Понятие рефрактометрии и ее применение
Содержание
Введение
. Некоторые
понятия физической оптики
.1
Распространение света
.2 Понятие
рефрактометрии. Показатель преломления света
.
Использование рефрактометрии и приборы для измерения показателя преломления
.1 Применение
рефрактометрии
.2 Рефрактометры
- порядок работы, принципы их действия
. Метод
определения содержания растворимых сухих веществ рефрактометром в фруктовых и
овощных соках (ГОСТ Р 51433-99)
.1
Применение, нормативные ссылки и термины
.2 Сущность
метода
Заключение
Список
использованных источников
Приложения
Введение
Качество пищевых продуктов определяется совокупностью характеристик,
способных удовлетворять потребности человека в пище при обычных условиях их
использования. Качество характеризуется показателями качества - количественной
характеристикой одного или нескольких свойств продукции.
При оценке показателей качества наряду с органолептическим анализом
большое значение имеют измерительные (инструментальные) методы анализа. Эти
методы позволяют определить химический состав, пищевую ценность,
физико-химические показатели качества, показатели безопасности пищевых
продуктов.
Можно выделить следующие методы, нашедшие широкое применение в пищевой
промышленности: газовая хроматография, жидкостная хроматография,
атомно-абсорбционная спектрометрия, фотометрия, люминесценция, капиллярный
электрофорез, инфракрасная спектроскопия, электрохимия, классические методы
анализа (титриметрия, гравиметрия),а также рефрактометрия.
При проведении экспертизы, сертификационных испытаний велико значение и
широка область применения и перспективы использования оптических методов
анализа, позволяющих с большой точностью определять количество макро- или
микроэлементов, в том числе токсичных, а также концентрацию других веществ,
обусловливающих потребительские свойства продовольственных товаров. Данная
курсовая работа предназначена для освоения будущими товароведами-экспертами
основных оптических методов анализа, используемых в оценке качества и
проведении сертификационных испытаний продовольственных товаров; ознакомления с
устройством и принципами работы оптических приборов; приобретения навыков по
математической обработке полученных результатов анализа.
Среди оптических методов исследования наиболее значимы и успешно
применяемы в товароведении рефрактометрия и фотоколориметрия.
Каждый человек нуждается в качественных товарах, и для определения
содержания определенных веществ в продукте важно инструментально определить их.
Одним из методов количественного определения веществ в продовольственных
продуктах является метод рефрактометрии. В этом актуальность этой работы.
Преимуществами рефрактометрического метода являются его простота и относительно
невысокая стоимость приборов для определения коэффициента преломления света
Целью данной курсовой работы является изучение рефрактометрии и ее
применение более подробно.
В связи с поставленной в работе целью необходимо решить ряд задач:
рассмотреть основные теоретические аспекты понятия
"рефрактометрия";
исследовать принцип работы рефрактометров;
проанализировать применение рефрактометрии и сделать основные выводы по
результатам проведенного исследования.
Объектом исследования данной курсовой работы являются продовольственные
продукты.
В ходе написания курсовой работы были использованы литературные источники
следующих авторов: Иоффе, Б. В., Кравченко, Э.Ф., Криштафович В.И., Ратушный
А.С., Колобов С.В. и другие.
Структура работы состоит из введения, основной части, заключения, списка
использованных источников и приложений.
1. Некоторые понятия физической оптики
рефрактометрия растворимый вещество сок
1.1 Распространение света
Свет - в физической оптике электромагнитное излучение, воспринимаемое
человеческим глазом. В качестве коротковолновой границы спектрального
диапазона, занимаемого светом, принят участок с длинами волн в вакууме 380-400
нм (750-790 ТГц), а в качестве длинноволновой границы - участок 760-780 нм
(385-395 ТГц).
Существуют две гипотезы распространения света.
Первая гипотеза - эмиссионная или корпускулярная, утверждала, что свет
представляет собой поток мельчайших частиц - корпускул, испускаемых нагретым
светящимся телом. Достигая глаза, эти частицы отражают зрительные ощущения.
Ударяясь о преграду, частицы отражаются от её поверхности или проникают внутрь
в зависимости от свойств материала тела.
Легко объясняя законы отражения света, эта гипотеза не могла объяснить
некоторые особенности преломления света и вовсе не объясняла интерференцию
света.
Вторая гипотеза - волновая, утверждала, что частицы, испускаемые
светящимся телом, находятся в состоянии чрезвычайно быстрых колебаний,
генерирующих волны, которые распространяются во все стороны и, достигая глаза,
вызывают зрительные ощущения. Волновая теория хорошо объясняла интерференцию
света и другие явления, недоступные корпускулярной гипотезе, но была не в состоянии
объяснить, каким образом распространяются волны в вакууме. Впоследствии эта
неясность была устранена признанием за световыми волнами электромагнитного
характера. Таким образом, свет по этой гипотезе представляет собой быстро
меняющееся электромагнитное поле.
В дальнейшем с накоплением экспериментальных данных и их теоретической
интерпретации, удалось установить особый, двойственный, характер световых
явлений и свести обе, казалось, взаимоисключающие гипотезы в одну стройную,
свободную от внутренних противоречий теорию. В соответствии с этой теорией свет
равноправно может рассматриваться и как волновое движение электромагнитной
природы, и как поток частиц, излучаемых источником света в виде отдельных
порций света - квантов или фотонов.
Вместе с тем световые явления могут рассматриваться также и с позиции
геометрической или лучевой оптики, представляющей собой применение
геометрических построений и теорем.
Фундаментом для сближения геометрии с учением о свете и развития лучевой
оптики явились представления о прямолинейности распространения света. Лучевая
оптика и в настоящее время сохраняет ведущую роль во всех оптических и
светотехнических расчётах, благодаря их простоте и наглядности, и показывает
обычно полное соответствие вычисленных и экспериментальных данных.
Лучевая оптика базируется на трёх основных приложениях:
прямолинейности распространения света в однородной среде;
поведении света на границе раздела двух сред при условии, что такая
граница представляет собой идеально гладкую поверхность;
независимости распространения света.
Указанные положения установлены эмпирически, т. е. опытным путём
посредством сравнения геометрических соотношений без учёта особенностей,
связанных со сложной природой света.
