Лекция 11. Спектрлық әдістер

Лекция 11. Спектрлық әдістер

Қазіргі заманғы физика-химиялық зерттеу әдістерінің ішінен кең тараған әдістердің бірі болып спектрлерді зерттеу әдістері, яғни спетроскопия табылады. Спектроскопия өнімнің ең маңызды қасиеттері туралы толық ақпарат алуға мүмкіндік береді.

Спектрлік зерттеу әдістері белгілі заттың атомдары мен молекулаларымен электромагниттік сәулелерді жұту (немесе шығару) құбылысын пайдалануда негізделеді. Спектрлік анализ әр түрлі органикалық қосылыстарды, сондай-ақ концентрациясы 10^-2 – 10^-6 моль минералды элементтерді анықтау үшін қолданылады.

Спектрлік әдістер электромагниттік спектрдың әртүрлі облыстарындағы, атап айтқанда рентген сәулелері, ультрафиолет сәулелері (УФ), көрінетін жарық, инфрақызыл сәулелер (ИК), сондай-ақ микро- және радиотолқындық сәулелер облысында тиісті аналитикалық сигналдады байқау және зерттеуге кең мүмкіншілік береді.

Спектроскопияны шартты түрде екі түрге: эмиссиялық және абсорбциялық спектроскопияға бөлуге болады..

Эмиссиялық спектроскопия заттың сәуле шығару қабілетін зерттейді. Энергия шығару атомды алдын ала термиялық және энергетикалық қоздырумен байланысты. Бұл жерде электрондар негізгі деңгейден энергия жұту кезінде жоғарырақ энергетикалық деңгейге көшеді.

Абсорбциялық спектроскопия заттың энергияны жұту қабілетін зерттейлі. Бұл жерде зерттелетін сынаманы белгілі жиіліктегі электромагниттік сәулелер көзі мен спектрометрдың арасында қойылады. Спектрометрмен сынамадан өткен жарықтың интенсивтігін (күшін) осы толқын ұзындығы ішінде бастапқы сәуле көзімен салыстырып өлшейді.

Тағам өнімдерінің қасиеттерін зерттеу үшін маңызды облыстар болып табылады: шыны оптиканың қолданғанда көрінетін жарық облысы (200-400 нм), ультрафиолет облысы (400-800 нм) – кварцтан жасалған оптикамен және инфрақызыл облыс (2-15 мкм).

Әр түрлі сәулелердің әсерінен зат малекулаларында немесе зерттелетін химиялық элементтің бос атомдарында электрондық переходтар (аналитикалық сигнал болып энергия жұту немесе шығару табылады), сондай-ақ атом спиндерінің ориентациясының өзгеруі (аналитикалық сигнал – ядролық магниттік резонанс) немесе электрондардың ориентациясының өзгеруі аналитикалық сигнал – электрондық парамагниттік резонанс) орын алады.

Аналитикалық сигналдарды әр түрлі әдістермен зерттейді.

Таблица 11.1 – Спектрлік әдістерінің жіктелуі

Спектроскопия	Аналитикалық сигнал көзі	Аналитикалық сигнал	Әдіс
Молекулалық спектрометрия	Молекула	Жұту (абсорбция) Шығару (люминесценция)	Молекулалық-абсорбциялық спектрометрия (МАС) Молекулалық-люминесценттік спекрометрия (МЛС), немесе флуориметрия
Атомдық спектрометрия	Атом	Жұту (абсорбция) Шығару (эмиссия)	Атомдық-абсорбциялық спектометрия (ААС) Атомдық-эмиссиялық спектрометрия (АЭС)
Магниттік резонанс спектро-метриясы	Атомдар ядросы (ядроның магниттік моменты) Электрон (электронның магниттік моменті)	Ядролық магниттік резонанс – ЯМР-спектр Электрондық парамагниттік резонанс – ЭПР-спектр	Ядролық магниттік резонанс спектрометриясы (ЯМР) Электрондық парамагниттік резонанс (ЭПР) спектрометриясы
Масс-спектроскопия	Ион	Масс-спектр	Масс-спектрометрия

Аналитикалық сигнал көзі және типі бойынша спектрлік әдістерді молекулалық-абсорбциялық спектрометрия (МАС) және молекулалық-люминесценттік (МЛС), немесе флуориметрияға; атомдық-абсорбциялық (ААС) және атомдық-эмиссиялық (АЭС), сондай-ақ ядеролық магниттік резонанс (ЯМР) спектрометриясына және электрондық парамагниттік резонанс (ЭПР) спектрометриясына бөледі.


