Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Методы исследования качества продуктов питания. Учебное пособие
.pdf
сдвиг) ядер, резонансный сигнал соседнего ядра будет
расщепляться на 2NI +1 линий.
Применение метода ЯМР в пищевых технологиях.
Метод ЯМР используется для исследования строения молекул,
структуры, характера химических связей в них,
межмолекулярных взаимодействий, изотопного состава.
В медицине метод ЯМР используют для ядерно- магнитной
томографии, которая позволяет проводить диагностику
заболеваний человека.
В пищевой химии и технологиях метод ЯМР используют
для фазово-компонентного анализа состава сырья и пищевых
продуктов. Это связано с тем, что времена спин-решеточной (Т
1
и спин-спиновой (Т2) релаксации сырья (зерно, масличные
культуры, какао-бобы. кофе и др.), а также самих продуктов
питания зависят от их компонентного состава (содержания
углеводно-белковой, липидной фракции, воды). Для
экспрессного определения влажности зерна, содержания масла в
семенах подсолнечника, например, можно использовать
зависимости Т
i
= f(ci), T
1
i
= f(ci), Ii = f(ci), где i - индекс,
2
указывающий на компонент продукта, например, масла, I интенсивность сигнала ЯМР.
Характерные зависимости времен релаксации и
интенсивности сигнала от содержания фазового компонента в
различных пищевых продуктах приведены на рисунках 4.23 –
4.26. Важно то, что метод ЯМР позволяет проводить
одновременное определение нескольких компонентов, например
влаги и жиров.
При ЯМР анализе соевых бобов, например, можно
выделить 3 типа сигналов протона, соответствующих углеводно
белковой фазе (Т
Т
150-2000 мкс) и протонов ди- и триглицеридов (масло, Т2 70-
2
для них 7-12 мкс), протонов воды (влажность,
2
)
151
80 мс) (рис.4.26). Таким образом можно определить качество
сырья, используемого для дальнейшей переработки.
T,c
20
вода в кофе растворимом
С %
H2O
Рис. 4.23. Влияние содержания воды на время спин-решеточной
релаксации образца кофе
T2·103c
20
крах м а л
% H2O
Рис. 4.24. Влияние содержания воды на времена спин-спиновой
релаксации образца крахмала
152
I о т н
%
0 20 40 60 80
м а с л о в сем еч к ах п о д с о л н еч н ика
Рис. 4.25. Влияние содержания воды в подсолнечнике на
интенсивность сигнала
I
I
II
II I
t
Рис. 4.26. Влияние фазового состава на интенсивность сигнала
при ЯМР на ядрах Н1 при анализе соевых бобов. 1 – сигнал
белково-углеводной фракции, 2 – сигнал протонов воды, 3 –
сигнал протонов масла
Возможность определения изотопного состава
органических веществ методом ЯМР используется для
определения подлинности и происхождения многих продуктов
питания, исходным для которых служит растительное сырье.
153
4.4 МАСС-СПЕКТРАЛЬНЫЙ АНАЛИЗ
Масс-спектральный анализ основан на ионизации атомов и
молекул анализируемого вещества и последующем разделении
образующихся ионов в электрическом или магнитном поле.
Этот метод позволил разделить химические элементы на
изотопные составляющие (1912, Томсон).
Суть метода заключается в следующем:
- нейтральные частицы (атомы, молекулы) превращаются в
заряженные частицы;
- образующиеся ионы разделяются в пространстве в
соответствие с их массой посредством воздействия
электрического или магнитного поля;
измеряя электрический ток, образующийся в результате
-
направленного движения ионов, можно судить об изотопном,
атомарном и молекулярном составе анализируемого вещества
(смеси веществ), о качественном и количественном составе
анализируемой смеси.