Чтобы оперировать только наглядными геометрическими элементами, в лучевой
оптике введены два условных понятия о луче и о светящейся точке.
Под лучом понимают направление, по которому распространяется свет.
Экспериментально установлено, что в вакууме и в однородной (газовой, жидкой или
твёрдой) прозрачной среде (например, в воздухе при постоянном давлении, в воде
или стекле) свет распространяется прямолинейно, и луч представляет собой прямую
линию, началом которой является источник света.
Под светящейся точкой понимают источник света, незначительными размерами
которого можно пренебречь. Физически любой источник света обладает
определёнными размерами, однако, если сравнить эти размеры с теми расстояниями,
на которые распространяется действие света, то условно (без существенной
погрешности) источник света принимают за точку.
От светящейся точки света расходится во все стороны в виде пучка
бесконечное число лучей, заполняющих всё окружающее пространство. Такой пучок
называется неограниченным. Однако, если на пути такого пучка поместить
диафрагму - непрозрачный экран с отверстием, то за диафрагмой свет будет
распространяться уже как ограниченный пучок.
Уменьшая отверстие диафрагмы, можно выделять всё более и более тонкие
пучки. Казалось бы, это должно привести к столь тонкому пучку, что его можно
считать "отдельным лучом". Однако опыт не подтверждает это
предположение. При уменьшении диаметра отверстия лучи теряют прямолинейность и
начинают огибать его края, и тем больше, чем меньше становится отверстие.
Явление огибания световыми (звуковыми и т.д.) волнами встречающихся на
пути препятствий называется дифракцией света и обусловлено его волновой
природой. По этой причине нельзя выделить отдельный луч и в действительности
существуют только пучки лучей.
.2 Понятие рефрактометрии. Показатель преломления света
Рефрактометрия - метод анализа, основанный на явлении преломления света
при прохождении из одной среды в другую.
Преломлением света называется изменение направления распространения света
(световых лучей) при прохождении через границу раздела двух различных прозрачных
сред. Преломление света, то есть изменение его первоначального направления,
обусловлено различной скоростью распределения света в различных средах. При
этом отношение синуса угла падения луча (α) к синусу угла преломления (β)
для двух соприкасающихся
сред есть величина постоянная, называемая показателем преломления (n).
Показатель преломления также равен отношению скоростей распространения света в
этих средах:
Если на пути светового пучка, распространяющегося в прозрачной однородной
среде (например, в воздухе), встречается другая прозрачная однородная среда
(например, стекло), то на границе раздела сред пучок света разделяется на два
луча, из которых один луч входит в новую среду, изменяя своё направление (преломляется),
а другой, отражаясь от поверхности раздела и изменяя своё направление,
продолжает распространяться в первой среде. Луч при распространении в
однородных средах, изменяя свою однонаправленность, сохраняет прямолинейность
распространения и до, и после границы раздела.
Таким образом, преломление и отражение не противоречат прямолинейности
распространения света в однородных средах.
Рисунок 1 -
Поведение луча на поверхности раздела.
Линия ММ на рисунке 1 изображает поверхность (границу) раздела между
воздухом и стеклом. Падающий луч монохроматического света (света, условно одной
длины волны) составляет с нормалью О\О’ к поверхности раздела сред угол АВО = α.
Этот угол называется
углом падения луча. В другой среде луч составляет с нормалью угол преломления
О’ ВС = β.
Если изменять угол падения луча α, то будет изменяться и угол
преломления луча β, но при этом всегда будет сохраняться неизменным
отношение синуса угла падения луча к синусу угла преломления:
Если заменять стекло на другие однородные прозрачные среды (например,
воду, другой сорт стекла), то в любом случае n будет оставаться величиной
постоянной, но значения её будут другими.
Причём, чем больше значение n, тем больше оптическая плотность второй
среды.
Если луч входит в какую-либо однородную прозрачную среду не из другой
прозрачной среды, а из вакуума, то такой показатель преломления называется
абсолютным показателем преломления среды (N).
Поскольку значение n зависит от длины волны света (λ)
и от температуры, то её
измерение проводят при монохроматическом свете и постоянной температуре.
Законы преломления света формулируются следующим образом:
падающий и преломлённый лучи находятся в одной плоскости с нормалью к
поверхности раздела, но расположены на противоположных сторонах от неё;
отношение синуса угла падения луча к синусу угла преломления для двух
соприкасающихся однородных сред постоянно и не зависит от угла падения;
падающий и преломленный лучи взаимно обратимы, т.е., если луч, входя из
одной среды в другую, идет по направлению АВС, то, выходя из второй среды в
первую, он пойдет по направлению СВА.
2. Использование рефрактометрии и приборы для измерения показателя
преломления
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 судят о природе вещества, его чистоте или
содержании в растворах.
Рефрактометрический метод анализа - это метод, основанный на зависимости
угла или показателя преломления света от состава системы, так как каждая
система отличается определенной оптической плотностью.
Применительно к химии рефракция имеет более широкое смысловое значение.
Рефракция (от латинского refractio - преломление) - есть мера электронной
поляризуемости атомов, молекул, ионов.
Поляризация электронных облаков в молекулах отчётливо проявляется в
инфракрасном и ультрафиолетовом поглощении веществ, но в ещё большей степени
она ответственна за явление, которое количественно характеризуется молекулярной
рефракцией.
Когда свет как электромагнитное излучение проходит через вещество, то
даже в отсутствие прямого поглощения он может взаимодействовать с электронными
облаками молекул или ионов, вызывая их поляризацию. Взаимодействие
электромагнитных полей светового пучка и электронного поля атома приводит к
изменению поляризации молекулы и скорости светового потока. По мере возрастания
поляризуемости среды возрастает и n - показатель, величина которого связана с
молекулярной рефракцией. Указанное явление используется наряду с методом
дипольных моментов для изучения структуры и свойств неорганических,
органических и элементоорганических соединений.
Рефрактометрия широко применяется также для определения строения
координационных соединений (комплексов молекулярного и хелатного типа),
изучения водородной связи, идентификации химических соединений, количественного
и структурного анализа, определения физико-химических параметров веществ.
