Турбидиметрия и нефелометрия. Понятие и сущность, применяемые приборы

Федеральное государственное  бюджетное образовательное учреждение

высшего профессионального  образования

Санкт-Петербургского научно-исследовательского университета информационных технологий, механики и оптики и института холода и биотехнологий

Кафедра технологии молока и пищевой биотехнологии

Реферат на тему:

Турбидиметрия и нефелометрия. Понятие и сущность, применяемые приборы.

                                                                         Выполнила: студентка 353 гр.

                                                                                            Киреева А.Ю.

Проверила: Сучкова Елена Павловна

Санкт - Петербург

2012 год

Содержание.

1. Введение………………………………………………………………………3

2.Принцип действия…………………………………………………………….4

3.Современные мутномеры…………………………………………………….6

4.Источники света в нефелометрах……………………………………………7

5.Детекторы……………………………………………………………………..7

6.Оптическая геометрия нефелометров………………………………………8

7.Обдасть применения…………………………………………………………8

8.Применение турбидиметрия и нефелометрия в исследование молока и молочных продуктов…………………………………………………………..9

9.Турбидиметрический метод определения массовой доли

жира……………………………………………………………………………..10

10.Список литературы………………………………………………………….14

Введение.

Турбидиметрия и нефелометрия (от греческого nephele - облако, лат. turbidus-мутный и греческого metreo-измеряю) относится к спектральным методам анализа, основаны на измерении интенсивности света, соответственно рассеянного исследуемой дисперсной системой (суспензия или аэрозоль) и прошедшего через нее.

Нефелометрический и турбидиметрический методы применяются для анализа  суспензий, эмульсий, различных взвесей  и других мутных сред. Интенсивность  пучка света, проходящего через  такую среду, уменьшается за счет рассеивания и поглощения света  взвешенными частицами.

Принцип действия.

Измерение мутности - это  не прямое определение количества взвеси в жидкости, а измерение величины рассеяния света на взвешенных частицах.

Теория рассеяния света (светорассеяние)

Говоря простым языком, мутность - результат взаимодействия между светом и взвешенными в  воде частицами. Проходящий через абсолютно  чистую жидкость луч света остается практически неизменным, хотя, даже в абсолютно чистой воде, молекулы вызывают рассеяние света на некоторый, хоть и очень малый, угол. В результате, ни один раствор не обладает нулевой  мутностью. Если в образце присутствуют взвешенные твердые частицы, то результат  взаимодействия образца с проходящим светом зависит от размера, формы  и состава частиц, а также от длины волны (цвета) падающего света.

Взаимодействие мельчайших частиц с падающим светом происходит следующим образом: частица поглощает  энергию света и затем, сама становясь  точечным источником, излучает свет во все стороны. Это излучение во все стороны и лежит в причине  рассеивания падающего света. Пространственное распределение рассеянного света  определяется отношением размера частицы  к длине волны. Частицы размером много меньше, чем длина волны  падающего света дают почти симметричное рассеяние, количество света, излучаемого  вперед и назад, почти одинаково (Рис. 1). С ростом размера частиц свет, излучаемый из разных мест частицы, создает  интерференционные картины, которые  складываются в направлении прохождения  падающего света. В результате, интенсивность света, рассеиваемого "вперед" больше, чем интенсивность света, рассеиваемого "назад" и по другим направлениям. Кроме того, мелкие частицы хорошо рассеивают коротковолновый свет (синий), при этом не оказывая воздействия на длинноволновый (красный). И наоборот: крупные частицы рассеивают красный свет лучше, чем синий.

Рис. 1 Схемы интенсивности  рассеянного света на частицах трех размеров. А - мелкие частицы, размером менее 1/10 длины волны падающего  света, рассеяние симметричное. В - крупные  частицы, размером порядка 1/4 длины  волны падающего света, преобладает  рассеяние по направлению падающего  света, С - очень крупные частицы, размером более длины волны падающего  света, рассеяние очень неравномерно, ярко выражены максимумы и минимумы.

