毕业设计(论文)-用紫外光谱分析测定饮料中咖啡因的含量.doc
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1、 酒酒 泉泉 职职 业业 技技 术术 学学 院院 毕毕 业设计(论业设计(论 文)文) 0 9 级 石油化工生产技术 专业 题 目: 用紫外光谱分析测定饮 料中咖啡因的含量 毕业时间: 2012 届毕业生 学生姓名: 指导教师: 班 级: 09 石化(1)班 2011 年 3 月 5 日 酒泉职业技术学院 2 0 1 2 届各专业 毕业论文(设计)成绩评定表 姓名屈永德班级09 石化(1)班专业石油化工生产技术 指导教 师第一 次指导 意见 论文内容基本符合要求,在第一章中将紫外分光光度计的组成融合到仪器 构成当中;表格需注明序号及标题,置于表格上方居中;插图注明序号及标题, 置于插图下方居中
2、;将出现的公式用公式编辑器写规范;将剪切过来的表格全 部画出来;另外注意文章排版按照学校要求的,其次,使文章内容连贯得体。 2011 年 5 月 25 日 指导教 师第二 次指导 意见 论文符合要求,但要注意论文中的标点符号的正确应用;其次论文在排版 上要多下功夫,将第一章中的紫外风光光度法的应用分四部分写,先写定量, 再写定性,最后写再其它方面的应用,论文中的公式要重新编写,认真的读论 文,要善于发现里面的错别字,修改错别字。 2011 年 6 月 2 日 指导教 师第三 次指导 意见 指导教 师评语 及评分 成绩: 签字(盖章) 年 月 日 答辩小 组评价 意见及 评分 成绩: 签字(盖章
3、) 年 月 日 教学系 毕业实 践环节 指导小 组意见 签字(盖章) 年 月 日 学院毕 业实践 环节指 导委员 会审核 意见 签字(盖章) 年 月 日 说明:1、以上各栏必须按要求逐项填写.。2、此表附于毕业论文 (设计)封面之后。 目录目录 前言.6 一 紫外可见分光光度计概述7 (一) 分光光度法原理 7 (二) 分光光度仪构成 8 1 辐射源.8 2 进样装置单色器.8 3 光源.9 4 反应池(吸收池).9 5 检测系统.9 (三) 紫外可见分光光度法特点 9 1 应用广泛.9 2 灵敏度高10 3 选择性好10 4 准确度高10 5 适用浓度范围广10 6 分析成本低、操作简便、快
4、速10 (四)紫外可见分光光度法的应用 10 1 光谱分析.10 2 紫外可见分光光度法定性分析.11 3 紫外可见分光光度法定量分析物质含量13 4 在其它方面的应用15 二 紫外分光光度法测饮料中咖啡因的含量16 (一) 实验药品及仪器 .16 1 药品.16 2 仪器.17 (二) 实验分析步骤 .17 1 样品的处理.17 2 标准曲线的绘制.18 3 测定.18 (三) 实验结果 .19 1 计算.19 2 本实验条件下.19 3 允许差.20 (四) 实验条件的选择 .20 1 吸收曲线.20 2 pH 的影响 20 3 氯化钠对方法的影响.21 4 萃取时间.22 5 提取溶剂的
5、使用量.22 6 方法精密度.23 (五) 结果与讨论 .24 1 标准曲线.24 2 咖啡因分析条件的优化.24 致谢27 参考文献28 摘要摘要 咖啡因广泛应用于当今许多碳酸饮料和能量饮料中。随着可乐饮料如可口 可乐,百事可乐等在全世界的风靡,各种可乐饮料已经成为人们饮食当中摄取咖 啡因次数较高的一个重要来源,但大量或长期摄取咖啡因有损人体的健康。因此,各 国对饮料中咖啡因的含量都做出了相应的规定和限制。现有的咖啡因分析方法中, 光谱分析方法简单,直接,但很难避免样品基质和其它物质的干扰,所得结果往 往有较大误差;色谱及色谱质谱联用分析方法准确、灵敏度高,但往往样品前处 理步骤繁琐,需要使