Способы ионизиции вещества. Существует несколько
способов получения ионов из нейтральных частицч. Их выбор
зависит от устойчивости частиц, решаемых задач. Наиболее
распространенным является метод электронного удара
(рис.4.27). Он заключается в столкновении атомов или молекул
анализируемого вещества с потоком электронов. Это приводит к
образованием ионов с зарядами q
. При столкновении
i
нейтральной молекулы АВ с электронами возможно протекание
следующих процессов:
АВ + e+ ⇒⇒⇒⇒ AB+ + 2e
⇒ A+ + B-
+
⇒ A
⇒ A
+ B+ + 2e
B-
⇒ AB++ + 3e
154
Во многих случаях молекулы исследуемых веществ
термически нестабильны. Это означает, что при нагревании
твердого или жидкого образца до парообразования процесс
испарения будет сопровождаться термодеструкцией молекул.
Кроме того, при электронном ударе не всегда образуется
молекулярный ион, что значительно затрудняет определение
брутто-молекул. Поэтому при исследовании органических или
биологических молекул приходится использовать более мягкие,
чем электронный удар, методы ионизации молекул
анализируемого вещества.
Метод лазерной десорбции заключается в том, что
импульсный лазерный пучок облучает поверхность образца.
При этом, избегая нагрева, удается заставить часть молекул
перейти в газовую фазу. Затем электронный луч ионизирует
вырванные молекулы, образующиеся ионы электрическим
полем в масс-анализатор. Варьируя интенсивность лазерного
луча, можно изменять глубину проникновения вглубь образца, а
также изменять характер фрагментационных процессов.
Часто используется химическая ионизация веществ. Суть
ее этого метода заключается в том, что с помощью обычного
электронного удара ионизируют не исследуемый газ, а газреагент (метан, изобутан, аммиак). Образовавшиеся ионыреагенты при столкновении с исследуемыми молекулами
ионизируют их. Важнейшими ионами-реагентами, которые
образуются в результате электронного удара, являются ионы
СН
+
и С2Н
5
+
. Последующие реакции между положительно
5
заряженными ионами-реагентами ХН+ и молекулами М
вещества идут в основном по пути их протонирования:
М + ХН+ ⇒ МН+ + Х
При таком способе ионизации образующийся ион состава
+
несет информацию о брутто-формуле исследуемой
МН
молекулы. Ионизация другими способами приводит к
образованию только осколочных ионов.
155
Разделение ионов по массам проводят следующим
образом. Ионы имеют массу m и заряд q. Поэтому их разделяют
не по массе, а по отношению массы иона к его заряду m/q.
Существует несколько способов пространственного разделения
ионов (рис. 4.27)
Рис. 4.26. Схема ионизации методом электронного удара и
разделения по массам в магнитном масс-анализаторе
При масс-спектральном анализе требуется создание
высокого вакуума (10-7 - 10
-10
мм.рт.ст). Нейтральные молекулы
анализируемых веществ в виде газа поступают в камеру
ионизации, где подвергаются столкновению с ионизирующими
электронами. При этом часть молекул (около 0,1%)
превращается в ионы по схемам, описанным выше.
Электрическое поле с ускоряющей разностью потенциалов U
уск
сообщает ионам кинетическую энергию. По закону сохранения
энергии можно записать
U
×
q = mV2/ R (4.17)
уск
156
На ион, влетающий со скоростью V в масс-анализатор,
действует сила Лоренца FЛ = qVB
В данном случае вектор магнитной индукции B направлен
перпендикулярно плоскости листа (значок Θ на рис. 4.27), а угол
α между V и B равен 90
F
по свой природе является центростремительной силой
Л
0
.
(FЦС = mV2/2), поэтому qVB = mV2/R.
В результате ион с массой m и зарядом q будет двигаться в
магнитном поле по дуге окружности радиуса R, который
определяется соотношением
уск
1/2
/q)
(4.18)
Меняя U
R = mV/ qB, R = 1/В
или В, можно заставить ион двигаться по
уск
××××
(2m U
окружности радиуса R, на линии которой находится щель входа
в детектор в соответствие с отношением m/q. Записывая
зависимость ионного тока от этого отношения, можно получить
набор пиков, называемый масс-спектром (рис. 4.29).
