Материал: А27631 Бегунов АА методы и средства аналитических измерений

На рис. 5.5 показан пример применения электрофореза для анализа консервантов, красителей, подсластителей и антиоксидантов методом мицеллярной электрокинетической хроматографии с использованием системы капиллярного электрофореза.

Кофеин также находится в форме недиссоциированного сво-бодного основания, которое может быть зарегистрировано в систем-ном пике, так как кофеин сильно поглощает излучение при длине волны 254 нм.

Для определения неорганических катионов ряда щелочных и щелочноземельных металлов в приборе используется источник высокого напряжения положительной полярности. Катионы движутся к катоду в том же направлении, что и ЭОП, но быстрее его. Чтобы зарегистрировать пики катионов, применяют косвенное детекти-рование.

При анализе природных вод на электрофореграмме могут наблюдаться дополнительные пики, принадлежащие другим катионам, в частности катионам двухвалентных марганца и железа. Пик марганца выходит вслед за пиком стронция, а пик железа – после пика кальция.

Для анализа неорганических анионов в приборе необходимо установить источник высокого напряжения отрицательной поляр-ности, тогда электрод на входном конце капилляра будет катодом, а электрод выходного конца – анодом и анионы будут мигрировать в сторону выходного конца, т. е. к детектору.

Примеры использования электрических и электрохимических методов:

– известны примеры использования электропроводности как показателя качества молока. Обосновывается это тем, что в анормаль-ном молоке увеличивается содержание хлоридов, которые на 75 % обусловливают электропроводность молока. Следовательно, повышенная электропроводность молока является показателем его анормальности;

– использование потенциометрии с ионоселективными электродами для определения Na и K в сточных водах, что позволяет упростить, ускорить и автоматизировать анализ сточных вод;

– для оценки качества овощей и фруктов предлагается измерять коэффициент индуцированной электрической проводимости – отношение проводимости после предварительно пропущенного через продукцию постоянного электрического микротока в прямом направлении к проводимости и в обратном направлении. Эта величина прямо пропорциональна сохранности, достоверно отражает физиологические и фитопатологические изменения задолго до видимых проявлений болезни. На основе эффекта индуцированной проводимости можно разработать коэффициент Лежко, создать автоматические индикаторы качества;

– применение вольтамперометрического метода, который позволяет одновременно в одной пробе анализировать микропримеси Сu²⁺, Рb²⁺, Cd²⁺ и Zn²⁺ в пищевых продуктах. В качестве рабочего электрода вместо широко используемого ртутного предлагается применять ртутно-графитовый. В качестве фонового электролита используется ацетатный буферный раствор;

– предлагается использовать метод селективной электролитической флотации для очистки сточных вод от жиров. Жировые час-тицы прикрепляются к пузырькам по электростатическому механиз-му в соответствии с силами электрического притяжения (отталкивания). Процессом селективной электролитической флотации можно управлять, добавляя в сточную воду реагенты, влияющие на формирование электрического заряда частиц и пузырьков. Показано, что лучше использовать Н₂ или О₂, поверхности пузырьков которых всегда имеют определенный электрический заряд. Решающими факторами, от которых зависит процесс селективной электролитической флотации, являются pH и напряжение на электродах. Изучены оптимальные условия, в которых проявляются силы электростатического взаимодействия пузырьков и флотируемых частиц;

6. Методы, основанные на взаимодействии вещества и электромагнитного излучения

К данным методам относятся:

– абсорбционные – поглощение, отражение или пропускание падающего на вещество излучения: рентгеновская абсорбционная спектроскопия, атомно-абсорбционная спектрофотометрия, УФ-спект-рофотометрия, фотометрия, ИК-спектрометрия;

– эмиссионные – методы, основанные на испускании исследу-емым веществом излучений: атомная флуоресценция, люминесцент-ный анализ, рентгеновская флуоресценция, пламенная фотометрия, эмиссионная спектроскопия, оптические методы, радиометрические ЯМР, ЭПР, масс-спектрометрия.

6.1. Методы спектрального анализа. Спектроскопия

Спектроскопией называют методы, основанные на разнооб-разных формах взаимодействия молекул и их атомов материалов с переменным электромагнитным полем. Она основана на изучении спектров электромагнитного излучения. В таком спектре названия областей даны по способу возбуждения излучения (рис. 6.1). На рисунке области частично перекрываются.

Как видно из рис. 6.1, различные молекулы и их части (атомы, протоны) проявляют разные физические свойства при взаимодейст-вии с переменным электромагнитным полем разной длины волны. В настоящее время приняты следующие области общего спектра из-лучения, используемые в спектроскопии:

1) ультрафиолетовое излучение (10–380 нм);

2) видимое излучение (380–740 нм);

3) инфракрасное излучение (0,74 мкм–2 мм).

К методам спектрального анализа относят:

спектроскопию в видимой, инфракрасной, ультрафиолетовой, рентгеновской, ядерной и СВЧ областях;

спектроскопию нарушенного полного внутреннего отражения (НПВО);

комбинационное рассеяние света;

люминесцентный анализ, атомный спектральный анализ, ядерный магнитный резонанс и парамагнитный резонанс (ПМР) – спект-роскопию, мессбауэровскую спектроскопию.