Рис.1

Форма частиц и коэффициент  преломления также влияют на распределение  и интенсивность рассеяния. Сферические  частицы рассеивают "вперед" больше света, нежели частицы в форме  колец или игл. Коэффициент преломления  частиц характеризует угол, на который  отклоняется луч света, проходящего  через границу с другой средой, например, жидкостью. Чтобы рассеяние  было возможно, коэффициент преломления  частиц должен отличаться от коэффициента преломления жидкости. Чем сильнее  различаются коэффициенты преломления  жидкости и взвешенных частиц - тем  сильнее рассеяние.

Цвет взвешенных твердых  частиц и жидкости также имеет  значение при детектировании рассеянного  света. Окрашенное вещество поглощает  свет в определенных диапазонах видимой  области спектра, изменяя тем  самым свойства как проходящего, так и отраженного света. В  результате часть рассеянного света  не попадает на детектор.

С ростом концентрации частиц растет и интенсивность рассеяния  света. Но рассеянный свет попадать на большее количество частиц, изза чего будет происходить множественное рассеяние и поглощение света. Когда концентрация частиц превосходит определенное значение, определяемый уровень проходящего и рассеянного света резко падает. Это значение является верхней границей измерения мутности. Уменьшение оптического пути уменьшает количество частиц между источником света и детектором и позволяет расширить диапазон измерений.

         Было разработано несколько турбидиметров, работающих на определении погасания, с усовершенствованными источниками света и методиками сравнения, но погрешность определения человеком приводила к недостатку точности. Фотодетекторы чувствительны к малейшему изменению интенстивности освещения. Они стали широко использоваться для измерения ослабления света, проходящего через образец фиксированного объема. Приборы обеспечивали при определенных условиях гораздо большую точность, но попрежнему не могли определть высокую или предельно низкую мутность. При низкой степени рассеяния изменение в интенсивности проходящего света, измеряемое в одной точке, настолько мало, что практически не детектируется ничем. Обычно сигнал просто терялся в шуме электронных компонентов. На больших концентрациях множественное рассеяние взаимодействовало с простым рассеянием.

Решение проблемы заключается  в том, чтобы определять количество света, рассеянного под углом  к падающему свету и затем  соотносить количество рассеянного  под углом света с реальной мутностью образца. Считается, что  угол в 90° позволяет обеспечить наибольшую чувствительность к рассеянию на частицах. Большинство современных  приборов определяют рассеяние под  углом 90° (рис. 2). Такие приборы называются нефелометрами или нефелометрическими турбидиметрами, чтобы показать их отличие от обычных турбидиметров, которые определяют соотношение между количеством прошедшего и поглощенного света.

Рис. 2. В нефелометрических  измерениях мутность определяется по свету рассеянному под углом 90°

Благодаря своей чувствительности, точности и применимости в широком  диапазоне размеров и концентраций частиц, нефелометр был признан в  Стандартных методах как предпочтительный прибор для определения мутности. Также предпочтительными единицами  выражения мутностистали нефелометрические единицы мутности NTU. В опубликованных американским Управлением по охране окружающей среды Методах химического анализа воды и стоков нефелометрический метод также определяет нефелометрию как метод определения мутности.

Современные мутномеры.

Хотя к настоящему времени  разработано множество методов  для определения загрязнений  в воде, определение мутности по-прежнему важно, поскольку мутность - это простой  и неопровержимый показатель изменения  качества воды. Внезапное изменение  мутности может указывать на дополнительный источник загрязнения (биологический, органический или неорганический) или сигнализировать о проблемах в процессе обработки воды.

Современные инструменты  должны определять мутность от предельно  высоких до предельно низких значений в широком диапазоне образцов с частицами различного размера  и состава. Возможность прибора  определять мутность в широких пределах зависит от конструкции прибора. В данном разделе обсуждаются  три основных узла нефелометра (источник света, детектор рассеянного света  и оптическую геометрию), и как  различия в этих узлах влияют на определение мутности прибором. Большинство  измерений проводятся в диапазоне 1NTU и ниже. Для этого берется  стабильная работа прибора, малое количество постороннего света и отличная чувствительность.

