CC BY
3УДК 51-73:535
М. А. Коротаева, В. И. Алехнович, А. Г. Григорьянц
МЕТОДЫ ЛАБОРАТОРНОГО И ПОЛЕВОГО АНАЛИЗА СОСТАВА СИЛЬНОРАССЕИВАЮЩИХ СРЕД
Рассмотрено применение оптических методов для количественного определения состава и свойств полидисперсных многокомпонентных жидкостей, в частности молока. Исследован метод фазовой микроскопии для высокоточного лабораторного анализа молока. Предложена схема портативного анализатора количественного состава молока, позволяющая повысить точность измерений по сравнению с традиционными фотометрическими измерениями.
E-mail: vial@bmstu.ru
Ключевые слова: полидисперсная среда, метод фазового контраста,
уравнение переноса излучения, ослабление излучения.
В промышленности постоянно возникает задача определения количественного состава различных жидкостей: нефтепродуктов, лекарств, биологических объектов, продуктов питания. Поскольку на рынке представлено множество производителей, а централизованный контроль практически отсутствует, определение качества продуктов питания особенно важно. Количественный же анализ затруднен вследствие сложного химического и дисперсного состава продуктов. Так, в состав молока входят около 100 компонентов. В виде истинного раствора в молоке содержатся соли кальция, натрия, калия, магния, молочный сахар, а также водорастворимые витамины, небелковые азотистые соединения, органические кислоты, альдегиды и др. Молочный сахар, растворяясь в плазме молока, образует молекулярный раствор. В коллоидно-дисперсном состоянии в молоке находятся белки. Жир содержится в молоке в виде эмульсии [1].
В большинстве случаев методы анализа состава молока, предусмотренные стандартами, являются химическими или физико-химическими. Поскольку это прямые методы, они считаются наиболее достоверными. Однако для их реализации требуются высокочистые химические реактивы, необходима высокая квалификация персонала. Проведение измерений занимает, как правило, длительное время. Это приводит к увеличению стоимости экспериментов, кроме того, их точность снижается за счет несовершенства реактивов, а также человеческого фактора — ошибок лаборанта и субъективности оценки результатов.
От этих недостатков свободны инструментальные методы анализа, к ним относятся: оптические, ультразвуковые, кондуктометриче-ские, криоскопические и другие методы. Наиболее перспективными являются оптические, в частности лазерные, методы. Их несомненное достоинство заключается в том, что время анализа сокращено до нескольких минут, проведение измерений может быть автоматизировано, благодаря чему исключаются ошибки оператора. Однако большинство этих методов являются непрямыми: измеряется не непосредственно содержание компонента, а какой-либо физический параметр, зависящий от него. В большинстве случаев эта связь не определена точно. Используются приближенные эмпирические соотношения, применение которых приводит к ошибкам и делает результаты недостоверными. В то же время применение теории взаимодействия лазерного излучения с веществом позволяет точно учитывать факторы, влияющие на результаты измерений, и повышать точность и достоверность измерений.
Фазовая микроскопия. Мощным методом анализа является фазовая микроскопия. Метод основан на том, что при прохождении оптического излучения сквозь среду происходит изменение длины оптического пути, а следовательно, и фазы излучения. Оптическая система фазового микроскопа преобразует разницу фаз в изменение яркости. По полученному изображению можно определить форму, размеры, концентрацию частиц. По изменению фазы, получаемому при прохождении частиц излучением, определяется показатель преломления частицы, что позволяет точно определить химический состав пробы [2].
Файл Правка Изображение Настройки Окна Помощь
« ьц_- * ч, \т | в у д|в ш|||ви|| t а ¡в I ч г а^и зи а а ш ccio.t I в t» н в » а в и-»
Рис. 1. Фазовая картина жиров молока
MIM Visuslizerl.C л ^^_|
Файл Правка Изображение Настройки Окна Помощь
ai у I ■ да. Чв <в|| в г' в в ш|| I. I и a at I и г || и И ю g Q я I с с. а о <> ф II а а в I а т а |»
& I & А 5»5 & & | -k -fc ib A V-I _
Рис. 2. Фазовая картина белков молока
На рис. 1 и 2 представлены результаты фазовых измерений для белков (увеличение 300х) и жиров (увеличение 100 х) молока. Изображения получены с помощью интерференционного микроскопа МИМ-320 (лаборатория «Амфора») [3].
Программное обеспечение микроскопа позволяет определять размеры частиц. По результатам измерений размеры жировых шариков составляют 0,7...1,2 мкм, частиц белка —100...200 нм. Отклонения полученных результатов от стандартных (1,0.10 мкм для жира и 10.100 нм для белка) связаны с тем, что при измерениях использовалось термообработанное гомогенизированное молоко, размеры частиц в котором заметно отличаются от размеров частиц в цельном молоке (частицы жира при гомогенизации измельчаются, частицы белка при нагревании объединяются в более крупные конгломераты).
Зная длину оптического пути и вносимую объектом разность фаз, можно определить показатель преломления частицы, который зависит от наиболее фундаментальных оптических постоянных - диэлектрической и магнитной проницаемости — и позволяет различать вещества даже в том случае, когда их оптические характеристики отличаются незначительно. Это важно, например, для определения примеси растительных жиров в молоке и др.
Следует заметить, что анализ белка и жира на световом микроскопе не позволяет получить оптимальных результатов, поскольку жировые шарики оптически прозрачны, а размеры частиц белка слишком малы для исследования на большинстве современных световых микроскопов. Определение показателей преломления частиц
полидисперсной многокомпонентной системы с помощью существующих рефрактометров также затруднительно. В частности, показатель преломления белка в молоке определяется как разность показателей преломления молока и молочной сыворотки после осаждения белков химическими реактивами. Измерение занимает около 20 мин и имеет невысокую точность (не выше 0,1 %) [4].
