Материал: А27631 Бегунов АА методы и средства аналитических измерений

Большинство органических молекул поглощают свет и испускают его (люминесцируют) в ближней ультрафиолетовой и видимой областях спектра. Поглощение и испускание света в этом случае обусловлено перепадами между электронно-колебательными состояниями молекул. Спектры люминесценции содержат, как правило, большое количество полос излучения, что обусловлено наличием целого ряда люминесцирующих компонентов. Для идентификации конкретного люминесцирующего компонента необходимо выделить отдельную полосу излучения, что осуществляется при помощи светофильтров и монохроматоров.

В качестве источников возбуждения используются лампы накаливания, газоразрядные лампы и лазеры.

Примеры использования люминесцентного метода:

– определение остаточных загрязнений молочного происхождения. Метод основан на том, что под воздействием УФ-об-лучения остатки молочных продуктов люминесцируют. Зависимость интенсивности люминесцентного излучения от количества загрязнения на облучаемой поверхности носит линейный характер;

– оценка санитарно-гигиенического состояния самосогревшегося и заплесневевшего зерна. Предложенные экспресс-методы оценки поражения зерна грибками и выявления фузарнозного зерна основаны на биолюминесцентном спектральном анализе. Для выявления загрязненного афлатоксинами зерна применяется косвенный метод желто-зеленой флуоресценции (ЖЗФ), сущность которого заключается в просматривании навески зерна под источником УФ-света в затемненном помещении. Нормальные зерна при этом флуоресцируют тускло-фиолетовым светом, а пораженные грибками и афлатоксинами – желто-зеленым;

– диагностика загрязнения окружающей среды с помощью фотосинтезирующих бактерий, водорослей, низших и высших растений, обладающих фотосинтетической люминесценцией (послесвечение, замедленная люминесценция). Так, обнаруженное замедление люминесценции различных биопрепаратов и семян растений с низкой влажностью (менее 15 %) позволило разработать очень быстрые и чувствительные методы измерения влажности препаратов и оценки жизнеспособности семян без их проращивания. Другое явление – резонансная ядерная флуоресценция, т. е. излучение, поглощение и рассеяние гамма-квантов без отдачи (без расходования части энергии ядерного перехода на отдачу излучающего и поглощающего гамма-квант ядра);

– радиотермолюминесцентная спектроскопия (РТЛ) основана на следующем явлении: если органический объект облучить при низком значении температуры лучами или электронами, то при последующем нагревании он будет светиться. При использовании метода РТЛ снижается зависимость интенсивности свечения продукта от температуры. При разогреве облученного органического вещества интенсивность термолюминесценции существенно меняется в том интервале температур, где проявляется молекулярная подвижность. Кривая высвечивания РТЛ очень сильно зависит от дозы облучения и скорости разогрева. Радиотермолюминесцентная спектроскопия является единственным методом, позволяющим изучать молекулярную подвижность и структуру сверхтонких слоев органических веществ;

– в клетках высших растений и животных биолюминесценция не обнаружена, а наблюдается только сверхслабое свечение – биохемилюминесценция. И биолюминесценция и биохемилюминесценция – результат окислительных реакций с участием кислорода, причем возбужденные молекулы возникают в результате распада диоксидантов. Поскольку существует зависимость между свечением живых организмов и их функциональным состоянием, следовательно, явление хемилюминесценции можно использовать на практике. В частности, по интенсивности свечения можно судить о ходе технологического процесса или о концентрации химического соединения в смеси. В растениях различают очень слабую спонтанную хемилюминесценцию (ХЛ), вызванную протеканием в них метаболических процессов, и ХЛ, индуцированную некоторыми добавками (Н₂О₂, КО₄ и пр.).

Индуцированную ХЛ следует отличать от фотолюминесценции – послесвечения биообъекта, предварительно облученного коротким импульсом света.

Основным направлением использования ХЛ-анализа является исследование физиологического состояния овощей, фруктов, семян. Например, ХЛ-метод используется для автоматической диагностики болезней картофеля. С этой целью измеряют уровень сверхслабого свечения:

– принципиально возможны разработки на основе хемилюми-несценции методов контроля содержания в мясопродуктах белковых добавок растительного и животного происхождения, пищевых добавок, содержащих кислоты, карбоксильные, красящие и ароматические компоненты. Успешно используют метод хемилюминесценции для контроля за содержанием в мясопродуктах нитритов, одновременного анализа Сu и Со в молоке. Это связано с тем, что ионы меди II, кобальта II и хрома III непосредственно усиливают свечение, а железо (Fe) катализирует реакцию только в присутствии активаторов – органических аминов. Данный метод отличают высокая чувствительность, селективность и простота исполнения;

– ХЛ-метод применим для анализа микроколичества аскорбиновой кислоты в некоторых продуктах. В основу разработанной методики положен ингибиторный эффект аскорбиновой кислоты. На этом принципе основан метод оценки жизнеспособности дрожжей при регидрации.

Приборная реализация рассмотренных методов принципиально не представляет больших трудностей.