6、用大量的有机溶剂,分析时间较长,所需的分析费用也相对 较高。因此,发展一种简便、有效、经济、环保的分析方法用于饮料中咖啡因的 日常质量控制和法规检测显得尤为重要。 本论文采用紫外光谱分析方法测定饮 料中咖啡因的含量。该方法简单快速、稳定、准确、灵敏度高、干扰物排除能力 强,同时也是对所学知识的一种巩固运用。 关键词:关键词:紫外分光光谱法;饮料;咖啡因;测定; 前言前言 咖啡因(caffeine)又名咖啡碱,属甲基黄嘌呤化合物,化学名称为 1,3,7三甲基黄嘌呤,为白色无臭味苦的发亮针丝状或粉末结晶。熔点为 234 -238 ,178升华,能溶于乙醚、丙酮、氯仿、水,微溶于石油醚。以往 咖啡因
7、常采用容量法,因操作复杂不太理想。实践证明本方法简单快速好,可用 于可乐型饮料中咖啡因的测定。 咖啡因具有提神醒脑等刺激中枢神经作用,但易上瘾。为此,各国制定了咖 啡因在饮料中的食品卫生标准。美国、加拿大、阿根廷、日本、菲律宾规定饮料 中咖啡因的含量不得超过 200mg/L,南斯拉夫规定不得超过 120mg/L,到目前为 止我国仅允许咖啡因加入到可乐型饮料中,其含量不得超过 150mg/Kg,为了加 强食品卫生监督管理,建立咖啡因的标准测定方法十分必要。 紫外分光光度法是可乐型饮料、咖啡和茶叶以及制成品中咖啡因含量的测定 方法。其方法简单、快速、准确。最低检出浓度:紫外法对可乐型饮料为 3mg
8、/L;对咖啡、茶叶及其固体制品为 5mg/100g;对咖啡和茶叶的液体制品为 5mg/L。 一一 紫外可见分光光度计概述紫外可见分光光度计概述 (一)(一) 分光光度法原理分光光度法原理 分光光度法是通过测定被测物质在特定波长处或一定波长范围内光的吸收度, 对该物质进行定性和定量分析的方法。 在分光光度计中,将不同波长的光连续地照射到一定浓度的样品溶液时,便 可得到与众不同波长相对应的吸收强度。如以波长()为横坐标,吸收强度 (A)为纵坐标,就可绘出该物质的吸收光谱曲线。利用该曲线进行物质定性、 定量的分析方法,称为分光光度法,也称为吸收光谱法。用紫外光源测定无色物 质的方法,称为紫外分光光度
9、法;用可见光光源测定有色物质的方法,称为可见 光光度法。它们与比色法一样,都以 Beer-Lambert 定律为基础。 上述的紫外光 区与可见光区是常用的。但分光光度法的应用光区包括紫外光区,可见光区,红 外光区。 当一束强度为 I0的单色光垂直照射某物质的溶液后,由于一部分光被体系吸 收,因此透射光的强度降至 I,则溶液的透光率 T 为:I/I0 根据朗伯(Lambert)-比尔(Beer)定律: A=abc 式中 A 为吸光度,b 为溶液层厚度(cm) ,c 为溶液的浓度(g/dm3) , a 为 吸光系数。其中吸光系数与溶液的本性、温度以及波长等因素有关。溶液中其他 组分(如溶剂等)对光
10、的吸收可用空白液扣除。 由上式可知,当固定溶液层厚度 L 和吸光系数时,吸光度 A 与溶液的浓度成 线性关系。在定量分析时,首先需要测定溶液对不同波长光的吸收情况(吸收光 谱) ,从中确定最大吸收波长,然后以此波长的光为光源,测定一系列已知浓度 c 溶液的吸光度 A,作出 A-c 工作曲线。在分析未知溶液时,根据测量的吸光度 A,查工作曲线即可确定出相应的浓度。这便是分光光度法测量浓度的基本原理。 上述方法是依据标准曲线法来求出未知浓度值,在满足要求(准确度和精密 度)的条件下,可以应用比较法求出未知浓度值。 (二)(二) 分光光度仪分光光度仪构成构成 依据分光光度法测量原理,把比较法应用到仪
