Инфракрасная спектроскопия

Инфракрасная спектроскопия (ИК) является новым экспрессным физическим методом количественного и качественного анализа. Метод ИК спектроскопии заключается в том, что электромагнитное излучение, длина волны которого изменяется в пределах 2,5...15 мкм, пропускают через образец исследуемого объекта. Количественный анализ по инфракрасным спектрам основан на универсальном абсорбционном законе Бугера-Ламберта-Бера. В отличие от ранее приведенных спектральных методов анализа, в ИК-спектроскопии используются сканирующие приборы. Они позволяют исследовать оптическую плотность излучения в определенном диапазоне волн, формируя спектрограмму. 

Поглощение электромагнитного излучения в ИК области вызвано колебательным и вращательным движении атомов в молекулах при определенной длине волны. Поэтому этот метод позволяет получать информацию о строении и составе органических веществ, содержании некоторых минеральных веществ в составе растениеводческой продукции. К настоящему времени изучены инфракрасные спектры более чем 20 000 соединений. Для получения ориентировочных данных пользуются картой Колтупа, на которой указаны спектральные области многих характеристических частот. Для окончательных выводов обычно требуется более тщательный анализ спектра или проводят сопоставление спектра известного соединения и анализируемого вещества.

Метод ИК-спектроскопии в настоящее время используется для определения химического состава растениеводческой продукции. Этим методом проводится зоотехнический анализ кормов по содержанию сырого протеина, сырой клетчатки; сырого жира; сырой золы, влажности. При анализе продовольственного зерна анализируется содержание в продукте белка, сырой клетчатки, ИДК, стекловидность и др.

Преимуществом метода является высокая экспрессивность. Технические возможности приборов позволяют одновременно определять несколько показателей за несколько минут.

В аналитической практике используются множество моделей ИК-спектрометров. Принцип работы приборов основан на измерении интенсивности диффузно отраженных инфракрасных лучей от анализируемой пробы и математической обработке на микро-ЭВМ полученных результатов. Подготовка растительных проб к анализу сводится в основном к их размолу. Некоторые модели приборов позволяют выполнять анализ даже без предварительного измельчения проб.

Молекулярно-люминесцентная спектрометрия

Люминесценция– это свечение веществ, которое возникает в результате перехода электронов из возбужденного состояния в нормальное. Чтобы вещество начало люминесцировать, оно должно получить дополнительную энергию. Частицы вещества, поглощая энергию, переходят в возбужденное состояние, пребывая в нем некоторое время. Затем они возвращаются в состояние покоя, отдавая при этом часть энергии возбуждения в виде квантов люминесценции.

Свечение, возникающее в виде электромагнитного излучения ультрафиолетового (УФ) и видимого излучения называется фотолюминесценции. Она подразделяется на флуоресценцию и фосфоресценцию.

Флуоресценция – это вид собственного свечения вещества, которое происходит только при воздействии электромагнитной волны высокой частоты. Если источник возбуждения устранить, то свечение прекращается мгновенно. Фосфоресценцией называют собственное свечение вещества, которое продолжается после отключения возбуждающего света.

Наиболее часто метод флуориметрии применяют для определения низких концентраций веществ при анализе органических соединений: витаминов, пестицидов, микотоксинов и др. Основным преимуществом флуориметрии по сравнению с другими абсорбционными методами является высокая селективность, так как флуоресценцией обладает небольшое количество веществ. Однако ряд соединений можно перевести во флуоресцирующие, введя в молекулу исследуемого вещества флуоресцирующую группу в составе люминифоров.

 

Рефрактометрия

Рефрактометрии основана на определении показателя преломления (рефракции). Преломление является следствием взаимодей­ствия электромагнитного поля световых волн с атомами вещества. Сущность его сводится к тому, что под воздействием электромагнитного поля световых волн в атомах вещества возникают вынужденные коле­бания электронов. Взаимодействие двух электро­магнитных полей – вещества и света приводит к образо­ванию результирующей волны, отличающейся от исходной скоро­стью и направлением ее распространения в данной среде. Таким образом, при прохождении луча света из одной прозрачной среды в другую направление ее меняется тем больше, чем меньше в ней скорость распространения света.