Биолюминесцентный АТФ-метод микробиологического конт-роля. Способностью к люминесценции обладают некоторые бактерии, простейшие, грибы, черви, ракообразные и в особенности насекомые (светлячки). Для многих из них характерны ферментативные окислительно-восстановительные реакции, при которых изменение свободной энергии используется для возбуждения молекул состояния с повышенной энергией. Последующее возвращение молекул в основное состояние сопровождается излучением в видимой области спектра, которое называется биолюминесценцией.

Рассмотрим возможности метода для микробиологического контроля в области экологии, медицины, гигиены, контроля ряда продуктов.

Медицина. Показана эффективность применения метода АТФ/БЛ на восприимчивость антибиотика и на бактериальное обсеменение в ранах и тканях.

Экология. Подтверждена эффективность метода АТФ/БЛ для определения бактериальной зараженности природной и питьевой воды, для контроля ила и в процессе очистки сточных вод.

Технология и биотехнология. Экспресс-анализ на биорезистент-ность к действию грибков и контроль токсичности полимеров, смазок, топлива, для оценки качества золы, используемой для производства фармацефтических препаратов.

Контроль качества продовольствия. Метод АТФ/БЛ с успехом применяется для оценки бактериального заражения молочных изделий, мясопродуктов, соков и пищевого оборудования.

Микробиологический контроль парфюмерно-косметической продукции. Успешно применяется для оценки зараженности парфю-мерного сырья.

Методически метод АТФ/БЛ микробиологического контроля требует реагенты и люменометры. Основными реагентами метода являются следующие компоненты:

1) бульоны с низким содержанием АТФ;

2) биолюминесцентные наборы;

3) стандарты АТФ.

В качестве примера приборного оформления люминесцентного метода измерения рассмотрим люменометр фирмы "Bio-Orbit-Oy" модели 1251. Этот прибор предназначен для измерения количества микроорганизмов в продуктах личной гигиены (шампуни, косметические кремы, лосьоны для душа, зубные пасты, жидкости для мытья посуды), а также в необходимых для их производства сырьевых материалах. Область применения люменометра – аналитические лаборатории научно-исследовательских институтов и промышленных предприятий. Люменометр модели 1251 работает в УФ-области и основан на явлении биолюминесценции. Метод АТФ-биолюминесцен-ции представляет собой методику, которая применяется для контроля микробиологического качества детергентов и продукции личного пользования, а также необходимых для производства сырьевых материалов.

Образцы подвергаются инкубации в питательном бульоне в течение по меньшей мере 18 ч. Микроорганизмы, растущие в бульоне, провоцируют аденозинтрифосфат (АТФ); его наличие может быть выявлено в ходе ферментативной реакции, которая дает свечение. Оценка количества микроорганизмов осуществляется относительно установленного порогового значения, равного 1,40, что соответствует количеству микроорганизмов, равному 300.

В качестве стандарта используется люциферин – люциферазная система американского светлячка, цвет хемилюминесценции которой желто-зеленый с длиной волны 565 нм.

Управление работой люменометра осуществляется с помощью встроенного микропроцессора.

Основные технические характеристики:

спектральный диапазон – 190...680 нм;

рабочая длина волны – 565 нм;

пределы допускаемой относительной погрешности на λ = 565 нм составляет 10 %;

порог срабатывания для количества колоний микроорганизмов, равного 300 (1,40 условные единицы).

8. Акустические методы

Акустические методы основаны на взаимодействии акустиче-ских волн с анализируемым веществом.

К этой группе относятся методы, основанные на зависимости характеристик акустических колебаний (скорости и поглощения зву-ка) от определяемого параметра. С помощью акустических методов определяют расход, уровень, влажность, температуру и другие характеристики.

Для измерения скорости звука применяют следующие методы:

– импульсный – данный метод является прямым методом изме-рений. Скорость звука определяется расстоянием, которое проходит звуковая волна от пьезокварца до отражателя, и временем прохожде-ния звуковой волной этого расстояния;

– интерференционный – этот метод является косвенным, приме-няется для измерений в слабо поглощающих жидкостях с низким затуханием волн. Длина волны определяется как двойное расстояние между двумя ближайшими минимумами (максимумами) звукового давления в точках стоячей волны в столбе жидкости, определяемом с помощью пьезочувствительного датчика интерферометра.

Кроме скорости звука применяется также другая характерис-тика акустических колебаний – поглощение звука. Основные методы измерения поглощения звука:

– метод измерения переменного звукового давления – этот ме-тод заключается в измерении пьезоэлектрического звукового давления в двух точках;

– интерференционный метод – это метод, основанный на изме-рении интенсивности стоячей волны в двух различных точках, которое производится по обратному воздействию звуковых волн на излучатель или на отдельный звуковой приемник.

С помощью этого метода определены характеристики костной ткани, динамический модуль сдвига и динамический коэффициент Пуассона; проведены акустические исследования мяса и мясопро-дуктов в целях экспрессного определения их характеристик; исследована зависимость амплитуды отражаемого УЗ-импульса от кислотности молока; показана возможность контроля кислотности молока ультраакустическим методом.

