基于X光電子能譜的蕓豆表面成分分析

宣 艷 潘明珠 李衛(wèi)正 唐 穎孫海軍 林 峰 閔輝華 楊 靜

(南京林業(yè)大學(xué)現(xiàn)代分析測(cè)試中心1，南京 210037)(南京林業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院2，南京 210037)

蕓豆(Phaseolus vulgaris Linn.)是1年生草本植物，又名菜豆，原產(chǎn)于美洲，在16世紀(jì)末引入我國(guó)栽培。蕓豆具有生理周期短、耐旱等優(yōu)點(diǎn)，在我國(guó)各地均有種植。常見(jiàn)的蕓豆主要包括紅蕓豆、花蕓豆、黑蕓豆和白蕓豆等。蕓豆的種子不僅營(yíng)養(yǎng)豐富，而且具有很高的藥用價(jià)值。近年來(lái)，人們的飲食觀念逐步由粗放型向營(yíng)養(yǎng)保健型發(fā)展，蕓豆作為很重要的一種雜糧，越來(lái)越多的受到國(guó)內(nèi)外研究者的青睞，具有廣闊的研究開(kāi)發(fā)前景［1－10］。

X射線光電子能譜(X－Ray Photoelectron Spectroscopy，XPS)［11］，也稱作化學(xué)分析用電子能譜(E-lectron Spectroscopy for Chemical Analysis，ESCA)，是利用X射線源所產(chǎn)生的特征X射線轟擊樣品，從樣品中激發(fā)出光電子，并將其引入能量分析器，經(jīng)能量分析器分析并由檢測(cè)器檢測(cè)，得出光電子的能量分布圖。XPS是一種重要的表面分析技術(shù)，可以對(duì)樣品中除了氫、氦以外的全部元素進(jìn)行定性、半定量及價(jià)態(tài)分析。通過(guò)電子能譜圖中譜的平移，分析樣品表面的元素形態(tài)變化，可探知材料主要化學(xué)組分的變化。目前，針對(duì)蕓豆的研究主要集中在蕓豆淀粉的結(jié)晶度、溶解度、膨脹性等方面，采用光電子能譜法分析蕓豆表面組成和含量的研究鮮見(jiàn)報(bào)道［12－14］。

本試驗(yàn)以蕓豆為研究對(duì)象，嘗試?yán)眠@種制樣簡(jiǎn)單、對(duì)樣品無(wú)損的光電子能譜技術(shù)對(duì)蕓豆表面的元素組成及分布進(jìn)行研究，并且比較分析了不同種類的蕓豆種子種皮和子葉中化學(xué)組成及含量的共性與特性，為蕓豆的開(kāi)發(fā)和利用提供信息，對(duì)蕓豆的再利用和精細(xì)加工起到一定的指導(dǎo)作用。

1 材料和儀器

1.1 材料

花蕓豆、白蕓豆、黑蕓豆和紅蕓豆:吉林省松原市三井子農(nóng)貿(mào)有限公司。所有樣品均放置鼓風(fēng)干燥箱中，在溫度50℃條件下，經(jīng)24 h干燥。干燥后的樣品經(jīng)切割后，用雙面膠固定在金屬樣品條上進(jìn)行上機(jī)測(cè)試。

1.2 主要儀器

AXISUltraDLD型X射線光電子能譜儀:英國(guó)Kratos公司，樣品用單色化的Al kα射線(1 486.6 eV)激發(fā)，X射線源電壓15 kV，電流10 mA，本底真空優(yōu)于5×10－9Torr。用污染碳C 1s(284.8 eV)作樣品結(jié)合能荷電校正。寬譜掃描通能為80 eV，步長(zhǎng)為0.5 eV;精細(xì)譜圖掃描通能為20 eV，步長(zhǎng)為0.1 eV。

2 結(jié)果與討論

2.1 蕓豆的XPS寬譜分析

豆類泛指能產(chǎn)生豆莢的豆科植物，種類繁多。雖然豆類種子形狀各異，有圓球形、橢圓形、扁橢圓形和腎形，但是種子具有相同的結(jié)構(gòu)，都是由種皮和胚組成的。種皮指被覆于種子周圍的皮，具有保護(hù)種胚和萌發(fā)時(shí)吸收水分的作用。胚在雙子葉植物中包括胚芽、胚軸、胚根和子葉4部分，其中子葉在胚中占有的比例最大，是人們食用和利用的主體。蕓豆子葉特別肥厚，貯藏著大量的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)。因此試驗(yàn)中選擇蕓豆種子子葉和種皮對(duì)其進(jìn)行組成和狀態(tài)分析。