Лекция 12. Молекулалық-абсорбциялық спектрометрия
Молекулалық-абсорбциялық спектрометрияда 200-750 нм облысындағы (УФ-сәулелер және көрінетін жарық) аналитикалық сигналдар және ИК- және микротолқындар облысындағы сәуле жұту процестері зерттеледі. УФ-сәулелер сыртқы валенттік электрондардың электрондық переходтарынан туындайтыны, ал ИК- және микротолқындар молекулалардың айлануының өзгеруімен байланысте екендігі белгілі.

Көп тараған әдіс болып фотометрия – спектрдың көзге көрінетін облысының 400 - 750 нм толқын ұзындығы интервалында жұту процесін зерттеуде негізделен әдіс және ИК-спектрометрия – электромагниттік спектрдың инфрақызыл облысының әр түрлі бөліктерінде жарық жұту процесін зерттеуде негізделген әдіс табылады. ИК-спектрометрияда зерттеулер негізінен ортаңғы (толқын ұзындығы 2,5 – 25 мкм) және жақын (толқын ұзындығы 0,8-2,5 мкм) ИК-облыстарында жүргізіледі.

Фотометриялық сандық анализ әдісі белгілі зат, қоспа компонентінің немесе олардың боялған формаларының оптикалық диапазондағы электромагниттік сәулелерді жұту қабілетінде негізделеді. Жұту қабілеті зерттелетін заттың түсінен тәуелді. Заттың түсі молекуланың электрондық құрылысымен айқындалады, әдетте оны молекулада хромафорлық топ деп аталатын және заттың спектрдегі көрнетін жарық және УФ-облыстарындағы электромагниттік сәулелерді жұтуына жауапты топтардың болуымен байланыстырады.

Фотометрия әдісімен зерттеу схемасы мына кезеңдерден құрылады:

- сынама дайындау және белгілі зат немесе компонентті ерітіндігі, яғни реакцияға түсу қабілеті бар формаға аудару;

- бояу реакциясын жүргізу арқылы анықталатын заттың боялған аналитикалық формасын алу;

- аналитикалық форманың жарық жұту қабілетін өлшеу, яғни белгілі жағдайлар үшін аналитикалық сигналды тіркеу.

Өнеркәсіптен әр түрлі молекулалық-абсорбциялық спектрометрия құралдары – колориметрлер, фотометрлер, фотоэлектроколориметрлер, спектрофотометрлер және т.б шығарылады.

Қазіргі кезде автоматтандырылған, микропроцессормен басқарылатын фотометрлер қолданылады.

Инфрақызыл спектрлер бойынша сандық анализ жүргізу Бугера-Ламберта-Бера заңын қолдануда негізделеді. Жиі жағдайда градуирлеу графигі құрылады.

Жиі жағдайда тағамдық өнімдердің күрделі компоненттерінің ішінен хроматографиялық бөлу әдісімен алынған таза заттарды идентификациялау (жекешелендіру) үшін ИК-спектроскопия пайдалы қосымша әдіс болып табылады. Органикалық қосылыстың инфрақызыл спектрі заттың нақты физикалық қасиеттерінің бірі болып табылады. ИК-спектр затты оның балқу температурасы, сыну көрсеткші немесе тығыздығымен салыстырғанда дәлірек сипаттайды. Затты идентификаиялау үшін алынған спекрді жарияланған жұту қисықтарымен (графикпен) салыстыру жеткілікті болып табылады. Анықталатын зат органикалық қосылыстардың қай класына жататыны белгілі болу керек.

ИК-спектроскопия әдісі тағам өнімдеріндегі А, К, В₁, В₂, В₆, С, никотин қышқылы, токоферолдар дәрумендерін және каротинді анықтау үшін қолданылады. Хроматография әдісімен бірге ИК-спектроскопины ароматты заттар және бірқатар органикалық қосылыстырды зерттеуге болады.

Люминесценция деп атомдардың, молекулалардың және заттың бұлардан үлкен бөлшектерінің сәуле шығаруын айтады. Бұл құбылыс атомдар мен молекулалардың қозу қүйінен номалды (қалыпты) күйіне көшуі кезінде электрондардың орбитасын ауыстыру нәтижесінде орын алады. Зат люминисценция беру үшін оған сырттан белгілі мөлшерде энергия беру керек. Заттың бөлшектері энергияны жұту нәтижесінде қозу күйіне көшеді және сол күйде белгілі уақыт бойы қалады. Содан соң олар қозу өнергиясының бір бөлігін люминисценция кванты түрінде бере отырып қалыпты күйге оралады.

