Оптические методы и технические средства контроля качества продукции

К оптическим свойствам продукции относят цвет, прозрачность, рефракцию, оптическую активность.

Цвет — один из признаков качества очень многих продовольственных товаров. Проблема цвета постоянно находится в сфере внимания технологов, товароведов-экспертов, а вопросы правильной методики его измерений и анализа полученных результатов имеют большое значение. В пищевых продуктах находятся природные красящие вещества (анто- цианы, хлорофилл, каротиноиды, миоглобин и др.), которые обусловливают их цвет.

При определении цвета основную роль играет цветовое ощущение, возникающее при осмотре продуктов, не светящихся самостоятельно, а лишь освещенных источником света. Цвет несамосветящегося тела зависит не только от его оптических свойств (от способности поглощать, отражать или пропускать свет), но и от того, каким светом оно освещается.

Все тела подразделяются на серые и цветные. Если данное тело в равной степени поглощает и отражает световые лучи с разными длинами волн, то оно будет выглядеть серым. В крайних идеальных случаях, когда тело отражает весь падающий на него лучистый поток, оно будет абсолютно белым (сахар, соль), и наоборот, когда полностью поглощает — абсолютно черным (чернослив). Все средние состояния представляют цвет с разной степенью серости, и цвет окраски продукта определяется цветом отраженных лучей.

Цвет продуктов определяется по измерению отражательного спектра или спектра поглощения.

Прозрачность — свойство, характеризующее способность пропускать свет. Это один из главных показателей качества большинства жидких пищевых продуктов. Одни из них полностью пропускают весь спектр лучей — они бесцветны и прозрачны. Другие пропускают излучение в узком спектральном интервале, они прозрачны и окрашены, так как часть лучей отражается.

Оптическая активность веществ характеризуется свойством изменять направление колебаний при прохождении через них поляризованного света. Оптическая активность обусловлена особенностями строения кристаллической решетки (в этом случае вещества проявляют оптическую активность только в твердом кристаллическом состоянии) или особенностями строения молекул (когда оптическая активность проявляется в растворах).

Рефракция —это свойство веществ изменять направление распространения светового потока при его переходе из одной среды в другую.

Оптическими методами можно определить химический состав пищевых продуктов, они позволяют судить о доброкачественности продовольственных товаров.

Этими методами определяют количество нитратов, нитритов, некоторых тяжелых металлов, сахаров, витаминов и других веществ. Они широко применяются для определения концентрации окрашенных растворов, а также для определения цвета многих пищевых продуктов.

К оптическим методам относятся рефрактометрия, по- ляриметрия, абсорбционные оптические методы.

Рефрактометрический анализ широко применяют при исследовании таких пищевых продуктов, как жиры, томатные продукты, варенье, джем, соки и др.

Рефрактометрический анализ основан на измерении показателя преломления (рефракции) веществ, по которому следует судить о природе вещества, чистоте и содержании в растворах.

Преломление луча света возникает на границе двух сред, если среды имеют различную плотность. Отношение синуса угла падения (а) к синусу угла преломления (р) называют относительным показателем преломления (п) второго вещества по отношению к первому, оно является постоянной величиной:

Показатель преломления вещества зависит от его природы, а также от длины волны света и от температуры.

При падении света под углом 90°, угол преломления называется предельным углом преломления, а его величина зависит только от показателей преломления сред, через которые проходит свет. Поэтому, если известен показатель преломления одной среды, то, измерив предельный угол преломления, можно определить показатель преломления исследуемой среды.

Принцип действия рефрактометра основан на том, что определяется лишь угол преломления исследуемой жидкости, а показатель преломления измерительной призмы известен.

Устройство рефрактометра РПЛ-3 показано на рис. 2.12.

Рефрактометр РПЛ-3

Рис. 2.12. Рефрактометр РПЛ-3:

  • 1 — основание; 2 — штатив; 3 — корпус; 4 — дисперсионный лимб с ручкой; 5 — нижняя камера; 6' — шарнир соединения камер; 7 — верхняя камера; 8 — осветитель; 9 — термометр в оправе; 10 — пробка для установления нуля; 11 — шкала;
  • 12 — рычаг; 13 — окуляр.

Корпус 3 прибора укреплен на штативе 2. Две призмы — осветительная и измерительная заключены в металлические камеры 7 и 5, которые соединены шарниром б. Через камеры призмы во время определения пропускают из термостата воду, температура контролируется термометром 9.

При анализе неокрашенных жидкостей свет направляют в окно верхней призмы 7, закрыв окно нижней призмы щитком; при анализе темноокрашенных жидкостей свет направляют на нижнюю призму 5, а окно верхней призмы закрывают.

На передней стенке корпуса имеется продолговатая прорезь 11, в которой укреплены две шкалы: слева расположена шкала показателей преломления от 1,333 до 1,540 с ценой деления 0,001; справа находится шкала сухих веществ от 0 до 95 % с ценой деления 0,2 % в интервале от 0 до 50 % и 0,1 % в интервале от 50 до 95 %, эта шкала градуирована по сахарозе.

Окуляр 13, расположенный перед прорезью, передвигается вдоль нее при помощи рычага 12, вращающегося на своей оси с одновременным передвижением компенсатора 4.