圖1為花蕓豆、白蕓豆、黑蕓豆和紅蕓豆子葉的XPS寬譜圖。蕓豆子葉由蛋白質(zhì)、脂肪、碳水化合物以及各種礦物質(zhì)、維生素等組成［15］，主要元素為C、H、O、N等。從圖1中可以看出，蕓豆的XPS圖中出現(xiàn)3個(gè)較強(qiáng)的峰，峰位分別處于532、398、285 eV附近，歸屬于O 1s、N 1s和C 1s，證實(shí)了子葉中含有大量的C、O、N元素。圖1中可以看出在結(jié)合能為133 eV處有微弱的P 2p峰出現(xiàn)，表明子葉中含有少量的P。結(jié)合能為228 eV和164 eV處出現(xiàn)微弱的峰，分別對(duì)應(yīng)于S2s和S 2p峰，說(shuō)明子葉中有微量的S存在。

圖1 不同蕓豆子葉的寬掃描XPS譜

根據(jù)寬譜的峰位和峰面積，利用每個(gè)元素的結(jié)合能及其靈敏度因子對(duì)蕓豆進(jìn)行半定量分析，確定蕓豆子葉表面的組成及原子數(shù)比如表1所示。從表1中可以看出，4種蕓豆均含有C、O、N、P元素。通過(guò)檢測(cè)數(shù)據(jù)可以得出花蕓豆子葉中的氮元素含量最高，質(zhì)量百分比達(dá)到5.04%。氮元素主要來(lái)源于子葉中的蛋白質(zhì)，可見(jiàn)花蕓豆子葉的蛋白質(zhì)含量最高?；ㄊ|豆子葉中氮和磷元素的含量都高于其他蕓豆。花蕓豆、白蕓豆、黑蕓豆和紅蕓豆子葉中的O/C原子數(shù)比分別為 0.22、0.23、0.26、0.19，說(shuō)明黑蕓豆子葉中富含氧基團(tuán)。

表1 不同種類的蕓豆子葉的表面化學(xué)組成及相對(duì)含量/%

圖2為花蕓豆、白蕓豆、黑蕓豆和紅蕓豆的種皮的XPS寬譜圖。與圖1比較可以看出，蕓豆種皮中的組成更為豐富。寬譜中出現(xiàn)了C、O、N對(duì)應(yīng)的光電子能譜峰，這些峰相對(duì)于子葉中的峰強(qiáng)有所降低。結(jié)合能在440 eV和350 eV附近出現(xiàn)Ca 2s和Ca 2P的電子能譜峰，證實(shí)種皮中鈣的存在，，說(shuō)明種皮中鈣元素的含量高于子葉中的含量。結(jié)合能在150 eV、99 eV附近出現(xiàn)Si 2s、Si 2p峰，證實(shí)種皮中硅的存在。黑蕓豆種皮中在1 022 eV出現(xiàn)鋅的2p峰，說(shuō)明種皮中有少量鋅。

圖2 不同蕓豆種皮的寬掃描XPS譜

表2是不同種類蕓豆種皮的表面化學(xué)成分和原子數(shù)百分比。從表2中可以看出，紅蕓豆種皮中氮元素含量最高，質(zhì)量百分比為3.71%，說(shuō)明該種蕓豆種皮的蛋白質(zhì)含量較高?；ㄊ|豆、白蕓豆、黑蕓豆和紅蕓豆種皮中的O/C原子數(shù)比分別為0.22、0.18、0.17、0.19，說(shuō)明紅蕓豆種皮中含氧基團(tuán)最多，其次是紅蕓豆和白蕓豆，黑蕓豆的種皮中氧基團(tuán)相對(duì)較少。花蕓豆、白蕓豆、黑蕓豆和紅蕓豆種皮中的鈣質(zhì)量百分比分別為1.96%、3.66%、2.95%和0.64%。蕓豆中種皮鈣和硅的含量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)子葉。