Излучение лазера

– использование установки для автоматического определения влажности зерна. Конструкция датчика: верхний и нижний электроды находятся в прессе с регулируемым давлением. Путем вращения, подъема и опускания электродов испытываемое зерно вдавливается, через него пропускается ток, измеряется сопротивление. Поскольку для пробы используется небольшое количество зерна, во избежание погрешности измерения, обусловленной неравномерным содержа-нием влаги в общем объеме зерна, оценку влажности производят путем усреднения результатов измерений;

– применение метода для определения содержания соли в сыре. Сущность данного метода заключается в получении суспензии сыра и определении ее электропроводности, обусловленной концентрацией водорастворимых солей, а также химическим составом продукта; диапазон измерения массовой доли составляет 5–7 %, абсолютная погрешность – 0,2 %;

– использование возможности метода электрофореза для оцен-ки качества белково-сывороточного концентрата (контроль фракци-онного состава белков или количественного содержания и нативности в БСК);

– применение метода измерения влажности без отбора проб; он заключается в измерении диэлектрической проницаемости с по-мощью коаксиальной линии, к открытому концу которой подклю-чается датчик, выполненный в виде расширяющегося отрезка коаксиальной линии. Метод позволяет измерять влажность непосредственно в технологическом процессе.

Рис. 6.1. Спектр электромагнитного излучения

Рассмотрим основные направления развития и области приме-нения наиболее перспективных из этих методов:

– спектроскопия нарушенного полного внутреннего отражения заключается в получении спектра образца, находящегося в контакте с оптически более плотной средой. При этом в полосах поглощения образца происходит уменьшение интенсивности излучения, претер-певающего на границе раздела сред полное внутреннее отражение. Достоинством данного метода является простота подготовки образца. Область применения – анализ упаковочных пленочных материалов;

– спектроскопия, основанная на комбинационном рассеянии света. В основе метода лежит явление рассеяния света, проходящего через анализируемое вещество, причем частоты рассеянного света отличаются от частот исходного. Спектр комбинационного рассеяния является характеристическим для рассеивающего вещества. Комбинационное рассеяние пока применяется относительно редко, в основном для анализа канцерогенных веществ. Обычные методы комбинационного рассеяния с использованием лазерного излучения в видимой области спектра в большинстве случаев непригодны для биологических объектов, так как многие из них обладают высокофлуоресцентными свойствами. Для устранения этой проблемы в последнее время проводятся исследования с использованием лазеров, излучающих в ближней ИК-области. При этом возникают две проблемы:

– первая проблема связана с неточным оптическим центриро-ванием пробы;

– вторая – с чрезмерным повышением температуры и ее неста-бильностью внутри пробы.

Для устранения указанных проблем перспективным является использование достижений волоконной оптики. Это в данном случае эффективное средство подачи возбуждающего излучения на пробу и передачи комбинационного рассеяния.

Сочетание спектроскопии комбинационного рассеяния в ближ-ней ИК-области с преобразованием Фурье и волоконной оптикой значительно расширяет возможности проведения спектральных изме-рений биологических систем. Так, метод позволяет легче регистри-ровать спектры комбинационного рассеяния хрупких, высокофлуо-ресцентных биомолекул в разбавленных водных средах; упрощается применение метода для биомолекулярных проб, чувствительных к изменению температуры.

Атомная спектроскопия делится на атомно-абсорбционную и атомно-эмиссионную. Первая основана на поглощении исследуе-мым веществом излучения; вторая – на анализе испускаемого вещест-вом излучения.

В последнее время атомно-эмиссионная спектрометрия не-сколько вытеснила атомно-абсорбционную по частоте использования. Развитие эмиссионных методов анализа с возбудителем спектра в виде индуктивно связанной плазмы сделало возможным одновре-менное измерение за малый промежуток времени (~30 с) до 60 элементов. Атомно-эмиссионный метод применяется прежде всего в об-ластях, где требуются высокая производительность и определение большого числа элементов.

Для небольших объемов пробы перспективным является использование метода атомно-эмиссионной спектроскопии с электротермической атомизацией. К достоинствам данного метода следует отнести высокую чувствительность и возможность элементного анализа. Недостатками являются чувствительность к матричным эффектам, имеющим место при атомизации в графитовой печи, чувствительность к изменениям условий нагрева и возбуждения.

Несмотря на широкое распространение методов атомно-эмис-сионной спектрометрии, атомно-абсорбционный метод продолжает оставаться наиболее экономичным (стоимость установки в несколько раз меньше). Этот метод широко применяется в сельском хозяйстве для анализа концентрации макроэлементов и микроэлементов в поч-вах, кормах и растениях, в системах контроля состояния окружающей среды. К преимуществам рассматриваемого метода относятся высо-кая избирательность, экспрессность, сравнительная простота исполь-зуемой аппаратуры. Наряду с этим популярность атомно-абсорбцион-ного метода в значительной степени обусловлена постоянным усо-вершенствованием аппаратуры.

Основными направлениями дальнейшего развития метода атомно-абсорбционной спектроскопии являются:

– широкое применение новых компонентов в оптической и электрической схемах приборов;

– применение голографических решеток, кварцевых поляроидов;

– использование элементов волоконной оптики;

– употребление источников света с повышенной стабильностью.