Звуковые и ультразвуковые методы и средства измерения основаны на изменении скорости распространения звуковых волн или степени затухания их интенсивности в зависимости от состава и концентрации анализируемой среды. На рис. 8.1 показана упрощенная структурная схема акустического (ультразвукового) анализатора жидкости. Его принцип действия основан на измерении частоты прохождения импульсов, возникающих в синхронизированном кольце, состоящем из измерительной ячейки с излучателем Пр₂ и при-емником Пр₁, генератора ИГ, формирующего каскада ФК и усили-теля У.

Рис. 8.1. Ультразвуковой анализатор: Пр₁ – приемник; Пр₂ – излучатель измерительной ячейки; ИГ – генератор; ФК – формирующий каскад; У – усилитель; ИЧ – измеритель частоты

Скорость прохождения ультразвука на базе между излучателем и приемником излучения при постоянных значениях элементов цепи зависит от состояния жидкости, заполняющей ячейку, и, в частности, от ее состава. Скорость же прохождения ультразвука в измеритель-ной ячейке связана прямо пропорционально с частотой следования импульсов, которая измеряется измерителем частоты (ИЧ). Подобные приборы обеспечивают измерение скорости в диапазоне от 800 до 2000 м/с, погрешность измерения составляет не более ±1 м/с.

На основе акустического метода измерения разработан ана-лизатор состава молока «Лактан 1-4». Он предназначен для одно-временного измерения температуры, массовой доли белка, жира, добавленной воды, СОМО и плотности в пробе цельного свежего, консервированного, пастеризованного, нормализованного, обезжи-ренного и восстановленного молока. Анализатор имеет выход, поз-воляющий подключать его к компьютеру. Встроенное программное обеспечение дает возможность накапливать данные измерений в ре-жиме On-line.

Содержание

МЕТОДЫ И СРЕДСТВА АНАЛИТИЧЕСКИХ ИЗМЕРЕНИЙ 3

Учебное пособие 3

1. КЛАССИФИКАЦИЯ МЕТОДОВ АНАЛИЗА 5

2. АНАЛИТИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЙ 10

2.1. Анализ на основе химических реакций 10

2.2. Анализ на основе электрохимических реакций 11

2.3. Анализ на основе термических процессов 12

2.4. Анализ на основе взаимодействия с электромагнитным или корпускулярным излучением 12

3. АНАЛИТИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ И МЕТОДЫ РАЗДЕЛЕНИЯ 17

3.1. Аналитические методы 17

3.2. Методы разделения 17

4. ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ 32

4.1. Термофизические методы для анализа состава вещества 32

4.2. Теплофизические методы для измерения влажности вещества 33

5. ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИЕ И ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ 35

5.1. Кондуктометрический метод 37

5.2. Диэлькометрический метод 38

5.3. Полярографический метод 40

5.4. Потенциометрический метод 41

5.5. Измерение рН жидкостей 46

5.6. Ионометрия 53

5.7. Основы капиллярного электрофореза 54

6. МЕТОДЫ, ОСНОВАННЫЕ НА ВЗАИМОДЕЙСТВИИ ВЕЩЕСТВА И ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ 63

6.1. Методы спектрального анализа. Спектроскопия 63

6.2. Оптические методы 66

6.3. Фотометрический метод 73

6.4. Фурье-спектрометры 84

6.5. Оптические датчики 91

6.6. Радиометрические методы 93

7. БИОЛОГИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ 113

7.1. Биосенсоры 113

7.2. Биоэлементы 114

7.3. Преобразователи 115

7.4. Люминесцентный метод 117

8. АКУСТИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ 124

МЕТОДЫ И СРЕДСТВА АНАЛИТИЧЕСКИХ ИЗМЕРЕНИЙ 130

Учебное пособие 130

В 2009 году Университет стал победителем многоэтапного конкурса, в результате которого определены 12 ведущих университетов России, которым присвоена категория «Национальный исследовательский университет». Министерством образования и науки Российской Федерации была утверждена программа его развития на 2009–2018 годы. В 2011 году Университет получил наименование «Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных техно-логий, механики и оптики».

Институт холода и биотехнологий

Институт холода и биотехнологий является преемником Санкт-Петербургского государственного университета низкотемпературных и пищевых технологий (СПбГУНиПТ), который в ходе реорганизации (приказ Министерства образования и науки Российской Федерации № 2209 от 17 августа 2011 г.) в январе 2012 года был присоединен к Санкт-Петербургскому национальному исследовательскому универси-тету информационных технологий, механики и оптики.

Созданный 31 мая 1931 года институт стал крупнейшим образова-тельным и научным центром, одним из ведущих вузов страны в области холодильной, криогенной техники, технологий и в экономике пищевых производств.

В институте обучается более 6500 студентов и аспирантов. Коллектив преподавателей и сотрудников составляет около 900 человек, из них 82 доктора наук, профессора; реализуется более 40 образовательных программ.