸市场购买,用不锈
钢刀切碎后,取25g,迅速放入250mL的顶空瓶中并盖上
胶皮盖,1h30min后,用30mL的注射器在顶空瓶上部抽
取20mL的气体,缓慢注入1.5mL银胶中,并立即测量。
二烯丙基二硫(dialyl disulfide),1-丙硫醇(1-propaneth-
iol),烯丙基甲硫醚(alyl methyl sulfide)购于北京百灵威公
司,纯度为97%。这三个样品的液体SERS谱的获得是将20
μL的样品直接与1.5mL的银胶混合后测量,气体SERS谱
的获得是将1mL的样品迅速注入250mL的顶空瓶中并盖
上胶皮盖,30min后,按前述方法测量。
银胶用本课题组常用的微波法制备[9],简单说,用二次
去离子水配制0.001mol·L-1硝酸银溶液250.0mL,及1%
(w/v)的柠檬酸三钠溶液8.0mL在室温下充分混合后,用
家用微波炉加热30min制得。SERS谱用美国 Ocean Optics
公司生产的R-3000型便携式拉曼光谱仪测定.激发波长785
nm。
2 结果与讨论
从图1可见,谱线a是大蒜的挥发性物质的SERS谱,
较强的峰出现在307,399,569,711,1 182,1 287,1 397,
1 622cm-1处。根据文献[5]知,大蒜的挥发性物质的主要成
分是二烯丙基二硫。那么吸附在纳米银上的大蒜挥发性物质
是否就是二烯丙基二硫?曲线b和c给出了气态和液态二烯
丙基二硫的SERS谱,比较a,b,c可见,无论峰型、峰位及
峰的相对强度都相似,所以可以判定,吸附在银表面的大蒜
的挥发性物质主要是二烯丙基二硫。
图2的谱线a是韭菜的挥发性物质的SERS谱,最强的
峰出现在672cm-1,较弱的峰出现在274,412,575,1 185,
1 289,1 396,1 618cm-1处。Mann等[10]用固相微萃取顶空
分析方法得到了韭菜的的五种主要挥发性物质是烯丙基甲硫
醚(alyl methyl sulfide),二烯丙基二硫化物(alyl disulfide),
烯丙基甲基二硫 (alyl methyl disulfide),二甲基二硫醚
(dimethyl disulfide)及二甲基三硫醚(dimethyl trisulfide)。图
2中谱线b和c 给出了气态和液态的烯丙基甲硫醚(alyl
methyl sulfide)的SERS谱,比较a,b,c可见,无论峰型、峰
位及峰的相对强度都相似,所以可以判定,吸附在银表面的
韭菜的挥发性物质主要是烯丙基甲硫醚。
Fig.1 SERS spectra of volatile organic compounds of garlic a,di-
alyl disulphide gas b,and dialyl disulphide liquid c
Fig.2 SERS of volatile organic compounds of Chinese chive a,gas
alyl methyl sulfide b,and liquid alyl methyl sulfide c
0542 光谱学与光谱分析 第34卷
图3中谱线a是火葱(shalot)的挥发性物质的SERS谱,
从图中可见,最强的峰出现在693cm-1,次强峰出现在372,
888,1 023cm-1处,较弱的峰出现在1 088,1 211,1 322
cm-1。根据文献[1]大葱、洋葱中主要的挥发性物质是1-丙硫
醇(1-Propanethiol),图3中谱线b和c给出了气态和液态的
1-丙硫醇的SERS谱,通过比较a,b,c可见,无论峰型、峰
位及峰的相对强度都相似,所以可以判定,吸附在银表面的
火葱的主要挥发性物质是1-丙硫醇。
Fig.3 SERS spectra of volatile organic compounds of shalot
a,gas 1-propanethiol b,and liquid 1-propanethiol c
从图1-图3可见,同是葱属植物但不同的种其主要的
挥发性物质不一样。那么同种植物的主要挥发性物质是否一
样?图4给出了火葱(shalot)、葱1(scalion 1)、细香葱
(chive)、洋葱(onion)葱2(sacalion2)挥发性有机物的SERS
谱,从图中可见这些葱的挥发性物质的峰型、峰位及峰的相
对强度都相似,所以可以判定,吸附在银表面的各种葱的主
要挥发性物质都是1-丙硫醇。说明SERS谱适用于葱属植物
不同种水平上的分类。
Fig.4 SERS spectra of volatile organic compounds of shalot
a,scalion1 b,chive c,onion d,and scalion 2
3 结 论
顶空及SERS结合,可直接用于葱属植物主要挥发性物
质的检测,葱属不同种植物的挥发性物质不同:大蒜、韭菜、
葱的主要挥发性物质分别为二丙烯基二硫、烯丙基甲基硫
醚、1-丙硫醇,而同种植物的挥发性物质都相同如葱的挥发
性物质都为1-丙硫醇。该方法可否用于植物的分类,有待进
一步的考察。
顶空与SERS结合的优势在于:第一、避免了直接测量
植物SERS所带来的强荧光干扰;第二、利用SERS的高灵
敏性,直接检测由顶空方法收集的植物的挥发性物质,避免
了耗时的样品制备工作,使得检测过程快捷,简便,检测费
用低廉;第三、实验在室温下进行,不影响待测分子的稳定
性;第四、不直接测量植物,而是测量植物的挥发性物质,
其成分较为单一,有利于化学计量学分析。
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1542第9期 光谱学与光谱分析
Study of Volatile Organic Compounds of Fresh Alium Species Using
Headspace Combined with Surface-Enhanced Raman Scattering
SI Min-zhen,ZHANG De-qing,LIU Ren-ming
Colege of Physics and Electronic Science,Chuxiong Normal University,Chuxiong 675000,China
Abstract In order to identify volatile organic compounds of fresh plants at room temperature and avoid sample pretreatment and
extractions which can be labor intensive,garlic,Chinese chives and scalion were chopped into pieces.Then some of them were
placed in the headspace vial and sealed.The gases were drawn from the vial with a syringe and were injected very slowly into Ag
coloids for test using R-3000portable Raman spectrometer.The spectra of volatile organic compounds of alium species,fresh
garlic,Chinese chive and shalot plants were successfuly recorded for the first time.For garlic high intensity bands are present
at 307,399,569,711,1 182,1 287,1 397and 1 622cm-1.For Chinese chives the high intensity band is present at 672cm-1.
Low intensity bands are present at 274,412,575,1 185,1 289,1 396,1 618cm-1.For shalot high intensity bands are present
at 693cm-1.Lower intensity bands are present at 372,888,1 023cm-1.Low intensity bands are present at 1 088,1 211and
1 322cm-1.The SERS of dialy1disulfide,alyl methyl sulfide and 1-propanethiol in liquid state and gas state were also ob-
tained.The main volatile organic compound of fresh garlic,Chinese chive and shalot are dialyl disulfide,alyl methyl sulfide
and 1-propanethiol respectively,and the volatile organic compound of fresh onion,scalion,shalot and chive are al 1-propaneth-
iol.The presented results ilustrate that combining headspace and SERS is a powerful tool for volatile organic compound analysis
in fresh plants.The volatile organic compound can be detected in fresh plant samples directly and quickly without extraction.
Keywords Headspace;SERS;Alium species;Dialyl disulfide;Alyl methyl sulfide;1-propanethiol
(Received Jun.3,2013;accepted Nov.16,2013)
2542 光谱学与光谱分析 第34卷