В производственной практике показатель преломления света n используется
для контроля степени чистоты и качества веществ; в аналитических целях - для
идентификации химических соединений и их количественного определения. Таким
образом, рефрактометрия - это метод исследования веществ, основанный на
определении показателя преломления (коэффициента рефракции) и некоторых его
функций. Из функций n, используемых в химии, наибольшее значение имеют: функция
Лоренца - Ленца, производная n по концентрации растворённых веществ (инкремент
n) и дисперсионные формулы, включающие разности показателей преломления для
двух длин волн. Инкременты n используют в жидкостной хроматографии и при
определении молекулярной массы полимеров методом рассеяния света. Для
рефрактометрического анализа растворов в широких диапазонах концентраций
пользуются таблицами или эмпирическими формулами, важнейшие из которых (для
растворов сахарозы, этилового спирта и др.) утверждаются международными
соглашениями и лежат в основе построения шкал специализированных рефрактометров
для анализа промышленной и сельскохозяйственной продукции. Разработаны способы
анализа трехкомпонентных растворов, основанных на одновременном определении n и
плотности или вязкости, либо на осуществлении химических превращений с
измерением n исходных и конечных растворов; эти способы применяют при контроле
нефтепродуктов, фармацевтических препаратов и др. Идентификация органических
соединений, минералов, лекарственных веществ осуществляется по таблицам n,
приводимым в справочных изданиях. Преимуществами рефрактометрического метода
являются его простота и относительно невысокая стоимость приборов для
определения коэффициента преломления света.
Рефрактометры применяются в:
. Химической промышленности:
определение концентрации в растворах или процессах ректификации или
регенерация растворителя
кислоты (серная кислота, соляная кислота, уксусная кислота и т.п.)
растворимые соли металлов (хлориды, фосфаты, сульфаты и т.п.)
органические растворители: спирты, гликоли, амины (такие как MEA, DEA,
EDA), пирролидоны, например, N-метил-пирролидон (NMP)
фунгициды и удобрения, например, мочевино-аммониевый нитрат (UAN)
контроль степени полимеризации в процессах производства пластмассы и
синтетической смолы
измерение концентрации водной смеси коллоидной кремниевой кислоты
. Производстве волокна и текстильной промышленности:
контроль концентрации прядильных растворов: DMAC (диметилацетамид), DMF
(диметилформамид).
измерение концентрации растворов капролактама (исходное вещество для
производства полиамидов)
поликарбонаты
прядильный раствор из целлюлозы
. Пищевой промышленности и производстве напитков, биохимической
промышленности:
свеклосахарное и тростниково-сахарное производство
непрерывное измерение сахаристости для регулирования работы нагревателя
сахара
непрерывное измерение сахаристости в безалкогольных напитках и сладостях
непрерывное измерение исходного холодного сусла при производстве пива
измерение свежеотжатого винного сусла
анализ пива (измерение содержания алкоголя, сусла и исходного сусла) в
сочетании с измерением плотности
непрерывное измерение паст и густых веществ: сахарного сиропа, мелассы,
меда, джема, винного сусла, пюре)
продукты из молочной сыворотки: измерение содержания сухих веществ по
ареометру Брикса, лактозы, управление технологическим процессом
пектин
. Нефтяной и газовой промышленности:
контроль концентрации водной смеси моноэтиленгликоля при транспортировке
природного газа
. Производстве бумаги и клея:
концентрация крахмалов
содержание сухих веществ в клеях на основе крахмала и казеина
контроль за процессами решения проблем в производстве клея
. Фармацевтической промышленности:
контроль концентрации аскорбиновой кислоты и цетогулоновой кислоты при
производстве витамина С
. Научно-исследовательских работах, оптике:
измерения концентрации во время процесса роста кристаллов
управление технологическим процессом с применением специальных травильных
растворов
. Анализе сточных вод:
Измерение максимального содержания сухих веществ (в градусах Брикса или в
процентах по массе) в сочетании с контролем мутности жидкой среды, например, с
целью обнаружения утечек.
Газовые интерференционные рефрактометры применяются для определения
состава газов, в частности для определения содержания горючих газов в воздухе
шахт, поиска утечек в сетях газоснабжения и т.д.
Рефрактометрия
в офтальмологии: с помощью рефрактометров (в настоящие время используются
автоматические (компьютерные) авторефрактометры) в офтальмологии
<#"876798.files/image004.gif"> в "белом" свете по шкале или цифровому
индикатору. Максимальная точность абсолютных измерений (10×10−10) достигается на гониометрах с помощью
методов отклонения лучей призмой из исследуемого материала. Для измерения n
газов наиболее удобны интерференционные методы. Интерферометры используют также
для точного (до 10 ×10−7) определения разностей n растворов.
Для
этой же цели служат дифференциальные рефрактометры, основанные на отклонении
лучей системой двух-трех полых призм.
.2 Рефрактометры - порядок работы, принципы их действия
Принцип действия рефрактометра основан на том, что определяется лишь угол
преломления исследуемой жидкости, а показатель преломления измерительной призмы
известен.
- осветительное зеркало; 2 - вспомогательная откидная призма; 3 -
основная измерительная призма; 4 - матированная грань откидной призмы; 5 -
исследуемая жидкость; 6 - призмы Амичи компенсатора; 7 - объектив зрительной
трубы; 8 - поворотная призма; 9 - окуляр зрительной трубы
Рисунок 2 - Оптическая схема рефрактометра ИРФ-22.
Порядок работы с рефрактометром:
. Перед началом работы необходимо проверить установку
нуль-пункта рефрактометра. Установку нуль-пункта и измерения на рефрактометре
необходимо проводить при одной и той же температуре. Проверка и установка
нуль-пункта проводится по дистиллированной воде. При исследовании
дистиллированной воды граница светотени должна находиться наделении 1,33299
шкалы ηд и 0% шкалы сухих веществ. Проверка
и установка нуль-пункта по дистиллированной воде проводится следующим образом:
открыть верхнюю камеру и промыть дистиллированной
водой или спиртом поверхности измерительной и осветительной призм и насухо
вытереть чистой льняной салфеткой;
оплавленным концом палочки нанести на плоскость
измерительной призмы одну-две капли дистиллированной воды и закрыть верхнюю
камеру;
смещая осветитель, луч света направить в окно верхней
камеры;
перемещением рукоятки с окуляром вдоль шкалы вверх и
вниз найти в поле зрения границу светотени;
границу светотени, перемещая рукоятку, совмещают с
визирной линией (если при совмещении с центром перекрестия сетки она прошла
через деление шкалы ηд = 1,33299 и 0% шкалы сухих веществ, нуль- пункт
установлен правильно).