11、器之中浓度直读功能。用 标准溶液将仪器调整好,再测定样品时,直接显示样品浓度值。 1 1 辐射源辐射源 自动检测仪器的核心组成部分,通过运行检测程序和链接显示器以及其他外 部设备,实现在线自动检测、数据储存于采集、远程控制等。 辐射源必须具有稳定的、有足够输出功率的、能提供仪器使用波段的连续光 谱,如钨灯、卤钨灯(波长范围 3502500 纳米) ,氘灯或氢灯(180460 纳米) ,或可调谐染料激光光源等。 2 2 进样装置进样装置单色器单色器 蠕动泵和九通阀实现多个反应试剂及样品的进液,计量装置控制反应试剂及 样品进样量。 单色器它由入射、出射狭缝、透镜系统和色散元件(棱镜或光栅)组成,是
12、 用以产生高纯度单色光束的装置,其功能包括将光源产生的复合光分解为单色光 和分出所需的单色光束。 3 3 光源光源 发出所需波长范围内的连续光谱,有足够的光强度,稳定。 (稳压装置) 4 4 反应池(吸收池)反应池(吸收池) 检测时的化学反应均在反应池内进行,反应结束后被测试液将由检测系统将 信号传输并分析。因此,反应池有两个作用:一是作为分光光度检测的化学反应 装置;二是作为分光光度检测的比色皿。玻璃比色皿能吸收紫外光,仅适用于可 见光区;石英比色皿不吸收紫外光,适用于紫外和可见光区。试样容器,又称吸 收池,供盛放试液进行吸光度测量之用,分为石英池和玻璃池两种,前者适用于 紫外到可见区,后者
13、只适用于可见区。容器的光程一般为 0.510 厘米。 5 5 检测系统检测系统 将通过被测试液吸收后的光信号(强度)放大,并通过显示器以数值形式显示 出来,该过程中应该注意,由于随机误差原因,比较法准确度相对于标准曲线法 要差一些,另外标准溶液与被测溶液浓度相差太大时有较大误差和显色反应与显 色条件。检测器,又称光电转换器,常用的有光电管或光电倍增管,后者较前者 更灵敏,特别适用于检测较弱的辐射。近年来还使用光导摄像管或光电二极管矩 阵作检测器,具有快速扫描的特点。 (三)(三) 紫外可见分光光度法特点紫外可见分光光度法特点 分光光度法对于分析人员来说,可以说是最有用的工具之一。几乎每一个分
14、析实验室都离不开紫外可见分光光度计。分光光度法的主要特点为: 1 1 应用广泛应用广泛 由于各种各样的无机物和有机物在紫外可见区都有吸收,因此均可借此法加 以测定。到目前为止,几乎化学元素周期表上的所有元素(除少数放射性元素和 惰性元素之外)均可采用此法。 2 2 灵敏度高灵敏度高 由于相应学科的发展,使新的有机显色剂的合成和研究取得可喜的进展,从 而对元素测定的灵敏度大大提高了一步。特别是由于多元络合物和各种表面活性 剂的应用研究,使许多元素的摩尔吸光系数由原来的几万提高到几十万。相对于 其它痕量分析方法而言,光度法的精密度和准确度一致公认是比较高的。不但在 实际工作中光度法被广泛采用,在标