Оборудование для фазовой микроскопии довольно дорогое и требует лабораторных условий для работы. Поэтому его применение ограничено специализированными лабораториями.
Лазерный экспресс-анализ состава молока. Принцип действия портативных лазерных анализаторов состава молока основан на приближенных формулах (например, закон Бугера — Ламберта — Берра [5]), которые практически не применимы для исследования сильно-рассеивающих сред. В то же время при учете физики взаимодействия лазерного излучения с веществом и подборе оптимальных схем эксперимента возможно значительное повышение точности и достоверности измерений.
Процесс рассеяния описывается уравнением переноса излучения:
В уравнении (1) 10,1 — интенсивности излучения, падающего на пробу излучения и прошедшего сквозь нее. Первый член в правой части уравнения описывает снижение интенсивности 10 с возрастанием коэффициента ослабления Косл. Второй член уравнения соответствует изменению интенсивности за счет рассеянного излучения, коэффициент Крас — объемный коэффициент рассеяния. Третий член уравнения Ь0 определяет дополнительный фон, который создается в рассеивающей среде либо за счет излучения от посторонних источников, либо за счет люминесценции среды. Функция /(у) называется индикатрисой рассеяния и определяет зависимость интенсивности рассеянного излучения от угла рассеяния у [6].
Первое слагаемое в правой части уравнения (1) определяет однократное рассеяние и поглощение, второе — многократное рассеяние. В случае с многокомпонентной полидисперсной средой и высокой кратностью рассеяния это уравнение является крайне сложным для решения.
В качестве измерительной схемы, позволяющей упростить вид уравнения переноса, предлагается использовать классическую схему фотометрического анализа, состоящую из источника и приемника излучения и расположенной между ними пробы исследуемого вещества, при условии, что диаметр сканирующего лазерного луча и при-
(1)
емника излучения малы, а слой вещества — тонкий. При этих условиях можно учитывать только однократное рассеяние [7]. Уравнение переноса излучения имеет вид
dL=-K j di ~ K
(2)
Если считать, что все частицы среды имеют одинаковые размеры, а рассеяние однократное, то можно записать коэффициенты поглощения и рассеяния излучения группой частиц, а также индикатрису рассеяния в виде
ч2
(
K рас = 3 Nax4
K пог = -4 Nax
m2 -1
да2 + 2
V
Im
m2 -1
m2 + 2
f (Y) = 4 Nay(1 + cos2 y);
K = K + K
осл пог рас
(3)
(4)
(5)
(6)
где N — концентрация частиц; а — средний радиус частиц; х — параметр рассеяния; т — относительный комплексный показатель преломления, равный отношению показателя преломления частицы к показателю преломления окружающей ее жидкости; ^пог — коэффициент поглощения излучения.
Несмотря на простой вид уравнения переноса, в нем остаются три неизвестные величины: концентрация, размер частиц и комплексный показатель преломления. Определить их значения можно, если провести три независимых эксперимента, по результатам которых будет составлена система из трех уравнений с тремя неизвестными. Один из самых простых вариантов — это проведение трех экспериментов на образцах, в разной степени разбавленных водой. Такой подход позволяет повысить точность измерений по сравнению с применением закона Бугера — Ламберта — Берра, поскольку учитывается рассеяние излучения, зависимость показателей преломления и рассеяния от концентрации вещества, размеров его частиц и изменения показателя преломления, и оценить эти параметры.
Заключение. Применение оптических методов анализа, в частности фазовой микроскопии, для анализа состава продуктов питания имеет существенные преимущества по сравнению с традиционными
химическими методами. К этим преимуществам относятся: высокая степень автоматизации, быстрота проведения измерений, минимальная пробоподготовка, а также возможность определять по данным одного эксперимента большое число параметров образца. Высокая стоимость оборудования должна окупиться за счет повышения производительности и улучшения качества продукции. Создание же портативных лазерных приборов, основанных на теории взаимодействия излучения с веществом, а не на приближенных значениях и градуи-ровочных характеристиках, не только сделает доступным определение состава образцов в полевых условиях, но и приблизит достоверность измерений к достоверности химического анализа.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Крусь Г. Н., Шалыгина А. М., Волокитина Э. В. Методы исследования молока и молочных продуктов. - М.: Колос, 2000. - 367 с.
2. Борн М., Вольф Э. Основы оптики. - М.: Наука, 1973. - 720 с.
3. Исследование микроморфологии и нанодинамики живых клеток методами модуляционной интерференционной микроскопии - новое направление медико-биологических исследований / П.С. Игнатьев, А.В. Лопарев, К.В. Индукаев, П. А. Осипов // Сб. тезисов докладов участников Международного конкурса научных работ молодых ученых в области нанотех-нологий. 6-8 октября 2009. - М., 2009. - С. 772-774.
4. ГОСТ 25179-90. Молоко. Методы определения белка // Молоко и молочные продукты. Общие методы анализа. - М.: ИПК Издательство стандартов, 2004.
5. Шмидт В. Оптическая спектроскопия для химиков и биологов. - М.: Техносфера, 2007. - 363 с.
6. Дейрменджан Д. Рассеяние электромагнитного излучения сферическими полидисперсными частицами. - М.: Мир, 1972. - 165 с.
7. Розенберг Г. В. Физические основы спектроскопии рассеивающих веществ // Успехи физических наук. - 1967. - Т. 91. - Вып. 4.
Статья поступила в редакцию 26.09.2012