Другой способ разделения ионов по массам заключается в
создании кратковременного импульса постоянного
электрического поля (рис. 4.28). Приобретая скорость V =
(2qU/m)
t = L/V = L(m/2qU)
1/2
, ионы при этом долетают до коллектора за время
1/2
, где L длина анализатора. Из-за разницы
в массах ионы, таким образом, приобретают различные
скорости, обратно пропорциональные m
1/2
. При этом образуется
ионный "пакет", в голове которого летят легкие ионы, тогда как
тяжелые ионы его замыкают. Поэтому ионы достигают
коллектора в разные моменты времени. В этом состоит принцип
разделения ионов по массам во времяпролетном массспектрометре. Главным преимуществом метода является
практически неограниченный диапазон масс и очень быстрое
-3
время регистрации масс-спектра (10
сек).
Кроме этих методов разделения ионов по массам,
существуют масс-спектрометры ион-циклотронного резонанса и
квадрупольные масс-анализаторы.
157
Рис. 4.28. Схема времяпролетного масс-спектрометра
Определение изотопного состава элементов. Многие
элементы имеют несколько стабильных изотопов. Например, у
12
углерода два стабильных изотопа - С
и С13,
распространенность которых 99 и 1%, соответственно. Атомы
водорода имеют стабильные изотопы Н1 и Н2, кислорода О16 и
О18. Масс-спектральный анализ позволяет идентифицировать
изотопный состав атомов после сжигания в особых условиях
пищевых продуктов. Это свойство масс-спектрального анализа
используется для установления качества и подлинности
пищевых продуктов.
Точное определение масс и идентификация вещества.
Масс-спектральный метод позволяет проводить качественый
анализ (идентификацию) веществ, а также определять их
количественное содержание. Возможность такого определения
представлен на примере хромато-масс-спектрального
определения компонентов промышленных газовых выбросов.
После разделения веществ в хроматографической колонке
индивидуальное вещество инжектируется в масс-спектральный
анализатор.
158
Спектральные линии в масс-спектрах соответствуют
молекулярным ионам веществ, продуктам их фрагментации.
Интенсивность спектральной линии пропорциональна
концентрации вещества (рис. 4.29).
Рис. 4.29. Хроматограмма промышленных газовых выбросов и
масс-спектры индивидуальных веществ, разделенных в
хроматографической колонке
Хроматографический анализ в сочетании с массселективным детектированием является наиболее объективным
средством контроля безопасности и качества пищевых
продуктов.
159
5. ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ АНАЛИЗА
Электрохимические методы анализа (ЭХМА) основаны на
использовании электрохимических процессов, происходящих в
электролитической ячейке (гальваническом элементе, цепи).
Электролитическая ячейка представляет собой
электрохимическую систему, состоящую из электролитов и
электродов, контактирующих между собой. На границе раздела
фаз металл (электрод) - раствор может протекать
электрохимическая реакция (электродный процесс) между
компонентами фаз. В результате реакции происходит переход
ионов из одной фазы в другую. На межфазной границе
устанавливается разность электрических потенциалов,
называемая электродным потенциалом. В отсутствие
электрического тока (I = 0) на межфазной границе
устанавливается равновесие и электродный потенциал достигает
равновесного значения. Если равновесие не достигается, то в
результате электродного процесса между электродом и
приэлектродным слоем через ячейку проходит электрический
ток (I ≠ 0).
В состав электролитической ячейки входят два или три
электрода. Один из них — индикаторный или рабочий, второй
электрод сравнения и третий — вспомогательный.
—
Электрод, действующий как датчик, реагируя на фактор
возбуждения и на состав раствора, является индикаторным.
Если под действием тока, протекающего через ячейку,
происходит значительное изменение состава раствора, то
электрод называется рабочим. Электрод сравнения служит для
создания измерительной цепи и поддержания постоянного
значения потенциала индикаторного (рабочего) электрода.
Используемый в трехэлектродной ячейке вспомогательный
электрод (противоэлектрод) вместе с рабочим электродом
включен в цепь, через которую проходит электрический ток.
160
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]