Люминесценттік анализдың (ЛА) көмегімен зерттелетін үлгіде концентрациясы 10^-11 г/г затты табуға болады. Сапалық және сандық ЛА тағам өнімдеріндегі кейбір дәрумендерді, сүттегі ақуыздар мен майлардың үлесін, ет және балықтың сапасын (свежесть) анықтау үшін, көкөністердің, тұқымдардың бұзылуын диагностикалау және тағам өнімдеріндегі консерванттарды, дәрілерді, канцерогендік заттарды, пестицидтерді табу үшін қолданылады.

Күннің оптикалық ультрафиолет диапазонындағы және көрінетін жиіліктегі сәулелерінің әсерінен орын алатын люминесценцияны фотолюминисценция деп атайды. Қозу деңгейінің түріне және сол күйде болу уақытына байланысты фотолюминисценция екі түрге: флуоресценция және фосфоресценцияға бөлінеді..

Флуоресценция – заттың өзіндік сәуле шығару түрі б.т. Ол затқа сәуле түсіп тұрған уақыт ішінде ғана орын алады. Егер сәуле түсіруді тоқтататын болсақ, сол сәтте флуоречценция жоғалады. Фосфоресценция да заттың өзіндік сәуле шығару түрі б.т., бірақ ол затқа сәуле түсіруді тотқатқаннан кейін де орын ала береді.

Флуориметрия әдісі органикалық заттардың анализінде элементтердің өте аз мөлшерін, аз мөлшердегі дәрумендер, гармондар, антибиотиктер, канцерогендік заттар және т.б. анықтау үшін қолданылады. Басқа абсорбциялық әдістерге қарағанда флуориметрияның ұтымдығы (преимущество) болып жоғары дәрежедігі селективтігі табылады, өйткені флуоресценция санаулы затар түріне ғана (ең бірінші ароматтық қосылыстар және порфириндерге) тән болып табылады. Бір қатар қосылыстарды олардың молекуласына флуорисцирлеуші топ, яғни флуорофор (люминифор) енгізіп, флуорисцирлеуші түрге аударуға болады

Атомдық спектрометрияда заттарды, оларды атом буы күйіне (атомдық-абсорбциялық спектроскопия - ААС) немесе газ күйіне (атомдық-эмиссиялық спектроскопия - АЭС) аудару арқылы зерттейді.

Атомдық-абсорбциялық спектроскопияда атомдарды қоздыру үшін жылу энергиясы қолданылады. Үлгіні от жалынына шашырату арқылы затты атом буына аударады (атомизация). Атомдар қозу нәтижесінде жоғарырақ энергетикалық деңгейге көшеді. Қайта көшу кезінде энергия бөлініп шығады. Бу күйіндегі элементке осы элементтің сызықтық сәулесін түсіру кезінде (облучение) резонанстық жұту (поглащение) орын алады. Бұл процесс сызықтық сәуленің күшінің төмендеуімен өтеді. Өлшенген жүту мөлшері үлгінің бос атомдарының санын көрсетеді.

Атомдық-эмиссиялық спектроскопияда қоздыру электр зарядтарының көмегімен жүзеге асырылады. Бұл жерде үлгі жоғары температураға дейін қызады, нәтижесінде атомдар қозу күйіне ауысады. Бұндай атомдар энергияны жұта алмайды, сондықтан қоздырылған атомдар фотон шығарады, яғни эмиссия процесі жүреді.

Элементтерді, көбінесе металдарды анықтау атомдық спектроскопияла селективтік (таңдау) әдісімен, әр элементтің өзіне тән толқын ұзындығында жүзеге асырылады.

Атомдық спектроскопия әдісімен 10^-12- 10^-14 г мөлшердегі элементтерді табуға болады.

Атомдық спектроскопия әдісі химия, биология, экология және т.б. салаларда, сондай-ақ тағам өнімдерінің және әр түрлі шикізаттардың анализін жүргізу үшін кеңінен қолданылады. Бұл әдіспен 70-ке жуық әр түрлі элементтерді табуға болады. Әдіс компонентті анализ жүргізуге, яғни көп санды элементтерді бір уақытта анықтауға мүмкіндік береді. Әдістің сезгіштігі жоғары және анализ жылдам орындалады. Сондықтан оны сериялық анализ жүргізу үшін де кеңінен қолданады.

Лекция 14. Магниттік резонанс спектрометриясы.

Масс-спектроскопия

Электромагниттік спектрдың радио- және микротолқын облыстарын аналитикалық химия және и физика-химиялық зерттеулерде қолдану ядролық магниттік және электрондық парамагниттік резонанс құбылысында негізделеді.

Ядролық магниттік резонанс (ЯМР) спектроскопиясы ядроның магниттік моменті мен сыртқы магниттік өрстің өзара әрекеттесу нәтижесінде орын алатын магниттік резонансты зерттейді.

