红外光谱法测定咖啡因的含量

2009年1月

第33卷第1期安徽大学学报(自然科学版) Journal of Anhui University Natural Science Editi on January 2009Vol . 33No . 1

红外光谱法测定咖啡因的含量

杨　捷, 宋继梅, 方　芳

(安徽大学化学化工学院, 安徽合肥　230039)

摘　要:提出和建立一种简便、快速、啡因对照品, 以铁氰化钾作为内标物, , 配制

成标准系列. 测定AT R -FTI R 吸收光谱. 特征吸收峰氰基峰, 行线性回归分析, . , 通过标准曲线获得

待测咖啡因的浓度. :10～250mg ・g -1, 其线性回归的相关系数r =0. 9953;

HP LC 方法比较获得了满意的结果; 回收实验中平均回收率为

98. 0%～100, 可靠, 适合咖啡因和其他固体物质的快速定量分析.

关键词:衰减全反射红外光谱法; 咖啡因, 定量分析; 铁氰化钾; 内标物; 回归分析

中图分类号:O657. 33　　　文献标识码:A 　　　文章编号:1000-2162(2009) 01-0085-05

咖啡因(Caffeine , 又称咖啡碱) 最早是从茶叶、咖啡果中提炼出来的一种生物碱, 具有祛除疲劳、兴奋神经的作用, 临床上用于治疗神经衰弱和昏迷复苏, 也作为一种添加剂广泛应用于当今许多的药品和饮料中. 随着快速消费品、饮料等行业的快速发展, 咖啡因目前已成为人们日常生活中消费较多的具有

[1][1]药理活性的物质. 咖啡因的测定方法已经有较多报道, 经典的分析方法有重量法、碘量法、比色

法等. 这些方法虽然简便, 但因其操作较烦琐、测定周期相对较长, 在应用上受到一定的限制. 目前

[2][4]测定咖啡因的方法主要有色谱法和紫外分光光度法, 其中色谱法以高效液相色谱法较为常用. 紫

[5-6]外分光光度法是利用咖啡因结构上的嘌呤环具有共轭双键体系, 在272～274nm 波长范围内有最

[7]大吸收, 从而可进行定量分析. 另外还有导数紫外分光光度法, 它是利用导数技术进行光度法分析,

解决混合组分测定时的相互干扰, 同时更有效地消除混浊液的散射影响和背景吸收, 也提高光谱分辨

[8-9](AT R -FTI R ) 已经广泛应用于医药、率. 衰减全反射傅立叶变换红外光谱法高分子材料、矿物质、

石油等定性和定量分析的有效控制, 它最大的特点就是不破坏样品就可以直接测定, 完全可以保持样品的结构性质. 用红外光谱法进行定量分析的报道也很多, 采用衰减全反射傅立叶变换红外光谱法(ATR -FTI R ) 定量分析咖啡因的含量, 样品制备简单, 分析速度快. 衰减全反射(A ttenuated Total Reflectance,

[10]ATR ) 是一种特殊的红外光谱实验技术, 特别适用于固体样品及聚合物分析, 其原理是光透射样品时

从光密介质的晶体射向光疏介质的空气, 如果晶体折射率较大, 则会产生折射角大于入射角现象. 当入射角大于等于临界角时, 光的折射现象就会消失只有反射现象, 此时光线会在晶体的界面进行多次全反射, 紧贴在晶体表面的物质就会产生多次吸收并使得光的能量产生衰减现象. [2-3]

1　实验部分

1. 1　仪器与试剂

傅立叶变换红外光谱仪:FT -I R, NEXUS -870, 美国N icolet 公司; 高效液相色谱仪:Varian Pr ostar210, 美国Varian 公司; 电子天平:F A1004, 上海精密仪器仪表有限公司.

铁氰化钾(AR ) , 溴化钾(AR ) , 咖啡因标样(纯度大于99. 9%, 国药集团上海化学试剂公司) , 二次收稿日期:2008-10-07

基金项目:安徽省教育厅自然科学基金资助项目(2005K J100) ; 安徽省高等学校“十五”优秀人才建设基金资助项目

作者简介:杨　捷(1964—) , 男, 安徽繁昌人, 安徽大学副教授, 在读博士研究生.

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-1第33卷蒸馏水, 测试条件:扫描次数:32, 分辨率:4c m .