15、准参考物质的研制中,它更受重视,很多光 度分析法已制定成为标准方法。 3 3 选择性好选择性好 目前已有些元素只要利用控制适当的显色条件就可直接进行光度法测定,如 钴、铀、镍、铜、银、铁等元素的测定,已有比较满意的方法了。 4 4 准确度高准确度高 对于一般的分光光度法来说,其浓度测量的相对误差在 1-3%范围内,如采 用示差分光度法测量,则误差往往可减少到千分之几。 5 5 适用浓度范围广适用浓度范围广 可从常量(1-50%) (尤其是使用示差法)到恒量(10-6-10-8%) (经预富集 后) 6 6 分析成本低、操作简便、快速分析成本低、操作简便、快速 (四)紫外可见分光光度法的应用(四
16、)紫外可见分光光度法的应用 1 1 光谱分析光谱分析 有时候需要研究某物质在某溶剂中的光谱特性,如 Vc 的乙酸溶液在 252.0 nm 和 237.5nm 处有吸收波峰。 大多数情况下,比色分析都提供了使用光的波长(一般是最大吸收峰波长) 。 如果没有提供使用波长的话,可以用紫外分光光度计从 2001000nm 范围内扫 描吸收光谱,搜索到吸收峰,再用吸收峰波长来比色分析。 咖啡因样品用紫外光谱定性和定量,上:标准品;下:样品。 图图 1 咖啡因样品用紫外光谱定性和定量图 2 2 紫外可见分光光度法定性分析紫外可见分光光度法定性分析 (1 1) 可作为物质定性的参考可作为物质定性的参考 被测
17、物质的光谱特性和标准物如果一致,可粗略定性。如检查 VB12注射液 是否变质,测定其光谱,结果为 2790;361.50;550.70.3nm 个吸收峰, 完全一致,可以判定该物质为 VB12(未变质) 。 表表 1 一些苯衍生物的紫外光谱特征如下表所示 化合物 溶剂 吸收峰吸收峰 吸收峰 Emolmax,1cm 苯 碳氢化合物 254nm250 nm 204 nm 8800 nm 甲苯 碳氢化合物 262 nm260 nm 208 nm 7900 nm 六甲基苯 碳氢化合物 271 nm230 nm 221 nm 10000 nm 氯苯 碳氢化合物 267 nm200 nm 210 nm 7
18、400 nm 苯酚 碳氢化合物 271 nm1260 nm 213 nm 6200 nm (2 2) 用于有机化合物的定性和结构分析用于有机化合物的定性和结构分析 紫外吸收光谱在某种程度上反映了化合物的性质和结构,所以可以用于有机 化合物的定性和结构分析。利用标准样品或标准图谱可以对未知化合物进行鉴定, 即控制相同的测量条件,将未知化合物的吸收光谱与标准品或标准图谱进行对照, 如果两者吸收光谱的形状、吸收峰的数目、位置、最大吸收波长及吸光强度完全 一致,则可说明它们分子结构中存在相同的生色基团,初步确定它们是同一种物 质,如咖啡因的定性。由于大多数有机化合物的紫外光谱比较简单,缺乏精细的 结构
19、特征,而且很多生色团的吸收峰几乎不受分子中其它非吸收基团的影响,因 此,仅根据紫外光谱鉴定有机化合物有很大局限,一般必须与红外光谱、质谱、 核磁共振波谱等相配合,才能进行精确的鉴定。 在测定有机物的紫外可见吸收光谱时,在溶解度容许范围内,应尽量选择非 极性溶剂或极性较小的溶剂(烷、烯烃,如正己烷、正庚烷) ,以获得吸收光谱 的精细结构。与标准样品或标准图谱进行对比时,必须用相同的溶剂。所选择的 溶剂在所研究的光谱区域内应该没有明显的吸收;并且不含有其它干扰物质;与 溶质没有相互作用。否则会使光谱线产生移动,低于此波长时,溶剂的吸收不可 忽略。 表表 2 常用溶剂的波长范围如下 溶 剂使 用 波