表2 不同種類的蕓豆種皮的表面化學(xué)組成及相對(duì)含量/%

2.2 蕓豆的碳譜分析

為了進(jìn)一步確定蕓豆子葉和種皮表面碳成分的形態(tài)，對(duì)樣品碳進(jìn)行了精細(xì)掃描。圖3是不同種蕓豆子葉的C 1s的XPS高分辨能譜圖。使用軟件對(duì)曲線進(jìn)行擬合分峰，參考文獻(xiàn)中關(guān)于淀粉和蛋白質(zhì)對(duì)碳的形態(tài)的有關(guān)研究［16－17］，碳的不同狀態(tài)使用 C1、C2、C3和C4表示。由圖3可知，結(jié)合能284.8 eV特征C1s峰歸屬于子葉中的淀粉和脂肪—CH2—、—CH3基團(tuán)中的C—H鍵以及表面的碳烴污染。結(jié)合能在286.45 eV處的峰，屬于淀粉分子中的C—O鍵和蛋白質(zhì)分子中的C—N鍵產(chǎn)生。結(jié)合能位于288.45 eV的峰為淀粉中的N—CO或CO鍵產(chǎn)生。黑蕓豆子葉的C1s譜圖上結(jié)合能位于289.11 eV的峰，表明黑蕓豆中含有O——CO或者N ——C ON結(jié)構(gòu)，來(lái)源于蛋白質(zhì)中的羧基。

圖3 蕓豆子葉表面的高分辨C 1s譜

表3所示為不同蕓豆子葉表面碳的不同形態(tài)及其含量。從表3中可以看出，花蕓豆、白蕓豆和紅蕓豆子葉中碳的形態(tài)主要是由 C1組成，其次是C2和C3。黑蕓豆子葉中的碳有4種形態(tài)，C1和C2較強(qiáng)，C3其次，C4最弱。

表3 蕓豆子葉的C 1s的XPS測(cè)試數(shù)據(jù)

圖4 蕓豆種皮表面的高分辨C1s譜

圖4 是不同種蕓豆種皮的C 1s的XPS高分辨能譜圖。由圖4可知，碳譜可以分為結(jié)合能分別在284.8、286.45和288.45 eV附近的3種形態(tài)的碳譜。表4所示為不同蕓豆種皮表面碳的不同形態(tài)及其含量。從表4中可以看出，種皮中碳的形態(tài)主要是由C1組成，其次是C2和C3。

表4 蕓豆種皮的C 1s的XPS測(cè)試數(shù)據(jù)

2.3 蕓豆的氧分析

圖5是蕓豆子葉的O 1s的XPS高分辨能譜圖。由圖5可知，蕓豆樣品種皮和子葉的表面的O 1s

圖5 蕓豆子葉表面的高分辨O 1s譜

XPS譜是由多譜重疊組成，并且使用軟件對(duì)其進(jìn)行了高斯－洛倫茲擬合?；ㄊ|豆、白蕓豆和紅蕓豆子葉的碳能譜峰可分為結(jié)合能位于532 eV和533 eV的2個(gè)峰，結(jié)合能較低的峰位處于532 eV的峰歸屬于C O，是氧與碳原子通過(guò)雙鍵連接而成的有機(jī)官能團(tuán)，用O1表示。結(jié)合能較高的峰處于533 eV左右歸屬于C—O，是氧與碳的單鍵結(jié)合，用O2表示。黑蕓豆中在534.5 eV附近分離出1個(gè)峰。

圖6 蕓豆種皮表面的高分辨O 1s譜

圖6 是蕓豆種皮表面的氧能譜峰。從圖6可知，不同種類蕓豆均具有2種形態(tài)，分別是結(jié)合能位于532 eV的氧和位于533 eV的氧。與種皮碳譜的高結(jié)合能的2個(gè)分峰相對(duì)應(yīng)，分別歸屬于與碳的雙鍵和單鍵的結(jié)合。

3 結(jié)論

蕓豆的X光電子能譜分析結(jié)果表明，蕓豆的子葉主要是由C、O、N和少量的其他元素組成，成分含量有差異。黑蕓豆子葉中氧碳比(nO/nC)最高，為0.26。蕓豆的種皮除了有C、O、N還有部分的Si、Ca、Zn元素，硅、鈣和鋅的含量超過(guò)子葉中的含量，花蕓豆種皮氧碳物質(zhì)的量比(nO/nC)最高，為0.22。紅蕓豆、白蕓豆和花蕓豆的子葉和種皮中的碳有C—C(或C—H)、C—O(或C—N)和CO這3種存在形態(tài)，C—C的含量最高，氧對(duì)應(yīng)有C—O和CO 2種存在形態(tài)。黑蕓豆子葉中碳的形態(tài)中出現(xiàn)O——CO或者N ——CON結(jié)合形成的分峰，共4個(gè)，氧對(duì)應(yīng)有3種存在形態(tài)。

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