Добавил:
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
Методы исследования молока и молочных продуктов. Учебно-методическое пособие.pdf
Скачиваний:
0
Добавлен:
07.09.2026
Размер:
2 Мб
Скачать
☆
41
Вид излучения
Спектральная область
Гамма (γ)
50-140 пм
Рентгеновское
0,01-10 нм
Ультрафиолетовое
180-400 нм
Видимое
400-780 нм
Ближнее ИК-излучение
780-2500 нм
ИК-спектроскопия
2500-25000 нм
Микроволновое
1-4 мм
Радиоволновое
0,5-10 м
а
б
Р и с. 4.1. Примеры типов спектров:
а – линейчатый (полосатый) спектр натрия, б – сплошной (непрерывный) спектр
В спектре излучения различают радио- и микроволны, инфракрасное (тепловое) излучение, видимое, ультрафиолетовое, рентгеновское и γ-излучения. Соотнесение наиболее распространенных спектроскопических методов анализа с соответствующими им областями спектра электромаг­нитного излучения представлено в табл. 4.1.
Таблица 4.1 – Характеристика видов излучения
*Примечание. Расшифровка единиц измерения: пм – пикометры (10
метры (10
–
9
м).
–12
м); нм – нано-
В зависимости от вида взаимодействия электромагнитного излучения и вещества выделяют две группы спектроскопических методов: абсорбци­онную спектроскопию, при которой вещество поглощает излучение, и эмиссионную – при которой испускает. Схематичное изображение процес­сов абсорбции и эмиссии при взаимодействии электромагнитного излуче­ния с веществом представлено на рис. 4.2.
Р и с. 4.2. Схематичное изображение процессов абсорбции
излучения веществом и его эмиссии
42
К спектральным методам анализа относят оптическую спектроскопию элементного анализа, молекулярного анализа, а также масс-спектрометрию и флуориметрию.
Классификация спектральных методов анализа представлена на рис. 4.3.
Р и с. 4.3. Классификация спектральных методов
Поглощение или испускание квантов анализируемой системой можно рассматривать как процесс возникновения характеристических сигналов, несущих информацию о качественном и количественном составе исследуе­мого вещества.
Частота (длина волны) излучения определяется составом вещества, а интенсивность аналитического сигнала пропорциональна количеству ча­стиц, вызвавших его появление, т.е. массе определяемого вещества или компонента смеси.
Таким образом спектроскопические методы различаются по источни­ку сигнала и типу взаимодействия излучения с веществом.
Характеристика основных спектроскопических методов анализа пред­ставлена в табл. 4.2.
43
Таблица 4.2 – Характеристика спектральных методов анализа
Источник ана-
(абсорбция)
абсорбция)
нитный момент
Масс-
Спектро-
скопия
Молеку-
лярная
Атомная Атом
Магнит-
ного
резонанса
литического
сигнала
Молекула
Ядро атомов
(магнитный
момент ядра)
Электрон (маг-
электрона)
Аналитический сигнал Метод
Поглощение
Испускание (люминес-
ценция)
Поглощение (
Испускание (эмиссия)
Ядерный магнитный ре-
зонанс — ЯМР-спектр
Электронный парамаг-
нитный резонанс —
ЭПР-спектр
Молекулярно-абсорбционная спек-
троскопия (MAC). Молекулярно-
люминесцентная спектроскопия
(МЛС), или флуориметрия
Атомно-абсорбционная спектро-
скопия (ААС). Атомно-
эмиссионная спектроскопия (АЭС)
Спектроскопия ядерного магнитно-
го резонанса (ЯМР). Спектроскопия
электронного парамагнитного резо-
нанса (ЭПР)
спектро-
скопия
Ион Масс-спектр Масс-спектрометрия
Спектральные методы дают широкие возможности для наблюдения и
исследования соответствующих аналитических сигналов в различных обла­стях электромагнитного спектра - рентгеновское излучение, ультрафиоле­товое (УФ) излучение, видимый свет; инфракрасное (ИК), а также микро- и радиоволновое излучение.
Метод атомно-абсорбционной спектрометрии (ААС) основан на яв-
лении резонансного поглощения излучения видимого или ультрафиолето­вого диапазона свободными невозбужденными атомами.
