Электронный курс лекций 3 страница

(5) Фотографический атомно-эмиссионный спектральный анализ – метод, основанный на получении эмиссионных спектров анализируемого вещества на фотографической пластине.

4.1 Количественный колориметрический анализ. Принцип фотометрического определения веществ

В основе количественного колориметрического анализа лежит основной закон светопоглощения – закон Бегера-Ламберта-Бера:

D _l = e_l l C, (4.1)

где D _l – оптическая плотность вещества при длине волны;

e_l – коэффициент экстикции поглощающего вещества при длине волны l;

l – толщина слоя образца, см;

C – концентрация вещества, г/см³.

Основными параметрами всех фотометрических определений являются длина волны l, при которой производится измерение оптической плотности, величина оптической плотности D _lтолщина слоя образца l, концентрация раствора С.

Данный метод можно использовать для анализа только оптически прозрачных жидких сред.

Применение калибровочных графиков в соответствии с законом Бегера-Ламберта-Бера в координатах «оптическая плотность–концентрация» (рис. 4.1) является наиболее распространенным методом для количественных фотометрических измерений. Калибровочный график должен иметь вид прямой линии, которая проходит через начало координат.

Рисунок 4.1 – График зависимости оптической плотности от концентрации исследуемого раствора (калибровочный).

При анализе растворов сложного состава применяется метод добавок, позволяющий учитывать влияние «третьих» компонентов. Сущность его заключается в том, что сначала определяется оптическая плотность D_x анализируемого раствора, содержащего искомый компонент неизвестной концентрации С_х. Затем в этот раствор добавляется известное количество определяемого компонента С_а и вновь измеряется D _х+а.

В заводских и научно-исследовательских лабораториях для контроляразличных технологических процессов всех отраслей пищевой промышленности, оценки качества растительного и животногосырья, разнообразных пищевых продуктов широко используются простые, быстрые и точные фотометрические методы анализа,которые при сравнительно несложном оборудовании позволяют определять концентрацию анализируемых окрашенных растворов. Анализ окрашенных, а также бесцветных растворов можно проводить спектрофотометрическими методами, используя при этом более сложные приборы – спектрофотометры.

Измерение пропускания и оптической плотности растворов в области длин волн l=315-980 нм и определение концентрации веществ в растворе производят с помощью фотоэлектрических колориметров.

Современный отечественный фотоколориметр КФК-2 показан на рис. 4.2.

В качестве регистрирующего прибора в нем используется микроамперметр типа Н-907, градуированный в микроамперах по шкале 0-100 делений, соответствующей шкале светопропускания Т.

Принцип измерения коэффициента светопропускания состоит в том, что на фотоприемник направляются поочередно световые потоки: полный f_{0 l} и прошедший через анализируемую среду f _l и определяется отношение этих потоков по формуле

T = f_l / f_0l × 100. (4.2)

Рисунок 4.2 – Фотоколориметр КФК-2:

1 – микроамперметр; 2 – рукоятка настройки прибора на 100%-ное пропускание; 3 – рукоятка «чувствительности» (ввод фотоприемников в световой поток); 4 –рукоятка перемещения кювет с раствором сравнения и исследуемым раствором; 5 – рукоятка ввода цветных светофильтров; 6 – осветитель

Оптическая плотность D определяется по формуле

D = - lg f_l / f_0l = - lg T/100 = 2 – lg T. (4.3)

В научно-исследовательской практике используют и многоцелевой однолучевой фотометр Specol-10 фирмы Carl Zeiss Iena (Германия), который позволяет производить измерения светопропускания и оптической плотности при l=340-850 нм.

В качестве спектрофотометров в лабораториях пищевых продуктов используются отечественные приборы СФ-16, СФ-26, СФ-46. Однолучевые спектрофотометры этого типа предназначены для измерения светопропускания и оптической плотности растворов и твердых веществ при l=186-1100 нм.

В спектрофотометр помещена кювета, которая является составной частью его оптической схемы. Загрязненияна стенках кюветы и царапины сильно рассеивают и поглощают свет, искажая тем самым результаты измерений, поэтому обращаться с ней надоочень аккуратно. Содержимое кюветы должно быть гомогенные.