Измерение показателя преломления прозрачных жидкостей
и процента сухих веществ по сахарозе производится аналогично измерению
дистиллированной воды при установке нуль-пункта: после совмещения границы
светотени с перекрестием сетки произвести отсчет по шкале показателей
преломления и процента сухих веществ по сахарозе. Измерение произвести три
раза. Среднее арифметическое трех измерений является конечным результатом
измерений.
Измерение продуктов сахарного производства можно
производить при температуре 10-30°С с учетом поправки на температуру по таблице
(таблицу взять у преподавателя).
Например, если измерения производить при температуре
17°С, отсчет по шкале равен 37,8% сухих веществ. По таблице находим поправку,
равную 0,22. Показание рефрактометра будет равно:
,80 - 0,22 = 37,58% сухих веществ.
После проведения измерений необходимо открыть верхнюю
камеру, промыть, досуха вытереть плоскости верхней и нижней камер и плавно
опустить верхнюю камеру прибора.
Расчет концентраций вещества по показателям
преломления раствора ведут следующими методами: по калибровочному графику, по
таблицам, по рефрактометрическому фактору, методом добавок.
По калибровочному графику: калибровочный график строят
по растворам вещества известной концентрации (концентрация - показатель
преломления), измеряют показатель преломления анализируемого раствора, и на
графике по показателю преломления определяют концентрацию.
По таблицам: для многих веществ составлены таблицы, в
которых приведены показатели преломления растворов с известной концентрацией.
По рефрактометрическому фактору: если известен
рефрактометрический фактор, для расчета концентраций используют формулу:
η0 - показатель преломления растворителя;-
рефрактометрический фактор, показывающий увеличение показателя преломления при
росте концентрации вещества на 1% .
Рефрактометрический фактор определяют экспериментально
или по таблицам показателей преломления.
Например, для NаСl фактор F равен разности между
показателями преломления 4%-ного раствора η1 = 1,3397 и 2%-ного раствора η2=
1,3364, деленной на
разность концентраций (равную 2%):
= 0,00165
Автоматические рефрактометры для непрерывной
регистрации n в потоках жидкостей используют на производствах при контроле
технологических процессов и автоматическом управлении ими, а также в
лабораториях для контроля ректификации и как универсальные детекторы жидкостных
хроматографов.
Все выпускаемые в настоящее время рефрактометры,
независимо от их назначения, построены на принципе рефрактометров типа Аббе или
типа Пульфриха, но и в тех и в других измерения основаны на определении
величины предельного угла преломления.
) Принцип устройства рефрактометров типа Аббе и
Пульфриха.
Основной типичный узел рефрактометров типа Аббе -
комплекс призм -измерительной и осветительной. Тонкий слой исследуемой жидкости
находится между плотно прижатыми гранями обеих призм.
Поверхность осветительной призмы, соприкасающаяся с
исследуемой жидкостью, матовая, шероховатая, рассеивает свет, входящий через
нее в слой жидкости, вследствие чего лучи света пронизывают жидкость в разных
направлениях.
Лучом, угол падения которого наиболее близок к прямому
(предельный луч), видимое в зрительную трубу поле делится на темную и светлую
половины. С помощью специального маховичка можно блок призм установить в такое
положение, при котором предельный луч будет совмещен с оптической осью
зрительной трубы, а граница светлого и темного полей - с видимым в трубу
пересечением двух прямых линий, через которое проходит эта воображаемая ось. По
положению наблюдаемой в визирную трубку отсчетной линии на шкале определяют
величину показателя преломления. Граница темного и светлого полей оказалась бы
размытой и окрашенной во все цвета радуги вследствие разложения белого света
при прохождении его через измерительную призму. Для предупреждения этого
явления в рефрактометрах типа Аббе применяются специальные устройства -
компенсаторы дисперсии.
Коэффициент преломления жидкостей значительно
изменяется под влиянием температуры. Поэтому в рефрактометрах для повышения
точности применяется термостатирование. Термостатирование в рефрактометрах типа
Аббе осуществляется циркуляцией воды определенной температуры через нижнюю и
верхнюю камеры призменного блока. Температура должна поддерживаться с точностью
±0,1-0,5°С.
В рефрактометрах типа Пульфриха имеется всего одна
призма, к которой прикреплен стаканчик, куда наливается исследуемая жидкость.
Луч света, направленный вдоль поверхности раздела жидкость - призма, не
искажается, поэтому угол падения этого луча равен точно 90°, что определяет
большую точность приборов этого типа.
Погружными рефрактометрами называются приборы,
измерительная призма которых погружается в стаканчик с исследуемой жидкостью. В
таких рефрактометрах отсутствует осветительная призма и срез измерительной
призмы контактирует непосредственно с исследуемой жидкостью. Современные
рефрактометры обладают точностью до 
, а при пользовании специальными
методами рефрактометрии точность может быть увеличена в 10-1000 раз.
Отечественная промышленность выпускает различные
рефрактометры, в том числе рефрактометр лабораторный универсальный (РЛУ),
рефрактометр лабораторный, рефрактометр лабораторный прецизионный,
рефрактометры ИРФ-22 и ИРФ-23.
2) Рефрактометр ИРФ-23 предназначается для определения показателей
преломления жидких и твердых тел в интервале 1,33-1,78, с точностью до 1×
Рефрактометр ИРФ-23 является
наиболее сложным, поэтому ниже приводится его описание.