В результате резонансного поглощения интенсивность излучения,
прошедшего через объем невозбужденных атомов (атомный пар), ослабева­ет тем больше, чем выше концентрация атомов. Главное условие резонанс­ного поглощения - длина волны, соответствующая максимуму поглощения атомных паров определяемого элемента, должна быть равна длине волны максимума интенсивности излучения источника. Для практической реали­зации этого условия применяют специальные источники излучения – лампы с полым катодом, изготовленным из материала, содержащего атомы опре­деляемого элемента.
Для измерения концентрации нескольких элементов требуется набор
таких одноэлементных ламп. Необходимость смены и прогрева ламп огра-
44
ничивает скорость проведения анализа, что особенно существенно при из­мерении в одной пробе концентрации нескольких элементов. Увеличение скорости проведения анализа иногда достигают с помощью турели – специ­ального устройства для смены ламп. Иногда применяют многоэлементные лампы, более сложные в изготовлении и потому более дорогие и менее надежные.
При соблюдении условий резонансного поглощения и неизменной толщине поглощающего слоя оптическая плотность поглощающей среды (величина атомной адсорбции) линейно зависит от концентрации атомов определяемого элемента в соответствии с законом Бугера–Ламберта–Бера.
Это позволяет путем измерения атомной адсорбции определять кон­центрацию элементов в анализируемой пробе, используя предварительно полученную зависимость (или график) величины атомной адсорбции от концентрации определяемого элемента.
Первоначально анализируемую пробу, в которой определяемые эле­менты обычно находятся в виде соединений, переводят в элементное состо­яние – атомный пар, состоящий из свободных невозбужденных атомов. Этот процесс, называемый атомизацией, осуществляют путем нагрева про­бы до температуры (2000–3000)°С (верхний предел ограничен ионизацией атомов) при помощи одного из двух методов: пламенного (в пламени го­релки) или электротермического (в графитовой печи), либо их комбинации.
Электротермический вариант ААС имеет ряд преимуществ по срав­нению с пламенным: отличается более высокой чувствительностью, требует меньшее количество вещества для проведения анализа, обеспечивает воз­можность в некоторых случаях анализа твердых проб без специальной про­боподготовки, отсутствуют необходимость в горючих газах и неудобства, связанные с их применением (соблюдение особых правил техники безопас­ности). Комбинация двух вариантов ААС позволяет проводить анализ в весьма широком диапазоне концентраций при высокой чувствительности, что дает возможность точного количественного определения большого чис­ла элементов таблицы Менделеева. Это особенно важно при больших объе­мах анализов, а также в тех случаях, когда существует необходимость опре­деления нескольких элементах в продуктах сложного состава. Однако атомно-адсорбционные спектрометры с такой комбинацией атомизаторов имеют более сложную конструкцию и высокую цену.
Атомно-эмиссионная спектрометрия (АЭС) – это метод, основанный на явлении ионизации свободных атомов определяемого элемента при вы­сокотемпературном нагреве (при температуре 3500–8000°С). Последующий переход атомов из возбужденного состояния в нормальное (рекомбинация) сопровождается излучением определенных длин волн. Спектр излучения для атомов каждого элемента строго индивидуален, а интенсивность излу­чения характеристической длины волны зависит от концентрации элемента. Это позволяет идентифицировать атомы, имея библиотеку спектров, а по
45
интенсивности излучения и предварительно полученным с помощью стан­дартных растворов калибровочным зависимостям проводить количествен­ное определение содержания элементов в пробе.
В качестве источников энергии для возбуждения атомов - перевода их в ионизированное состояние – используются, кроме высокотемпературного пламени, дуга, искра, высокочастотно-индуцированная плазма. В настоящее время в качестве источника плазмы чаще всего используют пламя, питаю­щееся энергией химической реакции окисления горючего газа. Для этого варианта атомной эмиссии присущи все недостатки, связанные с использо­ванием пламени в ААС, но достигаются вместе с тем высокая чувствитель­ность и экспрессность анализа, хорошая воспроизводимость результатов. Наибольшая чувствительность возможна при определении легко ионизиру­емых атомов элементов – лития, натрия, калия, рубидия, цезия, кальция, марганца, цинка, кадмия, серебра и др.
Область применения метода АЭС такая же, как и у метода ААС, по­этому выбор этих методов должен осуществляться с учетом преимуществ и недостатков, значимых для конкретных аналитических задач.
Масс-спектрометрия – это метод анализа, основанный на разделении ионов анализируемого вещества в зависимости от величины отношения массы к заряду. Общая схема масс-спектрометра представлена на рис.4.4.