В практике пищевой промышленности широко используются отечественные пламенные фотометры типа ФПЛ, ПАМ, ПФМ и др. Наиболее широкое распространение в аналитической практике получили пламенные фотометры с интерференционными светофильтрами. В ряде случаев эти приборы снабжены микропроцессорами, что позволяет ускорить и автоматизировать выполнение анализа. Состав газовых сред указан в таблице 4.1.

Таблица 4.1 – Состав газовых сред

Смесь	Температура, оС	Определяемые элементы
Воздух/природный газ		Na, K, Ca
Воздух/пропан		Ca
Воздух/ацетилен		Ca, Mg, Fe
Окись азота/ацетилен		Ti, V

Пламенные фотометры позволяют определять несколько элементов (последовательно) – натрий, калий, кальций, литий, а одноканальные многоэлементные фотометры с прямым отсчетом – до 11 элементов.

Многие задачи анализа многокомпонентных пищевых продуктов успешно решаются с помощью двухканальных пламенных фотометров типа Flapho фирмы Carl Zeiss, имеющих призму или дифракционную решетку и фотоумножитель в качестве детектора, что позволяет определять одновременно два элемента по абсолютному сигналу.

4.2 Нефелометрия. Флуоресценция. Фотографический атомно-эмиссионный спектральный анализ. Атомно-абсорбционная спектроскопия

Для анализа эмульсий, различных взвесей и других мутных сред используется нефелометрия (1). Метод основан на измерении ослабления светового потока, проходящего через мутную пробу.

Одним из основных принципов нефелометрических измерений является наличие эталонов мутности.

Для осуществления нефелометрических методов анализа ионы анализируемого элемента или органического соединения переводят в малорастворимое соединение, способное образовывать относительно устойчивую дисперсную систему в начальный период формирования осадка. Для этих целей удобны наименее растворимые в воде осадки, содержащие ионы Ва²⁺, Са²⁺ Ag⁺, Cl^-, SО₄^2-, СгО₄^2- и др.

Нефелометрические определения проводят с помощью фотоэлектрических колориметров-нефелометров типа ФЭК-Н, ФЭК-56М и др.

При воздействии на молекулы каким-либо видом энергии (пламя, искра, плазма, ультрафиолетовое излучение) наблюдается возбуждение электронных спектров и ответное выделение квантов энергии молекулами – флуоресценция, эмиссия (4). Интенсивность флуоресценции пропорциональна концентрации соответствующего вещества.

Флуоресценция свойственна в основном органическим соединениям, поэтому в анализе неорганических веществ используют флуорогенные органические аналитические реагенты, образующие флуоресцирующие комплексы с минеральными соединениями. Высокая интенсивность флуоресценции объясняет низкий предел обнаружения, составляющий 10^-8%.

Метод весьма чувствителен, и его используют для определения очень малых количеств веществ при анализе органических соединений, например витаминов, гормонов, антибиотиков и др.

Чаще других используется отечественный прибор марки ЭФ-4М с набором светофильтров для различных веществ.

Метод, основанный на получении эмиссионных спектров анализируемого вещества на фотографической пластине, получил название фотографического атомно-эмиссионного спектрального анализа (5).

Методы эмиссионного спектрального анализа основаны на измерении длины волны, интенсивности и других характеристик света, излучаемого газообразными атомами вещества. Атомы вещества испускают или поглощают свет определенной длины волны, который можно разложить на набор линий в спектроскопе, спектрографе и спектрофотометре. Основные составные части атомного (пламенного) эмиссионного спектрофотометра представлены на рис. 4.3.

Рисунок 4.3 – Схема устройства пламенного эмиссионного спектрофотометра: 1– воздух из компрессора; 2 – распылитель; 3 – образец; 4 – горелка; 5 – монохроматор или фильтр; 6 – детектор; 7 – регистрирующее устройство

Спектральные линии элементов в полученном спектре позволяют судить о качественном составе анализируемой пробы, а по результатам измерения относительных почернении спектральных линий гомологической пары и их сравнению с соответствующими величинами стандартных образцов проводят количественный анализ компонентов пробы. Почернение спектральных линий измеряют при помощи микрофотометров фотоэлектрическим способом.

Рассматриваемый метод отличается высокой абсолютной чувствительностью и достаточно высокой воспроизводимостью при определении низких концентраций анализируемых веществ.