Оптическая часть прибора состоит из измерительной призмы, отсчетной
системы, зрительной трубы и системы для освещения исследуемого объекта. В
отсчетную систему включен лимб с защитным стеклом, освещаемый через конденсор,
светофильтр с лампой накаливания, отсчетный микроскоп, состоящий из объектива,
отражательных призм и окуляра. В фокальной плоскости окуляра помещена
спиральная шкала красного цвета с индексом. Отсчетное устройство предназначено
для точного отсчета угла поворота зрительной трубы по лимбу. Лимб закрыт
кожухом. Цена деления шкалы лимба 1°. Грубый поворот зрительной трубы
производится рукой, точный - микрометрическим винтом. Окуляр трубы имеет
компенсаторную наводку по остроте зрения.
Зрительная труба состоит из объектива, отражательной призмы, перекрестия,
осветительной призмы и окуляра. Зрительная труба может работать по принципу
автоколлиматора, при этом для подсветки перекрестия используется свет лампы,
отраженный двумя отражательными призмами и собирательной линзой.
Освещение объекта может производиться светом разрядных трубок или
натровой лампой.
При точных измерениях температуру измерительной призмы и исследуемой
жидкости необходимо поддерживать постоянной в пределах ±0,5°. Для этой цели на
призменной камере имеются два штуцера, на которые надеваются резиновые шланги,
соединяемые с ультратермостатом. Фирма Карл Цейсс (ГДР) выпускает
многочисленные модели рефрактометров, в том числе рефрактометры Аббе,
погружные, для работы в полевых условиях (ручные). Одна из последних моделей
(модель П) рефрактометра Аббе принципиально не отличается от отечественного
рефрактометра РЛУ.
Погружной рефрактометр фирмы Цейсс, комплектуется термопризмами,
позволяющими проводить исследования при относительно высоких температурах (до
50°С). Важным преимуществом термопризм является также возможность использования
малых количеств вещества (в среднем 0,04 мл) и исследования летучих веществ.
Кроме указанной термопризмы, к прибору прилагается проточная призма,
позволяющая производить исследование непрерывно текущих жидкостей, а также
веществ, разлагающихся на воздухе.
Проточная призма состоит из погружной призмы и соответствующего
проточного корпуса, устанавливаемого на рефрактометре. При необходимости
терморегулирования корпус проточной призмы может присоединяться к термостату,
для чего на ней имеются штуцеры.
Определенный интерес представляет полевой (ручной) рефрактометр этой
фирмы.
Прибор предназначен для работы непосредственно на полях, в садах и
виноградниках и служит для определения содержания сахаристых веществ в
корнеплодах (сахарная свекла), ягодах, винограде.
В укладке, помимо рефрактометра, имеется: приспособление для взятия
пробы, щипцы-пресс для выжимания небольшого количества сока. В основу
определения сахаристости положена закономерная связь между содержанием
сахаристого вещества в соке и его светопреломлением. Одну-две капли сока
наносят на призму рефрактометра, накрывают крышкой и смотрят против света в
окуляр , где видна шкала, верхняя часть которой темнее нижней. Линия раздела,
совпадающая с определенным показателем на шкале, соответствует величине
содержания сахаристых веществ в соке. Прибор позволяет производить определение
с точностью 0,2%.
3) Рефрактометр
ИРФ-454 Б2М
Рефрактометр ИРФ-454Б2М предназначен для измерения показателя преломления
и средней дисперсии неагрессивных жидкостей и твердых тел.
Рефрактометр ИРФ-454 Б2М обладает рядом достоинств:
быстротой измерения;
простотой обслуживания;
минимальным расходом исследуемого вещества, что особенно важно при работе
с дорогостоящими материалами.
Рефрактометр ИРФ-454 Б2М применяется:
. В медицинских учреждениях: для определения белка в моче, сыворотке
крови, плотности мочи, анализ мозговой и суставной жидкости, плотности
субретинальной и других жидкостей глаза. Использование рефрактометра позволяет
значительно сократить затраты времени при массовых обследованиях пациентов.
. В фармацевтической промышленности: рефрактометр ИРФ-454б2м может
применяться для исследования водных растворов различных лекарственных
препаратов: кальция хлорида (0% и 20%); новокаина (0,5%, 1%, 2%, 10%, 20%,
40%); эфедрина (5%); глюкозы (5%, 25%, 40%); магния сульфата (25%); натрия
хлорида (10%); кордиамина и т.д.
. В пишевой промышленности:
на сахарных и хлебных заводах, кондитерских фабриках для анализа
продуктов и сырья, полуфабрикатов, кулинарных и мучных изделий рефрактометр
ИРФ-454 б2м определяет влажность меда (до 20 %)
для определения доли сухих веществ в различных суслах (ГОСТ 5900-73),
"промочке", сахароаграровом сиропе, сиропе для мармелада, зефира,
кремов и пряников, "тиражки" для пряников;
для определение массовой доли растворимых сухих веществ по сахарозе
(BRIX) в продуктах переработки плодов и овощей, для определения процентного
содержания жира в твердых продуктах питания (пряники, вафли или хлебобулочных
изделий) концентрации солей.
. При обслуживании техники рефрактометр ИРФ-454 Б2М применяется для
определения с большей точностью объемной концентрации противокристаллизационной
жидкости "ИМ", которая добавляется в авиационное топливо в количестве
от 0,1 до 0,3%. Дальнейшая обработка результатов ведется согласно
"Методическим рекомендациям по анализу качества ГСМ в гражданской
авиации" Ч. II стр.159. Опыт использования рефрактометров показал, что эти
приборы значительно сокращаются время и повышают достоверность получения
анализов по процентному содержанию жидкости "ИМ" в авиационном
топливе.
4) Рефрактометр
АЛР-3
Автоматический лабораторный рефрактометр АЛР-3 с микропроцессорным
управлением предназначен для исследования концентрации широкого диапазона
жидких сред как низкой, так и высокой вязкости, независимо от прозрачности и
цвета.
Прибор автоматически измеряет коэффициент преломления образца раствора,
вычисляет его концентрацию и представляет результат на цифровом ЖК-индикаторе.
Рефрактометр имеет стандартную калибровку по концентрации сахара в воде (шкала
Брикс), но может быть откалиброван на концентрацию любых растворов по желанию
заказчика с записью в память соответствующих шкал.