Показатель преломления (n) для данного вещества при определен­ных условиях величина постоянная и равна отношению синусов угла падения (α) светового пучка на поверхность раздела двух сред и угла его преломления (β):

С повышением концентрации вещества в растворе его показа­тель преломления увеличивается. Эта зависимость в определенном диапазоне концентраций вещества выражается уравнением

n=n_o+k·C

где n – коэффициент преломления чистого растворителя;

n_o – эмпирический ко­эффициент, зависящий от природы вещества;

С –концентрация вещества в ра­створе.

Показатель преломления зависит от температуры и концентрации раствора, а также от длины волны проходящего света. Поэтому рефрактометрические измерения выполняют при температуре 20 ^оС или вводят соответствующие температурные поправки. Рефрактометрия относится к неселективным методам анализа. Поэтому ее можно использовать для анализа растворов известного состава.

Для измерения показателя преломления жидких растворов применяют приборы – рефрактометры. Большинство рефрактометров устроено так, что исследуемое вещество помещается между двумя призмами. Свет, пропущенный через призму, преломляясь или отражаясь от границы раздела сред (призма – вещество), освещает только часть шкалы, образуя достаточно резкую границу света и тени. Положение этой границы на шкале зависит от угла полного внутреннего отражения исследуемого вещества. На шкале указаны показатели преломления, соответствующие различным значениям угла полного внутреннего отражения.

Благодаря сочетанию высокой точности, скорости и простоте про­ведения анализа рефрактометрические методы получили широкое распространение во многих отраслях народного хозяйства, несмот­ря на развитие других инструментальных методов. Современные промышленные рефрактометры позволяют определять показатель преломления с точностью 10^-3-10^-5 %; количество вещества, тре­буемого для проведения анализа, может составлять менее 10^-3 г. Рефрактометрию применяют при установлении концентрации углеводов в различных продуктах, массовой доли сухих веществ. Этим методом пользуются также для количественного определения жиров в пищевых продуктах, для технологического контроля переработки растениеводческой и животноводческой продукции. В зависимости от целевого назначения выделяют рефрактометры-сахариметры, рефрактометры-жиромеры и др.

 

Поляриметрия

Поляриметрический метод анализа основан на измерении концентрации веществ в растворах по изменению угла вращения плоскости поляризованного света оптически активными соединениями. Эти вещества являются соединениями органической природы, содержащими один или несколько асимметричных атомов углерода или другие функциональные группы. Они способны вызывать вращение плоскости поляризации проходящего через исследуемое вещество электромагнитного излучения. Величина вращения в растворах зависит от их концентрации, поэтому поляриметрию широко применяют для измерения концентрации оптически активных веществ, например сахаров (сахароза, фруктоза, глюкоза).

Поляризованный свет можно получить при пропускании естественного света через поляроидные пленки; некоторые минералы – исландский шпат, турмалин и др.

Оптическая активность вещества характеризуется удельным вращением, под которым понимается угол, на который повернется плоскость поляризации при прохождении поляризованного луча через раствор, в 1 мл которого содержится 1 г растворенного вещества, при толщине слоя раствора (длине поляризационной трубки), равной 1 дм.

Под плоскостью поляризации понимается плоскость, проходящая через поляризованный луч перпендикулярно направлению его колебаний.

Удельное вращение зависит не только от природы вещества, но и от температуры, длины поляризованного света и растворителя, поэтому его принято относить к температуре 20 ^оС и желтой линии натрия и обозначать [α] с указанием растворителя.

Угол вращения плоскости поляризации [α] определяют по формуле

α = [σ] ,

 

где l – длина трубки, дм;

       с – концентрация вещества, г/100 мл;

       σ – удельное вращение, град.

Пользуясь формулой, вычисляем количество вещества в граммах, содержащееся в 100 мл раствора, т.е. концентрацию (с).

с = ,

Исследования методом поляриметрии осуществляют с помощью прибора поляриметра или его разновидностью – сахариметра, с помощью которого можно определять содержание сахарозы в растворе.

В лабораторной практике применяют различ­ные типы универсальных поляриметров с круговой шкалой (СМ-3, СУ-5, П-161) и специальных – поляриметров-сахариметров, поляриметров-глюкозиметров. В настоящее время получили распространение и цифровые автоматические поляриметры универсального назначения.

Поляриметры простейшего типа состоят из источника электромагнитного излучения, поляризатора, поляризационной трубки для анализи­руемого раствора и анализатора со шкалой.