В лабораторной и заводской практике заводов пищевой промышленности используются отечественные спектрографы с кварцевой оптикой ИСП-30, ДФС-8, а также спектрографы со стеклянной оптикой ИСП-51 и ДФС-10.

В атомно-абсорбционной спектроскопии, так же как и в молекулярной, действует закон Бегера-Ламберта-Бера.

Атомно-абсорбционный метод анализа получил широкое распространение в практике вследствие своих достоинств, к числу которых относится высокая чувствительность. В настоящее время известны методы определения более восьмидесяти элементов, среди которых жизненно важные – Na, К, Mg, Ca, Сu, Zn, Р и микроэлементы – Cd, Hg, В, Pb, Sb, As, Mn и др. Количественные определения проводят методом калибровочного графика или методом добавок.

Для визуального наблюдения спектра используют спектроскопы.

Спектроскоп, предназначенный для эмиссионного анализа, получил название стилоскоп (3), а для спектрального анализа по спектрам испускания – стилометр (2). Последний позволяет не только наблюдать спектр, но и количественно измерять относительную интенсивность спектральных линий.

Рабочая область слектроскопов ограничена видимой частью спектра и составляет (0,39-0,70) •10^-6 м. Переносной отечественный стилоскоп СЛП-2 является удобным прибором для проведения экспресс анализов в производственных условиях, а в заводских лабораториях используют стилоскоп СЛ-11А или стиломеры СТ-7.

Для атомизации вещества в атомно-абсорбционной спектрофотометрии используют пламя газовых сред различного типа и электротермические атомизаторы. Пламенная атомизация обеспечивает достаточно низкие пределы обнаружения элементов (10^-5-10^–7 %) и хорошую воспроизводимость результатов анализа (1-2 %) при достаточно высокой скорости определений и небольшой трудоемкости. Кроме того, этот анализ может быть полностью автоматизирован, начиная от подачи проб и до обработки результатов измерений. При этом производительность составляет до нескольких сотен определений в час.

В научно-исследовательских работах нашли применение качественные атомно-абсорбционные спектрофотометры типа «Спектр-1», «Сатурн», а также приборы зарубежных фирм типа «AAS-1» (Германия) и Perkin – Elmer (США).

1. Какой закон лежит в основе количественного колориметрического анализа?

2. Метод применения калибровочного графика в фотометрии.

3. Метод добавок в фотометрии.

4. Какие приборы используются в фотометрии?

5. Принцип работы фотоэлектроколориметра и спектрофотометра.

6. Какой метод анализа применяется при исследовании мутных растворов?

7. Что такое флуоресценция?

8. Достоинства и недостатки колориметрического и спектрофотометрического методов анализа.

9. На чем основаны методы эмиссионного спектрального анализа?

10. Принцип работы пламенного эмиссионного спектрофотометра.

11. Каково практическое применение атомно-абсорбционного метода анализа?

5 Поляриметрический и полярографический методы анализа

Поляриметрический метод анализа применяется для измерения угла поворота плоскости поляризации света при пропускании его через оптически активную среду раствора проводят с помощью поляриметров.

Полярографический методы анализа основаны на применении количественного полярографического метода: расчетный метод, калибровочного графика, стандартных растворов и метод добавок.

(1) Сахариметры – специально созданные для аналитического контроля, позволяющие быстро выполнять поляриметрические определения массовой доли сахарозы.

(2) Удельное вращение [] – угол поворота плоскости поляризации, который получился бы, если бы луч прошел во вращающей среде путь l=1 дм при концентрации вещества С, равным 1 г/см³.

(1) Полярографический метод – метод, основанный на регистрации силы тока при постепенном линейном увеличении напряжения на электродах ячейки, погруженных в исследуемый раствор.

5.1 Поляриметрический метод анализа. Виды поляриметров

Свет всегда поляризован, т. е. имеет неэквивалентность различных направлений в плоскости, перпендикулярной световому лучу.При прохождении такого света через оптически активные вещества (чаще всего органические соединения с асимметрическим атомом углерода) происходит изменение угла вращения плоскости поляризации (рис.5.1).