20、 长 范 围溶 剂使 用 波 长 范 围 甲 醇210二 氯 甲 烷 235 . 乙 醇210氯 仿 235 . Comment S1: 重新输入 水210乙 酸 乙 酯 235 . 96% 硫 酸210苯 235 . 乙 醚210甲 苯 235 . 3 3 紫外可见分光光度法定量分析物质含量紫外可见分光光度法定量分析物质含量 (1 1) 朗伯朗伯- -比尔定律比尔定律 朗伯-比尔定律中的 K 称为吸光系数。因比色杯的直径用 cm 为单位,因此 K 的单位决定于浓度 c 用什么单位,如 c 以 mol/L 为单位时 K 称为摩尔吸光系 数,用 Emol或 mol表示;如果物质的分子量未知,浓度
21、可用%为单位,K 称为百 分吸光系数,用 E%表示。 E 的定义是:某波长光通过 1cm 杯、1mol/L 或 1%浓度的某溶液时,该溶液 对该波长光的吸光度。E 在特定波长、1mol/L 或 1%浓度、特定溶剂条件下是该 物质的一个特征常数,反映该物质的吸光能力,资料和测定时都要标明其特征波 长或最大吸收波长,表示为或E%nm,max,1cm。许 % 1max,cmnm E波长 % 1max,cmnm E波长 多物质的吸光系数在书或资料中可以查到,如药典规定 VB12应该有 2781 nm、3611nm、5502nm 3 个吸收峰,其 E1%361nm,1cm=207。实际工作中, 1mol
22、/L 的浓度太高,可以配成 1mmol/L 或 1mol/L 的浓度,相应地写成 Emmol(mol)nm,max,1cm。 (2)2) 紫外可见分光光度法定量分析紫外可见分光光度法定量分析 根据吸光系数的特性 ,它有 4 项用途: 检查纯度: 紫外光谱法检查纯度是一种简便有效的方法,用于许多化合物检测。 如阿司匹林在空气中容易吸收水分产生水杨酸,阿司匹林在 280nm 处有强吸收 峰,而水杨酸的吸收峰迁移到 312nm,只要检测在 312nm 处是否有吸收峰,即 可判断有无水杨酸。再如无水乙醇精制过程中要用苯,测定无水乙醇中是否残留 苯,测定其吸收光谱,乙醇在 210600nm 之间无吸收峰
23、,而苯在 250、254 nm 有吸收峰,以纯无水乙醇为参比,对样品进行光谱分析,如果在 250、254nm 处 出现吸收峰,则说明有苯残留。 检查含量(纯度):如药典规定 VB12的 E1%max,361nm,1cm=207,上述 VB12注 射液原标示浓度为 0.05%,求实际浓度,方法:药液用重蒸水精确稀释 20 倍, 水做参比,用 361nm 测定的吸光度为 0.512,其含量为:1%207=x%0.512 ,x%=0.00247%,浓度= 0.00247%20=0.049% 应用摩尔吸光系数测定浓度: 一般的比色分析中都有标准品,未知样品都是 通过和标准溶液对比分析含量。某些情况下,
24、没有标准品,可以用摩尔吸光系数 或百分吸光系数进行测定,直接测定溶液的吸光度,通过和该纯物质的吸光系数 比较,可以计算出浓度。这样的分析需要经过精确校正了波长的分光光度计,紫 外分光光度计的波长一般精确到 2nm,可以承担这样的分析。如果知道分子量 的话,百分吸光系数和摩尔吸光系数之间可以互相换算,换算公式是:百分吸光 系数=10摩尔吸光系数物质的分子量。 比如血红蛋白是 4 个亚基组成的蛋白质,单个亚基的平均分子量是 16114.5。每个亚基都在高铁氰化钾K3Fe(CN)6和氰化钾KCN溶液中形成单体 氰化高铁血红蛋白(HiCN) ,它的特征(最大)吸收峰在 540nm 处,摩尔吸光 系数是
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