申朝婷，刘赛余，张宇轩，吴楠楠，欧阳顺利,

(1. 内蒙古科技大学 理学院，内蒙古 包头 014010；2. 内蒙古科技大学 化学与化工学院，内蒙古 包头 014010；3. 内蒙古科技大学 材料与冶金学院，内蒙古 包头 014010)

胡萝卜和南瓜是我们日常生活中最常见的蔬菜，它们含有丰富的营养成分，其中钙、磷、胡萝卜素及维生素C的含量均较高，尤其β-胡萝卜素可作为食品添加剂、营养强化剂和医药制剂，具有抗氧化、抗癌和防治心血管疾病[1]等作用，是维护人体健康不可缺少的营养素. β-胡萝卜素是一种由9个共轭碳碳双键组成的类胡萝卜素，是一种抗氧化物. β-胡萝卜素作为辅助捕获光能，调节激发能的分配以及作为光保护剂使光合器官免受强光损伤的分子，在光合作用中起着重要作用[2]. 而且β-胡萝卜素还具有解毒作用，食用富含β-胡萝卜素中的食物可以防止身体接触一种称为自由基的破坏分子[3]，也可以防止老化和衰老引起的多种退化性疾病，因此在日常生活中β-胡萝卜素的摄入量尤为关键.

近几十年来，人们研究了β-胡萝卜素在温度、压力、浓度以及在不同溶剂环境下的物理化学性质，并已深入了解β-胡萝卜素的光谱特性，我们在此基础上借助拉曼成像技术对β-胡萝卜素在蔬菜中的分布情况进行检测分析，为蔬菜加工处理提供理论依据[1-3]. 拉曼光谱是基于光子激发振动发生非弹性散射而建立起来的一种快速无损的光谱表征技术，能从分子水平获得物质的结构及组成信息[4]. 所谓拉曼成像，就是在逐点采集样品上一个区域内拉曼光谱的基础上，选取某些光谱特征，显示其在每个采集点的强度，最后所形成的光谱特征图像。利用这个技术可以直观检测和展现β-胡萝卜素在蔬菜中的分布情况[5].

本文通过光谱成像的方式从空间分布的角度全面分析β-胡萝卜素在胡萝卜和南瓜中的分布. 其拉曼光谱主要为C=C键和C-C键伸缩振动产生的，分别位于1 520 cm-1和1 150 cm-1处，此外还有CH3的面内摇摆振动产生的拉曼峰位于1 005 cm-1处. 通过采用激发波长为532 nm的激光激发胡萝卜与南瓜中β-胡萝卜素，产生共振拉曼光谱的方式，对β-胡萝卜素在胡萝卜及南瓜中的分布进行分析. 具体通过β-胡萝卜素所产生的共振拉曼光谱进行拉曼成像分析，得到β-胡萝卜素在胡萝卜的含量分布.

1 实验原理

1.1 拉曼光谱

拉曼光谱，是一种散射光谱.当光照射到物质上发生弹性散射(99.999%)和非弹性散射(0.001%). 弹性散射(瑞利散射)的散射光是与激发光波长相同，不会与物质进行能量交换. 非弹性散射的散射光的波长会发生改变，光与物质发生了能量交换. 发生非弹性散射时，入射光的电场导致分子的电子云畸变，电子跃迁至一个较高能量的“虚态”(不是分子的一个真实能级，寿命极短)，当电子跃迁回能量能级分裂产生的基态时与原基态的能量差ΔE导致入射光子与入射光的波长不同(如图1所示).

图1 拉曼散射(左)及瑞利散射(右)电子跃迁能级图[5]

1.2 共振拉曼光谱技术

拉曼散射中，当入射的激发光处在样品电子吸收谱带内时，由于电子跃迁和分子振动的耦合，这一分子的某个或几个特征拉曼谱带强度陡然增加[6,7]，这种现象称为共振拉曼效应. Andreas通过对拉曼散射强度的研究，得到分子某一振动的拉曼光谱强度与极化率成正比[8]：

(1)

式(1)中，αρ,σ为散射光张量的ρ和σ分量，(αρ,σ)mn为m向n跃迁的极化张量的第ρ和σ矩阵元. 当入射光频率ν0趋近于νγm时，强度Imn会大幅度增加. 实验研究结果也证明，共振拉曼效应可以使拉曼强度提高106倍，因而，应用该技术探测研究蔬菜中生物分子是简单有效的[4]. β-胡萝卜素主吸收带的吸收光谱的跃迁主要是 π-π*跃迁，β-胡萝卜素吸收光谱的谱带在 350～580 nm波长范围内有很宽的电子吸收带[3]. 用激发波长532 nm恰好落在吸收光谱范围内，因此能够产生严格共振拉曼效应.