Плоскости поляризации двух половин P₁ и Р₂ составляют между собой малый угол 2a. Если плоскость поляризации анализатора АА перпендикулярна биссектрисе 2 a (а), обе половины I и II поля зрения имеют одинаковую полутеневую освещенность. При малейшем повороте анализатора относительная освещенность I и II резко меняется (б и в).

Из теории поляриметрии следует, что угол поворота плоскости поляризации пропорционален концентрации оптически активного вещества. На практике применяют понятие «удельное вращение» [ a ] (2) – угол поворота плоскости поляризации, который получился бы, если бы луч прошел во вращающей среде путь l =1 дм при концентрации вещества С =1 г/см³ (далее концентрация веществ приводится в скобках) в свете с длиной волны l при температуре t, т. е. угол поворота a составляет

a = [a]_l ^t Cl. (5.1)

Показатель удельного вращения [a]_l^t характеризует растворение вещества в определенном растворителе.

Рисунок 5.1 – Полутеневые поляризаторы

Измерение угла поворота плоскости поляризации света при пропускании его через оптически активную среду раствора проводят с помощью поляриметров. Принципиальная схема полутеневого поляриметра дана на рис. 5.2.

Рисунок 5.2 – Принципиальная схема полутеневого поляриметра:

1 – источник света; 2 – конденсатор; 3 – полутеневой поляризатор; 4 – трубка с исследуемым оптическим активным веществом; 5 – анализатор с отсчетным устройством; 6 – зрительная труба; 7 – окуляр отсчетного устройства

Разновидностью поляриметров являются сахариметры (1), специально созданные для аналитического контроля, позволяющие быстро выполнять поляриметрические определения массовой доли сахарозы.

5.2 Полярографический методы анализа. Виды количественного полярографического метода: расчетный метод, калибровочного графика, стандартных растворов и метод добавок

Полярографический метод (1) основан на регистрации силы тока при постепенном линейном увеличении напряжения на электродах ячейки, погруженных в исследуемый раствор (рис. 5.3). Одним из электродов является капельный ртутный электрод. Полученные кривые зависимости «ток-потенциал» (полярограммы) позволяют судить о природе реагирующих веществ по величине потенциала, а о концентрации – по величине предельного тока.

В основе количественного полярографического анализа лежит линейная (на определенном участке) зависимость между высотой полярографической волны и концентрацией вещества в растворе. Найдяпо графику высоту волны либо замерив пропорциональную ей величину предельного тока, можно определить концентрацию. Существует несколько методов количественного полярографического анализа: расчетный, калибровочного графика, стандартных растворов, добавок.

Рисунок 5.3 – Принципиальная схема полярографа:

1 – капающий ртутный электрод; 2 – ртутный анод; 3 – источник постоянного тока; 4 – самопишущий регистратор напряжения тока; 5 – усилитель; 6 – аккумулятор

Количественный полярографический анализ построен на уравнении Ильковича, связывающего величину диффузного тока i_Д с концентрацией иона С:

i_Д = 607 D ^{1/ z} m ^{3/ z} t ^{1/ z} C, (5.2)

где D – коэффициент диффузии;

z – заряд иона;

т – масса ртути, вытекающей из капилляра за 1 с, мг;

t – время образования капли (период капания), с.

В практике полярографического анализа коэффициент пропорциональности между С и i_Д устанавливается,как правило, с помощью стандартных растворов, поэтому уравнение (5.2) при условии D, т, t = const переходит в следующий вид:

i_Д = k C. (5.3)

Расчетный метод применяется сравнительно редко. Чаще пользуются методом калибровочного графика. График строят по 5-7 стандартным растворам, для которых полярограммы снимают в строго идентичных условиях. В этих же условиях полярографируют в дальнейшем и исследуемый раствор. Методом стандартных растворов вначале снимают полярограмму исследуемого раствора, а затем стандартного с известной концентрацией определяемого вещества.

Если в анализируемом растворе присутствует несколько электроактивных веществ, то на полярограмме можно получить раздельные пики каждого вещества. Варьируя состав фона и его концентрацию, можно добиться лучшего разделения пиков определяемых веществ.

Разрешающая способность и чувствительность полярографии переменного тока выше, чем у обычной полярографии. В полярографах различных типов на электрическую ячейку подается плавно изменяющееся с определенной скоростью напряжение, а возникающий ток регистрируется специальным устройством.Суть переменнотоковой полярографии в том, что на электроды наряду с постоянным поляризующим напряжением, которое постепенно нарастает, подается небольшое переменное напряжение. С началом электролиза через ячейку проходит переменный ток, который достигает максимального значения при потенциале полуволны. Высота максимума на полярограмме пропорциональна концентрации.

