基于X光电子能谱的芸豆表面成分分析

宣 艳 潘明珠 李卫正 唐 颖孙海军 林 峰 闵辉华 杨 静

(南京林业大学现代分析测试中心1，南京 210037)(南京林业大学材料科学与工程学院2，南京 210037)

芸豆(Phaseolus vulgaris Linn.)是1年生草本植物，又名菜豆，原产于美洲，在16世纪末引入我国栽培。芸豆具有生理周期短、耐旱等优点，在我国各地均有种植。常见的芸豆主要包括红芸豆、花芸豆、黑芸豆和白芸豆等。芸豆的种子不仅营养丰富，而且具有很高的药用价值。近年来，人们的饮食观念逐步由粗放型向营养保健型发展，芸豆作为很重要的一种杂粮，越来越多的受到国内外研究者的青睐，具有广阔的研究开发前景［1－10］。

X射线光电子能谱(X－Ray Photoelectron Spectroscopy，XPS)［11］，也称作化学分析用电子能谱(E-lectron Spectroscopy for Chemical Analysis，ESCA)，是利用X射线源所产生的特征X射线轰击样品，从样品中激发出光电子，并将其引入能量分析器，经能量分析器分析并由检测器检测，得出光电子的能量分布图。XPS是一种重要的表面分析技术，可以对样品中除了氢、氦以外的全部元素进行定性、半定量及价态分析。通过电子能谱图中谱的平移，分析样品表面的元素形态变化，可探知材料主要化学组分的变化。目前，针对芸豆的研究主要集中在芸豆淀粉的结晶度、溶解度、膨胀性等方面，采用光电子能谱法分析芸豆表面组成和含量的研究鲜见报道［12－14］。

本试验以芸豆为研究对象，尝试利用这种制样简单、对样品无损的光电子能谱技术对芸豆表面的元素组成及分布进行研究，并且比较分析了不同种类的芸豆种子种皮和子叶中化学组成及含量的共性与特性，为芸豆的开发和利用提供信息，对芸豆的再利用和精细加工起到一定的指导作用。

1 材料和仪器

1.1 材料

花芸豆、白芸豆、黑芸豆和红芸豆:吉林省松原市三井子农贸有限公司。所有样品均放置鼓风干燥箱中，在温度50℃条件下，经24 h干燥。干燥后的样品经切割后，用双面胶固定在金属样品条上进行上机测试。

1.2 主要仪器

AXISUltraDLD型X射线光电子能谱仪:英国Kratos公司，样品用单色化的Al kα射线(1 486.6 eV)激发，X射线源电压15 kV，电流10 mA，本底真空优于5×10－9Torr。用污染碳C 1s(284.8 eV)作样品结合能荷电校正。宽谱扫描通能为80 eV，步长为0.5 eV;精细谱图扫描通能为20 eV，步长为0.1 eV。

2 结果与讨论

2.1 芸豆的XPS宽谱分析

豆类泛指能产生豆荚的豆科植物，种类繁多。虽然豆类种子形状各异，有圆球形、椭圆形、扁椭圆形和肾形，但是种子具有相同的结构，都是由种皮和胚组成的。种皮指被覆于种子周围的皮，具有保护种胚和萌发时吸收水分的作用。胚在双子叶植物中包括胚芽、胚轴、胚根和子叶4部分，其中子叶在胚中占有的比例最大，是人们食用和利用的主体。芸豆子叶特别肥厚，贮藏着大量的营养物质。因此试验中选择芸豆种子子叶和种皮对其进行组成和状态分析。

图1为花芸豆、白芸豆、黑芸豆和红芸豆子叶的XPS宽谱图。芸豆子叶由蛋白质、脂肪、碳水化合物以及各种矿物质、维生素等组成［15］，主要元素为C、H、O、N等。从图1中可以看出，芸豆的XPS图中出现3个较强的峰，峰位分别处于532、398、285 eV附近，归属于O 1s、N 1s和C 1s，证实了子叶中含有大量的C、O、N元素。图1中可以看出在结合能为133 eV处有微弱的P 2p峰出现，表明子叶中含有少量的P。结合能为228 eV和164 eV处出现微弱的峰，分别对应于S2s和S 2p峰，说明子叶中有微量的S存在。

图1 不同芸豆子叶的宽扫描XPS谱

根据宽谱的峰位和峰面积，利用每个元素的结合能及其灵敏度因子对芸豆进行半定量分析，确定芸豆子叶表面的组成及原子数比如表1所示。从表1中可以看出，4种芸豆均含有C、O、N、P元素。通过检测数据可以得出花芸豆子叶中的氮元素含量最高，质量百分比达到5.04%。氮元素主要来源于子叶中的蛋白质，可见花芸豆子叶的蛋白质含量最高。花芸豆子叶中氮和磷元素的含量都高于其他芸豆。花芸豆、白芸豆、黑芸豆和红芸豆子叶中的O/C原子数比分别为 0.22、0.23、0.26、0.19，说明黑芸豆子叶中富含氧基团。