Р и с. 4.4. Общая схема масс-спектрометра
В настоящее время в конструкции масс-спектрометров используется три типа источников ионизации: источник ионов электронного удара; ис­точник ионов химической ионизации; индуктивно-связанная плазма.
При использовании источника ионов электронного удара пары анали­зируемого вещества пересекаются пучком электронов, которые испускает
46
раскаленный катод. При столкновении электронов с молекулами исследуе­мого вещества происходит как ионизация этих молекул, так и распад моле­кул на фрагменты, которые образуют масс-спектр индивидуального веще­ства. Для фиксированного значения энергии ионизации электронов масс­спектр каждого вещества индивидуален. Это позволяет идентифицировать неизвестное вещество путем сравнения его масс-спектра со спектрами из­вестных веществ, хранящихся в библиотеке масс-спектров.
Источник ионов химической ионизации имеет другой принцип рабо-
ты. Ионизация исследуемого вещества происходит за счет ионно­молекулярных реакций при взаимодействии с ионами и радикалами газа­реагента, которые образуются в результате «бомбардировки» электронами метана или изобутана.
Ионизация атомов при помощи индуктивно-связанной плазмы проис-
ходит следующим образом. В аргоновую горелку, в которой температура плазмы достигает 3700–8500°С, в виде тонко распыленного аэрозоля пода­ется исследуемый образец. Горение горелки обеспечивается индукционной катушкой, на которую подается высокочастотное напряжение большой ам­плитуды. За счет высокой температуры плазмы в горелке происходит ато­мизация и ионизация исследуемого вещества.
Образующиеся ионы, попадая в магнитное поле масс-анализатора,
при пересечении силовых линий начинают двигаться по окружности, ради­ус которой зависит от напряженности магнитного поля, энергии иона и от­ношения его массы к заряду. Меняя напряженность магнитного поля, направляют ионы с различными массами на регистрирующее устройство (детектор), т.е. делают развертку масс-спектра.
Часто метод масс-спектрометрии сочетают с газовой или жидкостной
хроматографией (МС-ГХ или МС-ЖХ). В этом случае выход хроматогра­фической колонки через подогреваемый интерфейс соединяют с источни­ком ионов масс-спектрометра. Выходящие из колонки после разделения вещества попадают в область ионизации, а образовавшиеся ионы регистри­руются в виде масс-спектра. Система обработки данных позволяет получить масс-спектр каждого хроматографического пика.
В сочетании с хроматографией или капиллярным электрофорезом
масс-спектрометрия становится мощным инструментальным методом ана­лиза, обладающим высокой информативностью и пригодным для исследо­вания практически всех классов органических соединений. В таком сочета­нии этот метод в настоящее время наиболее часто используется для целей идентификации разных видов пищевой продукции и продовольственного сырья.
К достоинствам масс-спектрометрии относятся: высокая точность из-
мерения и возможность определения всех компонентов газовой смеси в од­ной пробе. Недостатками являются: высокая стоимость приборов, энерго­емкость, необходимость специальной квалификации у персонала.
47
Флуориметрия – это метод элементного и молекулярного анализа, ос­нованный на способности ряда органических и неорганических веществ (атомов, ионов и более сложных частиц) флуоресцировать, т.е. поглощать из­лучение от источника и снова его излучать (светиться, люминесцировать) при большей длине волны в результате перехода электронов из возбужденного состояния в нормальное. Количественное определение веществ основано на зависимости интенсивности флуоресценции от концентрации вещества в пробе. Принцип измерения состоит в облучении пробы излучением УФ­области и измерении спектра флуоресценции с помощью фотодетектора.
Флуориметрия, относящаяся к методам эмиссионной спектроскопии, характеризуется высокой чувствительностью – в 100–10000 раз превыша­ющей чувствительность абсорбционных оптических методов. Этот метод пригоден для измерения очень малых концентраций веществ – 10–11 г/моль. Он более селективен, т.к. флуоресцируют меньшее число соедине­ний по сравнению с числом соединений, способных поглощать излучение.
Флуориметрию применяют для количественного определения поли­циклических органических соединений, металлоорганических соединений, витаминов, белков, нитратов, нитритов, сульфидов, цианидов, токсичных металлов в составе пищевых продуктов.