2 实验部分

2.1 拉曼光谱仪

本次实验使用的拉曼光谱仪为英国Renishaw inVia显微镜共焦激光拉曼光谱仪. 拉曼光谱仪分为3个部分：光源、光路与探测器. 光源采用的是532 nm的激光器，样品台处使用的是50倍物镜并且样品放在自动xyz三维平台上，最小步长为0.1 μm，三维平台能够实现100 mm×70 mm的拉曼光谱成像. 探测器部分使用的CCD型号是Renishaw Centrus 1C4A78-1040×256，采用1800 |/mm光栅. 拉曼光谱仪配有成像功能，通过样品台的移动实现逐点扫描，扫描过程中样品台的移动是Snake模式，在最初一行正向扫描，在下一行逆向扫描，以此循环，最终完成扫描.

2.2 实验样品

胡萝卜与南瓜都购买于当地超市，胡萝卜直径35 mm，被切为厚度大约1 cm的薄片，南瓜被切为长度25 mm，宽度20 mm，厚度为1cm的薄片，用来进行实验. 实验中先将胡萝卜和南瓜用去离子水洗净后，进行切片处理，直到让扫描一面平滑为止. 然后测量胡萝卜切片的直径以用来更好的确定步长，接着将切片直接放在激光拉曼光谱仪的载物台上测量.

2.3 拉曼光谱测试条件

胡萝卜曝光时间为0.2 s，南瓜曝光时间0.5 s，激光功率分别为为26.6 mW和53.2 mW.本实验测量时室内温度为25 ℃，使用的是Snake模式，胡萝卜切片的扫描范围是24 450 μm×22 800 μm的区域，南瓜切片的扫描范围是18 000 μm×18 000 μm的区域，通过沿x和y轴收集区域之间的光谱，拉曼成像步长为150 μm，获得拉曼图像. 胡萝卜切片在本次实验过程中进行了26 569个点的拉曼光谱采集，南瓜切片进行了14 400个点的拉曼光谱采集.

3 结果与讨论

测量图2所示的实物，得到胡萝卜和南瓜切片在532 nm激光下的拉曼光谱图. 如图3所示，我们可以观察到，1 000～1 600 cm-1为类胡萝卜素的基频拉曼峰[9]，胡萝卜和南瓜的基频拉曼峰值基本相同. 如图4所示，1 522 cm-1属于ν1(C=C)碳碳共轭双键的伸缩振动，1 155 cm-1属于ν2(C-C)碳碳单键的伸缩振动，1 009 cm-1属于ν3(CH3)甲基的面内摇摆振动，而南瓜的拉曼光谱中，1 522 cm-1属于ν1(C=C)碳碳共轭双键的伸缩振动，1 155 cm-1属于ν2(C-C)碳碳单键的伸缩振动，1 005 cm-1则属于ν3(CH3)甲基的面内摇摆振动.

胡萝卜切片 南瓜切片

图3 532 nm激光激发下测定的胡萝卜和南瓜的拉曼光谱

图4 β-胡萝卜素的结构示意图

我们将3个基频峰ν1、ν2和ν3分别做拉曼成像分析，得到了图5所示的通过软件WiRE5.1绘制出来的图形.

图5 (a)、(c)、(e)为胡萝卜和(b)、(d)、(f)为南瓜拉曼面扫图像(其中强度拉曼成像： (a)、(b)为ν1(C=C)峰；(c)、(d)为ν2(C-C)峰；(e)、(f)为ν3(CH3)峰)

共振拉曼光谱的拉曼强度与样品浓度关系，本文根据Gellermann等[10]研究浓度与拉曼峰强度关系得到下式：

I532～P532σ532N

(2)

其中I532为共振拉曼光谱强度，P532是532 nm激发激光的功率，N为β-胡萝卜素的浓度，σ532为β-胡萝卜素在532 nm波长激发的共振拉曼散射截面. 从式(2)，显然可以看出β-胡萝卜素的浓度与拉曼峰强度成正比关系. 拉曼峰越强， 它的浓度越大[3].

如图3实物，我们一般认为颜色较浅的部位营养成分低，而颜色较深的部位营养成分高. 然而通过观察图5和式(2)可知，南瓜中果肉部分的β-胡萝卜素的浓度较小，表皮部分β-胡萝卜素浓度相对较大. 胡萝卜的根芯中β-胡萝卜素的浓度较小，而表皮层β-胡萝卜素浓度相对较大，与肉眼所见不符. 由此可见，β-胡萝卜素更多的分布在胡萝卜和南瓜的表皮层. 因此，我们推测，富含β-胡萝卜素的果蔬，β-胡萝卜更多地分布在表皮层.

4 结论

用532 nm的激发光可以在体激发胡萝卜和南瓜中β-胡萝卜素的共振拉曼光谱，胡萝卜的根芯含有的β-胡萝卜素含量是非常少的，而表皮的β-胡萝卜素含量相对较多，南瓜果肉部分的β-胡萝卜素含量较少，表皮部分β-胡萝卜素含量较多. 所以，我们认为：胡萝卜根芯的营养没有其他部分营养成分高，南瓜的表皮部位营养成分较其他部位高.