1. 2　实验方法

1. 2. 1　样品的前处理

溴化钾和铁氰化钾在进行测定前要进行干燥处理, 待测的咖啡因是通过茶叶研磨成碎末然后用乙醇作溶剂在索氏提取器中进行回流萃取, 得到粗产品用于分析测定.

1. 2. 2　标准曲线绘制

在电子天平上, 准确称取6份K B r 0. 08g 和内标物0. 01g, 1. 0mg 、3. 7mg 、

7. 1mg 、10. 0mg 、16. 0mg 、27. 7mg (准确到±0. 0002g ) , , 要让样品损失. 充分混合均匀后控制一定的压力进行制样, 对每一个混合样品均进行3次测定, 测定其平均值.

2　结果与讨论

2. 1　12号碳原子上的羰基, 由于临近两氮原子的诱导效应的影响, 对应的吸收波数为1698c , 所以出现较高的波数, 而6号位的羰基所对应的吸收在1655c m 处, 在波

-1-1数1698或1655c m 处为低波数最强的特征吸收峰, 而且受水峰的干扰小, 该实验选择1698c m 处

-1的羰基的特征吸收峰作为测定峰, 同时选择铁氰化钾为内标物, 铁氰化钾的吸收峰位置在2117c m

处, 与样品峰无干扰, 见图2所示. 用仪器自带的OMN I C 应用软件和基线法测量吸收峰高, 按咖啡因的特征吸收峰与内标峰之比和咖啡因的浓度依赖关系进行线性回归, 通过标准曲线来计算待测样的含量

. -1-1[11]

2. 2　标准曲线和回归方程的确定

[9]通过参阅现有的检测方法, 确立了一种以铁氰化钾为内标物的红外光谱法(见图3) , 通过选择咖

啡因的特征吸收峰与内标物特征吸收峰的峰高之比与其浓度呈现良好的线性关系, 根据图3测定结果, 以浓度作横坐标, 以峰高比(1、2、3、4、5、6) 作纵坐标, 建立标准工作曲线如图4所示, 线性拟合方程为

Y =-0. 1250+0. 02618・X

其中, Y 为h 2/h 1, X 为咖啡因浓度; 相关系数r =0. 9953, 从茶叶中提取的咖啡因通过该方法测定, 由标准工作曲线获得待测咖啡因的含量, 并且与高效液相色谱标准方法测定进行了比较.

第1期杨　捷, 等:红外光谱法测定咖啡因的含量87

2. 3　3份样品, 每份分别平行测定5次, 结果

-1-1-1见表1. 可以看出低29. 33mg ・g ) 、中(112. 40mg ・g ) 、高(203. 10mg ・g ) 浓度样品的质量浓度

测定值, 其相对标准偏差(RS D ) 分别为0. 52%、0. 34%、0. 26%, 说明该方法的精密度较好.

表1　精密度试验结果

浓度

低

中

高测定值/(mg ・g -1) 29. 10, 29. 35, 29. 27, 29. 41, 29. 50112. 30, 112. 65, 112. 48, 111. 80, 112. 79203. 75, 203. 52, 202. 50, 202. 67, 203. 06测定均值/(mg ・g -1) 29. 33112. 40203. 10RS D /%0. 520. 340. 26

2. 4　方法的回收率

按该实验方法测定了待测样品中咖啡因的含量并加标准的咖啡因对照品进行了验证, 回收率为98. 00%～100. 50%(见表2) , 取得了较为满意的结果.

表2　回收率实验

样品含量/(mg ・g -1)

8. 10

8. 10

8. 10对照品加量/(mg ・g -1) 10. 0020. 0040. 00测得总量/(mg ・g -1) 17. 9027. 9048. 30回收率/%98. 0099. 00100. 50

2. 5　待测样品含量测定结果

准确称取10mg 从茶叶中提取的咖啡因的粗产品, 分别加入80mg 溴化钾和10mg 的铁氰化钾内标物, 充分研磨并混合均匀, 控制与标样相同的压力进行制样, 绘制混合样品的红外光谱吸收谱图, 对每