表1 不同种类的芸豆子叶的表面化学组成及相对含量/%

图2为花芸豆、白芸豆、黑芸豆和红芸豆的种皮的XPS宽谱图。与图1比较可以看出，芸豆种皮中的组成更为丰富。宽谱中出现了C、O、N对应的光电子能谱峰，这些峰相对于子叶中的峰强有所降低。结合能在440 eV和350 eV附近出现Ca 2s和Ca 2P的电子能谱峰，证实种皮中钙的存在，，说明种皮中钙元素的含量高于子叶中的含量。结合能在150 eV、99 eV附近出现Si 2s、Si 2p峰，证实种皮中硅的存在。黑芸豆种皮中在1 022 eV出现锌的2p峰，说明种皮中有少量锌。

图2 不同芸豆种皮的宽扫描XPS谱

表2是不同种类芸豆种皮的表面化学成分和原子数百分比。从表2中可以看出，红芸豆种皮中氮元素含量最高，质量百分比为3.71%，说明该种芸豆种皮的蛋白质含量较高。花芸豆、白芸豆、黑芸豆和红芸豆种皮中的O/C原子数比分别为0.22、0.18、0.17、0.19，说明红芸豆种皮中含氧基团最多，其次是红芸豆和白芸豆，黑芸豆的种皮中氧基团相对较少。花芸豆、白芸豆、黑芸豆和红芸豆种皮中的钙质量百分比分别为1.96%、3.66%、2.95%和0.64%。芸豆中种皮钙和硅的含量远远超过子叶。

表2 不同种类的芸豆种皮的表面化学组成及相对含量/%

2.2 芸豆的碳谱分析

为了进一步确定芸豆子叶和种皮表面碳成分的形态，对样品碳进行了精细扫描。图3是不同种芸豆子叶的C 1s的XPS高分辨能谱图。使用软件对曲线进行拟合分峰，参考文献中关于淀粉和蛋白质对碳的形态的有关研究［16－17］，碳的不同状态使用 C1、C2、C3和C4表示。由图3可知，结合能284.8 eV特征C1s峰归属于子叶中的淀粉和脂肪—CH2—、—CH3基团中的C—H键以及表面的碳烃污染。结合能在286.45 eV处的峰，属于淀粉分子中的C—O键和蛋白质分子中的C—N键产生。结合能位于288.45 eV的峰为淀粉中的N—CO或CO键产生。黑芸豆子叶的C1s谱图上结合能位于289.11 eV的峰，表明黑芸豆中含有O——CO或者N ——C ON结构，来源于蛋白质中的羧基。

图3 芸豆子叶表面的高分辨C 1s谱

表3所示为不同芸豆子叶表面碳的不同形态及其含量。从表3中可以看出，花芸豆、白芸豆和红芸豆子叶中碳的形态主要是由 C1组成，其次是C2和C3。黑芸豆子叶中的碳有4种形态，C1和C2较强，C3其次，C4最弱。

表3 芸豆子叶的C 1s的XPS测试数据

图4 芸豆种皮表面的高分辨C1s谱

图4 是不同种芸豆种皮的C 1s的XPS高分辨能谱图。由图4可知，碳谱可以分为结合能分别在284.8、286.45和288.45 eV附近的3种形态的碳谱。表4所示为不同芸豆种皮表面碳的不同形态及其含量。从表4中可以看出，种皮中碳的形态主要是由C1组成，其次是C2和C3。

表4 芸豆种皮的C 1s的XPS测试数据

2.3 芸豆的氧分析

图5是芸豆子叶的O 1s的XPS高分辨能谱图。由图5可知，芸豆样品种皮和子叶的表面的O 1s

图5 芸豆子叶表面的高分辨O 1s谱

XPS谱是由多谱重叠组成，并且使用软件对其进行了高斯－洛伦兹拟合。花芸豆、白芸豆和红芸豆子叶的碳能谱峰可分为结合能位于532 eV和533 eV的2个峰，结合能较低的峰位处于532 eV的峰归属于C O，是氧与碳原子通过双键连接而成的有机官能团，用O1表示。结合能较高的峰处于533 eV左右归属于C—O，是氧与碳的单键结合，用O2表示。黑芸豆中在534.5 eV附近分离出1个峰。

图6 芸豆种皮表面的高分辨O 1s谱

图6 是芸豆种皮表面的氧能谱峰。从图6可知，不同种类芸豆均具有2种形态，分别是结合能位于532 eV的氧和位于533 eV的氧。与种皮碳谱的高结合能的2个分峰相对应，分别归属于与碳的双键和单键的结合。

3 结论

芸豆的X光电子能谱分析结果表明，芸豆的子叶主要是由C、O、N和少量的其他元素组成，成分含量有差异。黑芸豆子叶中氧碳比(nO/nC)最高，为0.26。芸豆的种皮除了有C、O、N还有部分的Si、Ca、Zn元素，硅、钙和锌的含量超过子叶中的含量，花芸豆种皮氧碳物质的量比(nO/nC)最高，为0.22。红芸豆、白芸豆和花芸豆的子叶和种皮中的碳有C—C(或C—H)、C—O(或C—N)和CO这3种存在形态，C—C的含量最高，氧对应有C—O和CO 2种存在形态。黑芸豆子叶中碳的形态中出现O——CO或者N ——CON结合形成的分峰，共4个，氧对应有3种存在形态。

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