Рефрактометр АЛР-3 измеряет температуру исследуемого раствора и
производит автоматическую компенсацию ее влияния на результат измерений.
Рефрактометрические детекторы в отличие от фотометрических детекторов,
реагирующих только на вещества, поглощающие свет в ультрафиолетовой, видимой и
инфракрасной области спектра, рефрактометрические детекторы являются
универсальными. Они особенно полезны, когда вещества не имеют интенсивного
поглощения в УФ свете, не флуоресцируют и не обладают электрохимической
активностью. Их принцип действия основан на дифференциальном измерении
показателя преломления чистого растворителя и раствора анализируемого вещества
в этом растворителе. Вклад растворенного вещества в изменение показателя
преломления растворителя пропорционален объемной концентрации этого вещества,
причем растворитель также является детектируемым веществом, так как имеет
определенный показатель преломления.
Данные детекторы обладает средней чувствительностью, их показания в
сильной степени зависят от колебаний параметров, влияющих на состав подвижной
фазы, таких как давление, температура и концентрация анализируемого вещества.
Поэтому рефрактометрический детектор мало пригоден для градиентной
хроматографии. Требуется кропотливый подбор системы растворителей, имеющих
близкие показатели преломления. Только при этом становится возможным
осуществить градиентное элюирование в определенных пределах концентрации смеси
растворителей. Чувствительность детектора к изменениям температуры составляет
для разных растворителей от 5×10-4 до 5×10-5 единиц показателя преломления на
1°С. Что касается чувствительности к давлению, она составляет 1×10-4
- 5×10-4 единиц
показателя преломления на 1 МПа.
Чувствительность детектора к температуре обусловливает специальные меры
по стабилизации температуры самого детектора и подвижной фазы при входе в
детектор. В этом случае применение более длинных соединительных трубок на входе
в детектор, действующих как теплообменники, приводит к высокому
экстраколоночному расширению пиков и снижает достигнутую в колонке
эффективность разделения. В хроматографе, оснащенном рефрактометрическим
детектором, с целью стабилизации потока элюента и параметров удерживания
сорбатов в колонке желательно применять термостатирование колонки и детектора.
Для реализации максимальной чувствительности детектора на уровне 10-8 единиц
показателя преломления точность термостатирования должна быть не более ±0.01°С.
При хорошем термостатировании детектор мало чувствителен к изменениям расхода
подвижной фазы. Он прост конструктивно, удобен в работе, недеструктивен и дает
высокую воспроизводимость показаний. Недостатком детектора является его
нечувствительность к веществам, имеющим показатель преломления, одинаковый с
растворителем.
Работа большинства современных рефрактометрических детекторов основана на
трех различных принципах измерения сигнала: отклонении, отражении и
интерференции.
Метод, основанный на законе отражения света (закон Френеля), согласно
которому интенсивность отраженного света, падающего на поверхность границы
раздела жидкости и стекла, пропорциональна углу падения и разности показателей
преломления двух сред. Преимуществом детекторов, работающих на этом принципе,
является меньший объем ячеек (< 3 мкл), в связи с чем они могут работать при
небольших расходах элюента и с высокоэффективными колонками. Однако
чувствительность таких детекторов в 50-100 раз ниже чувствительности других
типов рефрактометрических детекторов, что, кстати, делает их более пригодными
для градиентного элюирования. Так как детектирование происходит на границе
раздела жидкости и стекла, для получения стабильной работы детектора необходимо
следить за чистотой стекла.
Детектор френелевского типа включает в себя источник света, конденсор,
дифференциальную ячейку стеклянные стержни, линзу и фотоприемник. В его состав
входят также теплообменники и диафрагма для регулирования силы светового
потока. Источник света, снабженный инфракрасным блокирующим фильтром,
предназначен для создания светового потока в видимой части спектра. Конденсор
предназначен для формирования плоского пучка света, падающего на ячейку. Ячейка
рефрактометра изготовлена из нержавеющей стали, герметизируется защитными
стеклами, призмой и тефлоновыми прокладками. Стеклянные стержни и линза
фокусируют прошедшие через ячейки световые потоки на светочувствительные
элементы фотоприемника. Фокусировка позволяет устранить перекрывание световых
потоков, которое может привести к дифференцированию хроматографических пиков.
Работа рефрактометрического детектора третьего типа основана на
интерферометрическом принципе сдвига. Лучи света от источника видимой области
спектра разделяются делителем на две части, фокусируются линзой и проходят
через рабочую и сравнительную ячейки объемом 5 мкл. Лучи света затем
объединяются с помощью другой линзы и делителя и попадают на чувствительный
элемент. Различие показателей преломления рабочего и сравнительного потока
элюента приводит к разнице в длине оптического пути, которая измеряется
интерферометрическим детектором как изменение длин волн света. Показания этого
типа детектора имеют достаточно широкий диапазон линейности, а чувствительность
в 10 раз выше, чем для других рефрактометрических детекторов. При оптимальных
рабочих условиях возможно детектирование около 3 мкг/мл растворенного вещества.
Детектор фиксирует любой тип анализируемых веществ, не зависимо от структуры,
молекулярной массы и других физико-химических свойств. Предел обнаружения для
лучших рефрактометрических детекторов достигает 108 единиц показателя
преломления. Однако уровень шума в этих детекторах на 2 порядка выше шума УФ
детектора. Они оптимальны для применения, когда нет необходимости в высокой
чувствительности, например в препаративной ЖХ.
Рисунок 3 - 1. Сахароза 2. Глюкоза 3. Фруктоза 4. Сорбит Хроматограмма
яблочного сока. Колонка: Rezex RCM-Monosaccharide 300х7,8 мм 8 мкм, защитная
колонка: SecurityGuard Carbo-Ca2+ 4х3 мм, режим разделения: изократический,
подвижная фаза: вода, расход: 0,6 мл/мин, температура колонки: 85°С, объем
пробы: 20 мкл, детектор: рефрактометрический.