Концентрацию определяемого вещества в исследуемом растворе находят из уравнения

C_x = C_ст h_x / h_ст, (5.4)

где С_ст – концентрация исследуемого стандартного раствора, мкг/см³;

h_х,h_ст – высота волны для раствора соответственно исследуемого и стандартного, мм.

Методом добавок анализ проводят следующим образом. Анализируют исследуемый раствор и определяют высоту его волны h_x, затем к нему добавляют стандартный раствор в таком количестве, чтобы высота волны раствора с добавкой возросла примерно вдвое. Снимают полярограмму раствора с добавкой, при этом находят h_х+ст. Концентрацию вещества в исследуемом растворе С_x определяют по формуле

C_x = C_ст h_x / (h_х+ст – h_x.). (5.5)

При использовании этого метода полностью устраняются ошибки, вносимые фоном и другими артефактами.

В практике полярографического анализа используются как отечественные приборы типов ППТ-1, ПУ-1, так и зарубежные типов LP-7, LP-60 и типов ОН-104, ОН-105, в которых полярограмма записывается на диаграммной ленте.

Для массовых определений оптимальный диапазон концентраций для полярографии равен 10^–2-10^-5 моль/дм³, а погрешность аналитических результатов не превышает ±2%.

Данным методом можно определять хроматы, иодаты, молибдаты, ванадаты, анионные хлоридные комплексы вольфрама, олова и молибдена, а также наличие кадмия, свинца, хрома, олова, цинка, никеля, алюминия, железа и других металлов.

В настоящее время разработан ряд эффективных полярографических методик и для определения органических соединений, в частности органических галогенидов, альдегидов, кетонов, хинонов, гидрохинонов, меркаптанов, дисульфидов, сулъфоксидов, нитро- и нитрозосоединений, азосоединений, олеинов и др.

1. На чем основан поляриметрический метод анализа?

2. Что такое удельное вращение плоскости поляризации?

3. Принцип работы полутеневого поляриметра.

4. На чем основан полярографический метод анализа?

5. Какие методы используются для количественного определения вещества в полярографии?

6. На чем построен количественный полярографический анализ?

6 Радиометрический метод анализа

Загрязнение пищевых продуктов радиоактивными веществами (радионуклидами) небезопасно для здоровья человека. Контроль пищи растительного и животного происхождения осуществляют лаборатории, оборудованные соответствующими приборами и имеющие в штате подготовленных работников с помощью радиометрического метода анализа.

(1) Активность миллиграмм-эквивалента радия (мг-экв. Ra) – обладает такое количество радионуклида, которое создает такую же мощность дозы, как и 1 мг радия, заключенного в фильтр из платины толщиной0,5 мм.

(2) Активностью вещества – мера количества радиоактивного вещества, выражаемая числом радиоактивных превращений в единицу времени.

(3) Единица поглощенной дозы излучения (Дж/кг) – это поглощенная доза излучения, переданная массе облучаемого вещества в 1 кг и измеряемая энергией в 1 Дж.

(4) Кюри (Ки) – это активность такого количества вещества, в котором происходит 3,7^.10¹⁰ актов распада в одну секунду. Единица активности Ки соответствует активности 1 г радия.

(5) Мощность поглощенной и экспозиционной доз – поглощенная и экспозиционная дозы излучения, отнесенные к единице времени.

(6) Период полураспада – время, в течение которого распадается половина всех атомов радиоактивных веществ.

(7) Поглощенная доза – энергия, поглощенная единицей массы облучаемого вещества.

(8) Рад – это поглощенная доза, при которой количество поглощенной энергии в 1 г любого вещества составляет 100 эрг независимо от вида и энергии излучения.

(9) Радиоактивность – это способность некоторых химических элементов (урана, тория, радия, калифорния и др.) самопроизвольно распадаться и испускать невидимые излучения. Такие элементы называют радиоактивными.