-1一个混合样品均进行3次测定, 测定其平均值(见图5所示) . 测得咖啡因的特征峰(1698c m ) 峰高

-1h 2=0. 059; 铁氰化钾内标峰(2117c m ) 峰高h 1=0. 030, 二者之比h 2/h1为1. 967. 以h 2/h 1为定量依

据, 标准工作曲线方程计算得C =79. 91mg ・g , 其质量分数为:ω=79. 91%.-1

88安徽大学学报(自然科学版) 第33卷

图5　-2. 6　用HP LC 6所示, 以溶液浓度对色谱峰面

积作图, 得到标准曲线, 曲线的拟合线性方程为:Y =

34512. 9X -43344. 6, r =0. 9940, 见图7所示, 以红外光表3　HP LC 线性系列的数据序号12

3

4

5

6浓度/(μg ・mL -1) 1020304050峰面积/counts[***********][***********]65谱法测定的咖啡因按照25. 00μg ・mL 的浓度配制溶液-1用HP LC 法测定. 测定结果:C =20. 10μg ・mL , 又C 0=25. 00μg ・mL -1-1, 故HP LC 法测得待测咖啡因浓度为80. 40%, 相对误差为(79. 91%-80. 40%) /80. 40%=

-0. 61%, 与标准方法进行比较, 说明测定结果的准确度较高

. 待测

3　结　语

AT R 红外光谱法定量的影响因素较多, 首先要控制好测定环境的温度和湿度, 每次采集红外光谱时应在相同的条件下操作. 使用衰减全反射(AT R ) 附件测定时, 必须保证样品与折射率很高的Ge 晶体表面进行充分的接触, 用压力塔进行压制时要保证每次测定时具有相同的压力, 否则会对测定的结果造成很大的影响, 该实验用铁氰化钾作为内标物可以消除上述影响. 在制样过程中要使样品与内标物和稀释剂充分研磨并混合均匀, 这样可以提高测定结果的准确度. 主要特点如下:重现性好, 由于咖啡因中的羰基对红外光的吸收性强, 所以特征性也强; 测定快速, 一般几分钟可以完成一个样品测定; 不破坏试样, 样品仍可进行其他分析; 试样用量少、一般只需毫克级; 操作简便不需要特殊的前处理; 能测定各种状态的试样, 适合咖啡因的固体样品的常量组分的测定; 不消耗有机溶剂, 对环境友好; 适应性广, 受杂质种类限制少. 从茶叶中提取的待测咖啡因样品采用该方法进行分析的结果与HP LC 标准方法对照比

第1期杨　捷, 等:红外光谱法测定咖啡因的含量

-189较, 相对误差为-0. 61%, 线性范围为10～250mg ・g , 相关系数r =0. 9953, 线性关系良好, 精密度实

验表明:相对标准偏差小于1%.加标回收实验检验:加标回收率为98. 0%～100. 5%.通过研究建立了ATR 红外光谱测定咖啡因的含量的方法, 具有较高的测定精密度和准确度, 可作为定量快速分析咖啡因的方法.

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D eterm i n a ti on of caffe i n e by ATR 2i n frared spectroscopy

Y ANG J ie, S ONG J i 2mei, F ANG Fang

(College of Che m istry and Che m ical Engineering, Anhui University, Hefei 　230039, China )

Abstract:I n this thesis, a si m p le, rap id, s olvent 2free method has been put f or ward and established f or the quantitative analysis of caffeine . Reference substance suitable f or caffeine was p recisely weighed, by adding the sa me volu me of potassiu m ferricyanide as an internal standard substance and K B r used as a diluent and m ixing the m unif or m ly . Then a series was p repared . The ATR 2FTI R abs or p ti on s pectru m s of the series were measured . The characteristic abs or p ti on peak of carbonyl in caffeine and the characteristic cyan 2peak in potassiu m ferricyanide as the peaks f or quantitative analysis were selected f or the deter m inati on . By calculating the rati o of the t w o peak heights bet w een caffeine and potassiu m ferricyanide . W e concluded that the t w o peak height rati o showed a good linearity (r =0. 9953) with the concentrati on of caffeine in the s olid m ixture at the range of 10～250mg ・g . Theref ore the concentrati on of the need checking caffeine was obtained . The average recovery was 99. 05%.The ex peri m ent result of AT R 2FTI R was basically in accord with that of HP LC method . The ATR 2FTI R method for the quantitative analysis of caffeine is of high accuracy and reliability. This method could be used in the rap id quantitative analysis f or caffeine and others as well .

Key words:AT R 2FTI R; caffeine; quantitative analysis; potassium ferricyanide;

substance; regressi on analysis internal standard -1

责任编校:李镜平, 于　敏