3. Метод определения содержания растворимых сухих веществ рефрактометром
в фруктовых и овощных соках (ГОСТ Р 51433-99)
.1 Применение, нормативные ссылки и термины
1. Область применения
Настоящий стандарт распространяется на фруктовые, овощные соки и подобные
им продукты и устанавливает метод определения содержания растворимых сухих
веществ рефрактометром в единицах массовой доли в процентах или в градусах
Брикса (°Брикса). Диапазон измерения массовой доли растворимых сухих веществ -
от 2 до 80% (° Брикса).
. Нормативные ссылки
В настоящем стандарте использованы ссылки на следующие стандарты:
ГОСТ 26313-84 Продукты переработки плодов и овощей. Правила приемки,
методы отбора проб
'ОСТ 26671-85 Продукты переработки плодов и овощей, консервы мясные и
мясорастительные. Подготовка проб для лабораторных анализов
ГОСТ 28498-90 Термометры жидкостные стеклянные. Общие технические
требования. Методы испытаний
ГОСТ Р 51434-99 Соки фруктовые и овощные. Метод определения титруемой
кислотности
ИСО 3696-87* Вода для лабораторного анализа. Технические условия и методы
испытания
. Термины и определения
В настоящем стандарте применяют следующие термины с соответствующими
определениями:
Градус Brix (Брикс) (символ °Bx) - мера массового отношения растворённой
в воде сахарозы к жидкости. Измеряется сахариметром, определяющим удельную
массу жидкости, или проще - рефрактометром. Раствор в 25 °Bx - 25 % (вес/вес),
означает 25 граммов сахара в 100 граммах жидкости. Или, выражаясь иначе, в 100
граммах раствора находятся 25 граммов сахарозы и 75 граммов воды.
ИСО
(International Organization for Standardization, ISO) - Международная организация по стандартизации. Международная
организация по стандартизации создана в 1946 году двадцатью пятью национальными
организациями по стандартизации, на основе двух организаций: ISA (International
Federation of the National Standardizing Associations), учреждённой в Нью-Йорке
в 1926 году (расформирована в 1942) и UNSCC (United Nations Standards
Coordinating Committee), учреждённой в 1944 году.
.2 Сущность метода
Содержание растворимых сухих веществ определяют помощью рефрактометра:
найденное значение выражают в единицах массовой доли сахарозы в водном растворе
сахарозы, имеющем в заданных условиях такой же показатель преломления, как и
анализируемый раствор, в процентах (°Брикса). Показатель преломления
исследуемого продукта зависит от присутствия в нем, помимо сахаров, других растворимых
веществ - органических кислот, минеральных веществ, аминокислот и пр. Для
цитрусовых и концентрированных цитрусовых соков с высоким содержанием кислот и
в других аналогичных случаях в найденное значение 0Брикса вносят
поправку (приложение Б).
* Действует до введения в действие ГОСТ Р, разработанного на основе
стандарта ИСО.
) Средства измерений, лабораторное оборудование, реактивы и материалы.
Рефрактометр, шкала которого градуирована в единицах массовой доли
сахарозы, с ценой деления не более 0,1 %.
Средства для поддержания постоянной температуры призм рефрактометра в
диапазоне от 10 до 30°С в пределах ±0,5°С.
Вода для лабораторного анализа по ИСО 3696 не ниже третьей категории
качества.
) Отбор и подготовка проб.
отбор проб по ГОСТ 26313.
подготовка пробы к измерениям - по ГОСТ 26671.
Перед проведением измерений пробу продукта тщательно перемешивают. В
концентратах соков измерения проводят непосредственно, без разбавления.
воду для лабораторного анализа, используемую при калибровке
рефрактометра, дегазируют кипячением непосредственно перед использованием.
перед каждой серией измерений рефрактометр должен быть откалиброван с
использованием стандартных растворов в соответствии с инструкцией.
Перед проведением калибровки, также как и перед проведением других
измерений, поверхность стеклянных призм рефрактометра очищают водой, остатки
влаги удаляют фильтровальной бумагой.
массовую долю растворимых сухих веществ в соках определяют при окружающей
температуре (20±0,5)°С. Если рефрактометр снабжен средством регулирования
температуры, то измерения допускается проводить при температуре от 10 до 30°С,
соблюдая инструкцию по эксплуатации прибора. Если рефрактометр не снабжен
средством регулирования температуры, то измерения допускается проводить при
температуре от 15 до 25°С. В полученное значение вносят температурную поправку,
значение которой указано в приложении А.
) Проведение измерений
Небольшую порцию пробы продукта помещают на нижнюю призму рефрактометра.
Следят за тем, чтобы исследуемый продукт равномерно покрыл стеклянную
поверхность, после чего накрывают нижнюю призму верхней призмой. Ждут, пока не
будет достигнуто температурное равновесие (примерно 30 с), и затем проводят
измерения в соответствии с инструкцией по эксплуатации прибора. Важно, чтобы
температура сохранялась постоянной в течение всего процесса измерений.
Определяют по шкале прибора массовую долю сахарозы в процентах до первого
десятичного знака. Проводят два параллельных определения.
) Обработка и оформление результатов
Содержание растворимых сухих веществ выражают в процентах или °Брикса.
Значение показателя считывают непосредственно со шкалы прибора.
Для цитрусовых соков вносят поправку на содержание кислот. Поправку
рассчитывают по формуле
.012 + 0,193 m - 0.0004
,
где m- массовая доля кислот, %, при рН = 8,1, в расчете на безводную
лимонную кислоту, определяемую по ГОСТ Р 51434. Значения рассчитанных по данной
формуле поправок приведены в приложении Б.
Расхождение между результатами двух измерений, полученными при анализе
одной и той же пробы продукта одним лаборантом на одном и том же оборудовании
за возможно минимальный интервал времени, не должно превышать норматива
оперативного контроля сходимости 0,15% (°Брикса) при испытаниях соков и
напитков и 0,2% (°Брикса) при испытаниях концентрированных соков (Р = 0,95).
При соблюдении этого условия за окончательный результат принимают среднее
арифметическое результатов двух параллельных определений, округленное до
первого десятичного знака.
Расхождение между результатами двух измерений, полученными при анализе
одной и той же пробы продукта в двух различных лабораториях, не должно
превышать норматива оперативного контроля воспроизводимости 0,42% (°Брикса) при
испытаниях соков и напитков и 0,6% (°Брикса) при испытаниях концентрированных
соков (Р= 0,95).