6.1 Радиоактивность и активность веществ. Понятие «поглощенная и экспозиционная доза». Приборы для определения радиологического заражения пищевых продуктов и воздуха

Радиоактивность (9) – это способность некоторых химических элементов (урана, тория, радия, калифорния и др.) самопроизвольно распадаться и испускать невидимые излучения. Такие элементы называют радиоактивными.

Радиоактивные вещества распадаются со строго определенной скоростью, измеряемой периодом полураспада (6), т. е. временем, в течение которого распадается половина всех атомов. Радиоактивный распад не может быть остановлен или ускорен каким-либо способом. Распад радиоактивных ядер сопровождается ионизирующим излучением. Скорость распада А пропорциональна числу ядер радионуклида:

А = Nl, (6.1)

где N – число ядер радионуклида;

l – постоянная распада, характеризующая вероятность распада за единицу времени (доля общего числа атомов изотопа, распадающихся каждую секунду).

Постоянная распада связана с периодом полураспада Т соотношением

T = 0,693 / l. (6.2)

Активностью вещества (2) называется мера количества радиоактивного вещества, выражаемая числом радиоактивных превращений в единицу времени.

В системе СИ за единицу активности принято одно ядерное превращение в секунду (расп./с). Эта единица носит название беккереля (Бк). Внесистемной единицей измерения активности является кюри (Ки) (4).

Ки – это активность такого количества вещества, в котором происходит 3,7^.10¹⁰ актов распада в одну секунду. Единица активности Ки соответствует активности 1 г радия.

Для измерения малой активности пользуются производными величинами: милликюри (1 мКи = 10^-3 Ки), микрокюри (1 мкКи = 10^-6 Ки).

Для определения активности источников γ-излучения чаще всего пользуются специальной единицей измерения – миллиграмм-эквивалент радия (мг-экв. Ra). Активностью 1 мг-экв. Ra (1) обладает такое количество радионуклида, которое создает такую же мощность дозы, как и 1 мг радия, заключенного в фильтр из платины толщиной0,5 мм.

Удельная активность выражается различными единицами измерений: Бк/см³, Бк/г, Ки/дм³, Ки/кг, Бк/м³ и т. д.

Степень, глубина и форма лучевых поражений прежде всего зависит от величины поглощенной биологическим объектом энергии излучения. Для характеристики этого показателя используют понятий поглощенной дозы (7), т. е. энергии, поглощенной единицей массы облучаемого вещества.

За единицу поглощенной дозы (3) излучения принимают джоуль на килограмм (Дж/кг) – это поглощенная доза излучения, переданная массе облучаемого вещества в 1 кг и измеряемая энергией в 1 Дж.

В радиационной гигиене широкое применение получила внесистемная единица – рад (8) – это поглощенная доза, при которой количество поглощенной энергии в 1 г любого вещества составляет 100 эрг независимо от вида и энергии излучения. Производными данной единицы являются миллирад (1 мрад = 10^-3 рад) и микрорад (1 мкрад =10^-2 рад).

Внесистемной единицей экспозиционной дозы рентгеновского и -излучения является рентген (Р). Величины 0,114 эрг/см³ и 87,7 эрг/г принято называть энергетическими эквивалентами рентгена. Соотношение между поглощенной дозой излучения, выраженной в радах, и экспозиционной дозой, выраженной в рентгенах, для воздуха имеет вид

D_эксп = 0,877 D_погл. (6.3)

Поглощенная и экспозиционная дозы излучения, отнесенные к единице времени, называются мощностью поглощенной и экспозиционной доз (5).

Биологические эквивалентом рентгена (бэр) в системе СИ является зивер (Зв).

Для обнаружения и измерения радиоактивных излучений используют приборы различных типов.

Детекторы ионизирующих излучений применяют для обнаружения ионизирующего излучения и измерения его энергии. Действие большинства детекторов основано на обнаружении эффекта от ионизации или возбуждения атомов или молекул вещества ионизирующим излучением. К ним относятся детекторы с ионизационными камерами и газоразрядными счетчиками. Детекторы, в которых используется эффект флуоресценции, называют сцинтилляционными счетчиками. Фотографические детекторы позволяют измерить уровень ионизирующих излучений по плотности почернения фотоматериалов, а химические – по результатам различных химических реакций (ферросульфатный детектор, детектор на основе четыреххлористого углерода, нитратный детектор).