Часто в целях идентификации проводят визуальные наблюдения за цветом люминесценции. Подобные исследования используют для опреде­ления вида и сорта муки, вида мяса, установления природы молочных про­дуктов и пищевых жиров. Так, например, оболочки, алейроновый слой и за­родыш зерен пшеницы и ржи имеют более интенсивное синее свечение по сравнению с эндоспермом. Следовательно, чем ниже сорт муки, тем более яркой флуоресценцией она обладает. Разные виды муки тоже имеют разный цвет флуоресценции: ячменная мука – матово-белый, гороховая – розовый, соевая – сине-зеленый.
По-разному флуоресцирует мышечная ткань разных видов животных: для мышц говядины характерны бархатистые темно-красные оттенки, для баранины – темно-коричневые, для свинины – светло-коричневые. Флуо­ресцентный анализ пригоден также для определения сортности мяса. Со­единительная и хрящевая ткани имеют ярко-голубой цвет свечения, жиро­вая ткань – светло-желтый.
По цвету флуоресценции можно выявлять случаи фальсификации мо­лока. Свежее доброкачественное коровье молоко имеет флуоресценцию яр­ко-желтого цвета, а молоко с добавлением соды или 15% воды флуоресци­рует бледными желтоватыми оттенками.
Наблюдаются различия в цвете флуоресценции пищевых жиров. Жи­вотные топленые жиры (говяжий, бараний, свиной) не флуоресцируют, масло коровье имеет ярко-желтую флуоресценцию, а маргарин – голубую. Этот идентификационный признак позволяет простым способом обнаружи­вать примесь маргарина в сливочном масле.
48
Большой класс оптических методов молекулярного анализа основан на взаимодействии электромагнитного излучения с веществом. В аналити­ческих методах используют ультрафиолетовую (УФ), видимую и инфра­красную (ИК) области спектра электромагнитного излучения. Методы, ос­нованные на исследовании спектров избирательного поглощения излучения анализируемым веществом, называются спектроскопией. Спектры погло­щения индивидуальны для каждого вещества и зависят от его строения, что позволяет идентифицировать вещество по его спектру, имея библиотеку спектров стандартных веществ.
Согласно закону Бугера–Ламберта–Бера, интенсивность полос спек­тров зависит от концентрации вещества. Поэтому методы оптической спек­троскопии позволяют также проводить количественный анализ, т.е. опреде­лять концентрацию вещества путем измерения коэффициента поглощения или оптической плотности при определенной длине волны. По найденной величине, пользуясь заранее построенным калибровочным графиком, нахо­дят концентрацию поглощающего вещества в анализируемом растворе. При анализе бесцветных растворов добавляют реагенты, образующие с опреде­ляемым веществом окрашенное соединение.
Приборы для измерения светопоглощения растворов при определен­ной длине волны называются спектрофотометрами (при использовании ви­димого излучения – фотоколориметрами).
Метод УФ/видимой спектроскопии предназначен для исследования светопоглощения (светопропускания) растворов в диапазоне от 185–210 нм (нижний рабочий предел большинства спектрофотометров) до 650–1000 нм (верхний предел). Поглощение в УФ/видимой областях связано с возбужде­нием электронов, поэтому УФ/видимые спектры дают ограниченную ин­формацию о строении молекул и редко могут служить «отпечатком паль­цев» какой-либо структуры. Вместе с тем установлены некоторые эмпири­ческие зависимости между длиной волны в максимуме поглощения и струк­турой молекул (например, для сопряженных и изолированных двойных свя­зей). Группы, вызывающие поглощение в области 200–800 нм, получили название хромофорных. Они содержат не менее одной кратной связи: С=С, С≡С, С=О, С≡N, N=О, N=N, С=S, S=O и др. Соответственно, УФ/видимую спектроскопию используют для количественного и качественного опреде­ления алкалоидов (кофеина, теобромина, теофиллина) – при идентификации чая, кофе, какао-бобов; фенольных соединений (танина, катехинов, антоци­анов и др.) – при исследовании состава виноградных и плодовых вин, све­жих и переработанных плодов и овощей, чая, кофе; для изучения степени окисленности жиров при установлении доброкачественности жиросодер­жащих продуктов (растительных масел, сливочного масла, маргарина и майонеза, орехов, рыбы с высоким содержанием жиров и др.).