ЯМР әдісімен зерттелетін затты бір уақытта екі өріске қояды. Олардың біреуі тұрақты, ал екіншісі радиожиілікті. Өлшеулер ЯМР-спектрометрлерде жүргізіледі. ЯМР-спектрометрлердің негізгі элементтері: электромагнит (қарапайым аспаптарда тұрақты магнит қолданылады); радиожиілік сәуле генераторы; үлгі салынған пробирка қойылған сезгіш элемент; электронды күшейткіш және интегратор; өзі жазатын аппарат.

ЯМР әдісінің өнімділігі басқа анализ әдістеріне қарағанда едәуір жоғары және өлеулер жоғары дәлдікпен жүргізіледі. Сонымен бірге олар арнайы дайындалған салыстыру үлгі болуын талап етеді. Кейбір жағдайларды сынаманы өлшеу қажет болады. Бұл әдістер негізінен шикізаттағы және дайын өнімдегі су және майдың күйі мен қасиеттерін бағалау үшін қолданылады.

Масс-спектрометрия спектроптық әдістер арасында ерекше орын алады. Нақты айтқанда бұл әдіс спектрометриялық әдіс болып табылмайды, өйткені зат анализ кезінде электромагнттік сәуленің әсеріне түспейді. Бұл әдістің аты масс-спектрлердің спектроскоптық әдістердің спектрлерімен ұқсастығы және графикалық түрлерінің бірдейлігі бойынша берілген. Масс-спектроскопия заттың нейтралды молекулаларынан оларға электрон ағынының әсерін көрсету арқылы алынған иондар фрагменттерінен шыққан токты зерттеуде негізделеді.

Масс-спектрометрия әдісі ғылыми зерттеулер жүргізгенде қосылыстарды жекешелендіру (идентификация) және белгісіз заттардың құрылымын анықтау үшін, молекулалық массаны нақты (дәл) анықтау, заттың элементтік құрамын анықтау, өте аз мөлшердегі биологиялық белсенді қосылыстарға анализ жүргізу, пептидтердегі амин қышқылдардың тізбектегі кезектілігін анықтау, көп компонентті қоспаларға анализ жүргізу үшін және т.б. қолданылады.
Лекция 15. Реологиялық зерттеу әдістері

Тағамдық өнімдердің реологиялық (құрылымдық-механикалық) қасиеттерін және құрылымын білу өндірістік процесті дұрыс ұйымдастыруға мүмкіндік береді.

Құрылымдық-механикалық сипаттамалар өнімнің негізгі сапалық көрсеткіштерінің бірі – оның консистенциясын бағалау үшін қолданылады. Өнімнің консистенциясын бағалау оның құрылымдық-механикалық сипаттамаларын арнайы құралмен (реометрмен) өлшеу немесе органолептикалық (сенсорлық) баға беру арқылы жүзеге асырылады.

Консистенцияны сенсорлық әдіспен анықтау нәтижесі сарапшының біліктілігінен, бақылау ұқыпты жүргізілгенінен, яғни субъектівтік факторлардан тәуелді болып табылады

Өнімнің консистенциясын құрал қолдану әдісімен (оның құрылымдық-механикалық сипаттамаларын өлшеу арқылы) бағалау мына тәртіп бойынша жүргізіледі.

1. Механикалық жүктеу түрі және күшіне байланысты өнімнің әртүрлі құрылымдық-механикалық сипаттамаларын анықтайды, олардың ішінен өнімді деформациялау кезінде құрылымының өзгеруін ең жақсы сезетін бір сипаттаманы таңдап алады. Таңдалған құрылымдық-механикалық сипаттама осы өнім үшін оның консистенциясының реологиялық көрсеткіші болып табылады.

2. Алдын ала өнімдердің әр түрі үшін сапаны бағалау әдістемелерін қолдана отырып құрылымдық-механикалық сипаттамасының «эталондық» мәнін анықтайды. Бұл жерде «эталондық» құрылымдық-механикалық сипаттама ретінде жоғарғы сортты өнімнің құрылымдық-механикалық сипаттамасы алынады.

3. Таңдалған реологиялық көрсеткіштің өлшеу арқылы алынған мәнін «эталондық» мәнімен салыстырып, олардың айырмашылығы бойынша өнімнің консистенциясына баға береді.

Реометрияның мақсаты – зерттелетін өнімге арнайы механикалық күш түсіру нәтижесінде оның барлық маңызды реологияық константаларын анықтау болып табылады.

Денені белгілі бір әдіспен деформациялау кезінде бір уақытта оның барлық реологиялық асиеттере білінбеуіне байланысты дененің реологиялық қасиеттерін сан түрінде толық сипаттау үшін әр түрлі жүктеу әдістері қолданылуы керек.