На рисунке 2.13 представлен рефрактометр Abbe 2WAJ.

Рефрактометр Abbe 2WAJ

Рис. 2.13. Рефрактометр Abbe 2WAJ

Рефрактометр Abbe 2WAJ предназначен для измерения показателя преломления жидкостей, сухих веществ и определения концентрации сахара. Незаменимый инструмент в химической промышленности, нефтехимии, на фармацевтическом производстве, для анализа пищевых масел и жиров, сахаров и других веществ.

Поляриметрический метод основан на свойстве некоторых веществ изменять направление световых колебаний.

Вещества, обладающие свойством изменять направление колебаний при прохождении через них поляризованного света, называются оптически активными. Особенности строения молекул сахаров обусловливают проявление оптической активности в растворах.

У поляризованного луча, пропущенного через слой раствора оптически активного вещества, меняется направление колебаний, а плоскость поляризации оказывается повернутой на некоторый угол, называемый углом поворота плоскости поляризации, который зависит от концентрации вещества, толщины слоя раствора, длины волны луча поляризованного луча и температуры.

Оптическая активность вещества характеризуется удельным вращением (о), под которым понимают 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.

Угол вращения плоскости поляризации а определяют по формуле

где I — длина трубки, дм;

С — концентрация вещества, г / 100 мл.

Из этой формулы легко выразить концентрацию С, если известен угол вращения:

Достаточно просто устроен полярископ-поляриметр ПКС-56, который служит для измерения двойного лучепреломления в стекле (рис. 2.14).

Оптическая схема полярископа-поляриметра ПКС-56

Рис. 2.14. Оптическая схема полярископа-поляриметра ПКС-56: 1 — источник света; 2 — матовое стекло; 3 — поляризатор;

  • 4 — образец; 5 — четвертьволновая пластинка; 6 — анализатор;
  • 7 — светофильтр

Он состоит из источника света 1 (лампа накаливания), матового стекла 2, поляризатора 3 (поляроид, вклеенный между стеклами), четвертьволновой пластинки 5, анализатора 6 и светофильтра 7 (максимум пропускания при 0,54 мкм). Порядок измерения на приборе следующий: скрещивают поляризатор и анализатор (отсчет по лимбу анализатора 0°, поле зрения темное); устанавливают образец 4 (если он обладает двойным лучепреломлением, то в поле зрения наблюдается просветление); поворачивают анализатор до максимального потемнения в середине образца; по лимбу отсчитывают угол поворота анализатора.

Оптические абсорбционные методы — это методы анализа, основанные на поглощении электромагнитного излучения анализируемыми веществами. Именно оптические абсорбционные методы получили широкое распространение в научно-исследовательских и сертификационных лабораториях. При поглощении света атомы и молекулы поглощающих веществ переходят в новое возбужденное состояние. В зависимости от вида поглощающих веществ и способа трансформирования поглощенной энергии различают атомноабсорбционный, молекулярно-абсорбционный анализ, нефелометрию и люминесцентный анализ.

Атомно-абсорбционный анализ основан на поглощении световой энергии атомами анализируемых веществ.

Молекулярный абсорбционный анализ основан на поглощении света молекулами анализируемого вещества и сложными ионами в ультрафиолетовой, видимой и инфракрасной областях спектра (спектрофотометрия, фотоколориметрия, ИК-спектроскопия). Фотоколориметрия и спектрофотометрия основаны на излучении с однородными системами, их обычно объединяют в одну группу фотометрических методов анализа.

Нефелометрия основана на поглощении и рассеянии световой энергии взвешенными частицами анализируемого вещества.

Люминесцентный (флуорометрический) анализ основан на измерении излучения, возникающего в результате выделения энергии возбужденными молекулами анализируемого вещества. Люминесценцией называют свечение атомов, ионов, молекул и других более сложных частиц вещества, которое возникает в результате перехода электронов в них при возращении из возбужденного состояния в нормальное.

Чтобы вещество стало люминесцировать, к нему необходимо извне подвести определенное количество энергии. Частицы вещества поглощают 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.

В зависимости от вида возбужденного уровня и времени пребывания в нем различают флуоресценцию и фосфоресценцию. Флуоресценция — это вид собственного свечения вещества, которое продолжается только при облучении. Если источник возбуждения устранить, то свечение прекращается мгновенно или спустя не более 0,001 с. Фосфоресценция — это вид собственного свечения вещества, которое продолжается после отключения возбуждающего света. Для исследования продовольственных товаров используют явление флуоресценции.

С помощью люминесцентного анализа можно обнаружить в анализированном образце присутствие вещества в концентрации 10-11 г / г. Этот метод используется для определения некоторых витаминов, содержания белков и жиров в молоке, исследования свежести мяса и рыбы, диагностики порчи овощей, плодов и обнаружения в продуктах консервантов, лекарственных препаратов, канцерогенных веществ, пестицидов.

Все оптические абсорбционные методы иногда объединяют в одну группу спектрохимических или спектроскопических методов анализа, хотя они имеют существенные различия по аппаратному оформлению, по виду поглощающих частиц и другим признакам. Методы разные, но в их основе лежат одинаковые законы светопоглощения.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ ОРИГИНАЛ   След >