Метод ИК-спектроскопии основан на исследовании спектров поглоще­ния в ИК-области излучения (0,8–2,5 мкм – ближняя область, 2,5–25 мкм –
49
средняя, более 25 мкм – дальняя). Поглощение в ИК-области связано с моле­кулярными колебаниями, соответственно ИК-спектры дают информацию о строении соединений. Этот метод может быть использован для анализа почти всех молекул с ковалентными связями, кроме двухатомных (Н
, N2, О2). ИК-
2
спектры могут служить источником подробной информации о структуре мо­лекулярных соединений различной природы - витаминов, аминокислот, слож­ных эфиров, сахаров, спиртов и других, поэтому широко используется для це­лей идентификации. Так, например, в Китае этот метод применяют для иден­тификации коммерческих сортов пакетированного чая, в Испании – для диф­ференциации по возрасту вин и бренди. Большое распространение получили ИК-спектрофотометры с Фурье преобразованием, которые при работе исполь­зуют все частоты излучения источника одновременно, что позволяет повысить информативность метода, обеспечить существенно большую чувствитель­ность и экспрессность анализа по сравнению с классическими ИК­спектрофотометрами.
Спектроскопия ядерного магнитного резонанса (ЯМР) основана на
взаимодействии вещества и электромагнитного излучения при помещении пробы одновременно в два магнитных поля – одно постоянное, а другое ра­диочастотное. В момент совпадения частот магнитного и радиочастотного полей (точка резонанса) с частотой перехода между энергетическими уров­нями ядер с различной ориентацией спина наблюдается сильное поглоще­ние излучения, пропорциональное количеству ядер исследуемого элемента. Ядерный магнитный резонанс наблюдается только в ядрах, имеющих маг­нитный момент (
Н, 13С, 15N, 19F, 31P и др.). Содержание этих ядер для мно-
1
гих видов продукции является важным идентификационным признаком. Так, например, установлено, что содержание изотопов
Н и 13С в этиловом
2
спирте виноградных вин является довольно консервативным признаком, в значительной степени зависящими от эколого-географических факторов, в которых произрастал виноград, использованный для приготовления вин. В Испании метод спектроскопии ЯМР используется для различения красных вин, произведенных в разных винодельческих регионах.
Фотометрия – метод количественного анализа, основанный на спо-
собности определяемого вещества, компонента смеси или их окрашенных форм поглощать электромагнитное излучение оптического диапазона.
Способность к поглощению зависит от цветности исследуемого веще­ства. Цветность определяется электронным строением молекулы, обычно ее связывают с наличием в молекуле так называемых хромофорных групп, обусловливающих поглощение электромагнитного излучения веществом в видимой и УФ-областях спектра.
Приборами, применяемыми в фотометрии, являются колориметры, фотометры, фотоэлектроколориметры, спектрофотометры и т. д. Основное различие между ними заключается в комбинациях источников света, моно­хроматизаторов и рецепторов.
50
Существует несколько классификаций приборов фотометрии в зави-
симости от признака, положенного в основу. По способу монохроматизации лучистого потока выделяют:
- спектрофотометры - приборы с призменным или решеточным моно-
хроматором, позволяющие достигать высокой степени монохромати­зации рабочего излучения;
- фотоэлектроколориметры - приборы, в которых монохроматизация достигается с помощью светофильтров.
По способу измерения:
- однолучевые с прямой схемой измерения (прямопоказывающие);
- двухлучевыс с компенсационной схемой.
По способу регистрации измерений:
- регистрирующие;
- нерегистрирующие.
Рассмотрим принципиальную схему одноканального абсорбционного
фотоколориметра, в котором выделение светового потока с определенной длины волны (монохроматизация)) осуществляется за счет применения све­тофильтров, представленную на рисунке 4.5
Р и с. 4.5. Схема одноканального абсорбционного фотоколориметра:
1 – источник излучения, 2 – оптическая избирательная система (линза и фильтр), 3а – исследуемое вещество, 3б – вещество сравнения, 4 – фотоприемник (фотоэлемент), 5 – устройство преобразования информации (усилитель, гальванометр), 6 – устройство регистрации и отображения информации (дисплей)
Принцип работы фотоколориметра заключается в сравнении между
собой двух световых потоков.
Один из них – это фоновый световой поток, формирующийся в ре-
зультате прохождения излучения от источника 1 через оптическую систему, где происходит выделение определенной длины волны, и раствор сравне­ния, состав которого известен.
Вторым световым потоком является так называемый основной свето-
вой поток, который образуется при прохождении света от источника через оптическую систему и рабочий (исследуемый) раствор.
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]