Пределы абсолютной погрешности определения содержания растворимых сухих
веществ при соблюдении всех условий, регламентируемых настоящим стандартом, не
превышают для соков и напитков ±0,3% ('Брикса). Для концентрированных соков
±0,4% ("Брикса) (Р = 0,95).
В протоколе испытаний указывают:
- информацию, необходимую для идентификации исследуемого продукта (вид.
происхождение, шифр);
- ссылку на настоящий стандарт;
- дату и способ отбора проб (по возможности);
- дату получения пробы для испытаний;
- дату проведения испытаний;
- результат испытаний с указанием погрешности и единицы измерений;
- соблюдение нормативов контроля сходимости результатов;
- особенности проведения испытаний (разведение концентрированного продукта,
относительная плотность разведенной пробы и пр.);
- отклонения условий проведения испытаний от описанных в стандарте, которые
могли повлиять на результат.
Заключение
Темой данной курсовой работы было применение рефрактометрического метода
анализа в пищевой промышленности.
Рефрактометрия - метод исследования веществ, основанный на определении
показателя преломления (коэффициента рефракции) и некоторых его функций. Этот
метод применяется для идентификации химических соединений, количественного и
структурного анализа, определения физико-химических параметров веществ.
Теоретическое исследование проведенное в первой части работы дает
основные понятия метода рефрактометрии: показатель преломления - это отношение
скоростей света в граничащих средах. Для жидкостей и твердых тел показатель
преломления определяют, как правило, относительно воздуха, для газов -
относительно вакуума. Значения показателя преломления зависят от длины волны
света и температуры. Например, показатель преломления при 20°С для D-линии
спектра натрия (589 нм). Часто используют также линии С и F спектра водорода
(соответственно 656 и 486 нм). В случае газов необходимо учитывать зависимость
показателя преломления от давления (указывать его или приводить данные к
нормальному давлению). Анизотропные тела, одно- и двухосные кристаллы
характеризуются соответственно двумя экстремальными или тремя значениями
показателя преломления.
Во второй части данной курсовой работы говориться об использовании метода
рефрактометрии и приборах для измерения показателя преломления. А также
разновидности рефрактометров и принцип работы на них. Рефрактометрия широко
применяется также для определения строения координационных соединений
(комплексов молекулярного и хелатного типа), изучения водородной связи,
идентификации химических соединений, количественного и структурного анализа,
определения физико-химических параметров веществ.
По работе, проведенной в третьем разделе, можно сделать следующие вывод:
показатель преломления исследуемого продукта зависит от присутствия в нем,
помимо сахаров, других растворимых веществ - органических кислот, минеральных
веществ, аминокислот.
В результате исследования и проведения курсовой работы получены знания
сущности измерительных физико-химических методов анализа, используемых при
оценке качества, проведении различных экспертиз и сертификационных испытаний
продовольственных товаров, а также ознакомление с устройством и принципами
работы основных лабораторных приборов и технических средств.
В результате изучения получены знания об общих сведениях о составе,
структуре, свойствах товаров; теоретических основах измерительных методов
контроля качества товаров; основных метрологических характеристиках
лабораторных приборов и оборудования.
В дальнейшем предполагается более углубленное изучение данной темы,
подробное исследование других методов.
Список использованных источников
1.
Барановский В.Ф., Горелкин С.М., Городенцева В.А. Физико-химические методы
анализа: М.: Высшая школа, 1972. ISBN
. Бацанов
С.С. Структурная рефрактометрия [Текст]: учеб. пособие для хим. специальностей
ун-тов / С.С. Бацанов .- 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Высш. шк., 1976. - 304
с. : ил.. - Прил.: с. 281-295. - Библиогр.: с. 296-303
. Берцев В.В.
Возможности аналитического применения световодной рефрактометрии / В.В. Берцев
и [др.] // Заводская лаборатория. Диагностика материалов, 2004. - Т. 70, №11. -
С. 13-22. - Библиогр.: с. 21-22 (14 назв.).
. Вытовтов
А.А., Грузинов Е.В., Шлёнская Т.В. Физико-химические свойства и методы контроля
качества товаров: Учебное пособие. - СПб: ГИОРД, 2007. - 176 с.
. Евдокимов
И.А. Развитие мембранных технологий: рациональность и безотходность / И.А.
Евдокимов // Молочная промышленность. - 2010. - №12. - С. 60-65.
. Иоффе Б.В.
Рефрактометрические методы химии [Текст] / Б.В. Иоффе.- 3-е изд., перераб. -
Л.: Химия, 1983. - 351 с.: ил
. Иоффе Б.В.
Физические методы определения строения органических молекул [Текст]: [учеб.
пособие] / Б.В. Иоффе, Р.Р. Костиков, В.В. Разин; Ленинград. гос. ун-т им. А.А.
Жданова. - Л.: Изд-во Ленинград. ун-та, 1976. - 344 с.: ил.
. Кравченко
Э.Ф. Экспресс-методы контроля качества сырья, параметров технологических
процессов и готовой продукции в сыроделии / Э.Ф. Кравченко // Молочная река. -
2007. - №24. -С. 15.
. Краткий
справочник физико-химических величин под редакцией К.П. Мищенко: М.: Химия,
1967
. Криштафович
В.И., Ратушный А.С., Колобов С.В. Методы и техническое обеспечение контроля
качества продовольственных товаров. Лабораторный практикум. - М.: Московский
университет потребительской кооперации, 2003. - 66 с.
. Ляликов
Ю.С. Физико-химические методы анализа, М.: Химия, 1964.
.
Методические указания. Рефрактометрия. Лабораторная работа №1. Волгоград.
Изд-во ВПИ, 1983. - 14 с.
. Минкин
В.И., Осипов О.А., Жданов Ю.А. Дипольные моменты в органической химии: М.:
Химия, 1968. - 246 с.
14. Нечаев
А.П. Пищевая химия. - СПб.: ГИОРД, 2001. - 592 с.
15. Открытая база ГОСТов
[Электронный ресурс]. - Режим доступа:
<#"876798.files/image012.gif">
Приложение Б