Источники света  в нефелометрах

В настоящее время в  мутномерах применяются различные источники света, но самый распространенный - лампа накаливания. Такие лампа имеют широкий спектр, они просты, недороги и надежны. Свет от лампы количественно характеризуется цветовой температурой - температурой, которую должно иметь идеально черное тело, чтобы светиться таким же цветом. Цветовая температура белого каления и, следовательно, спектр свечения лампы зависят от приложенного к лампе напряжения. Для стабильного белого свечения лампы требуется хорошо регулируемый источник питания.

В случаях, когда в образце  присутствуют частицы одного типа, или если требуется источник света  с известными характеристиками, для  нефелометрии можно использовать монохроматический  источник света. Такой свет излучает, например, светодиод. Светодиоид излучает в очень узкой области спектра по сравнению с нагретой добела нитью накаливания. Поскольку в видимой области светодиоды более эффективны по сравнению с лампами накаливания, им требуется меньшая мощность для получения света той же интенсивности. Применение источников света с узкой спектральной характеристикой расширяется. Другие источники света, такие как лазеры, ртутные лампы и комбинации лампа + фильтр, в нефелометрии применяются редко.

Детекторы

После того, как свет с  требуемыми характеристиками взаимодействует  с образцом, результат должен быть зафиксирован с помощью детектора. В современных нефелометрах применяется  четыре типа детекторов: фотоэлектронный  умножитель (ФЭУ), вакуумный фотодиод, кремниевый фотодиод и фотоэлемент (фоторезистор) на основе сульфида кадмия.

Чувствительность детекторов отличается в различных диапазонах длин волн. Фотоэлектронные умножители, применяемые в нефелометрах, имеют  пик спектральной чувствительности в синей области спектра иближнем ультрафиолете.

Чтобы обеспечить хорошую  стабильность им требуется стабилизированный  источник высокого напряжения. Вакуумный  фотодиод обладает сходной спектральной характеристикой, но более стабилен, нежели фотоэлектронный умножитель.

Оптическая геометрия  нефелометров

Третий компонент, влияющий на качество показаний нефелометров - это оптическая геометрия, которая  включает в себя параметры конструкции  прибора, такие как, например, угол детектирования рассеянного света. Как пояснялось в разделе, посвященном теории рассеяния, различия в строении частиц вызывает различную угловую интенсивность  рассеяния.

Почти все нефелометры, используемые в анализе воды и стоков, имеют  угол анализа равный 90°.

Кроме того, что такой  угол обеспечивает меньшую чувствительность к изменению размера частиц, прямой угол дает простую оптическую систему  с малым количеством постороннего света.

Обдасть прменения.

Нефелометрический и турбидиметрический методы применяются для анализа  суспензий, эмульсий, различных взвесей  и других мутных сред. Интенсивность  пучка света, проходящего через  такую среду, уменьшается за счет рассеивания и поглощения света  взвешенными частицами.

Нефелометрию и турбидиметрию применяют, напр., для определения SO₄ в виде взвеси BaSO₄, Сl^- в виде взвеси AgCl, S^2- в виде взвеси CuS с ниж. границами определяемых содержаний ~ 0,1 мкг/мл. Для стандартизации условий анализа в экспериментах необходимо строго контролировать температуру, объем взвеси, концентрации реагентов, скорость перемешивания, время проведения измерений. Осаждение должно протекать быстро, а осаждающиеся частицы должны иметь малые размеры и низкую растворимость. Для предотвращения коагуляции крупных частиц в раствор часто добавляют стабилизатор, напр. желатин, глицерин.

Кроме того, нефелометрия позволяет  исследовать дисперсные системы -производственных растворов, речную воду, нефтяные фракции, а также аэрозоли. В последнем случае исследуемое вещество непрерывно пропускают через кювету. Измеряя интенсивность рассеянного света под разными углами и при разных концентрациях взвеси, можно определить размеры и форму дисперсных частиц.

 Применение турбидиметрия и нефелометрия в исследование молока и молочных продуктов.

Турбидиметрический и нефелометрический оптические методы исследования дисперсных систем растворов связаны с рассеянием света частицами дисперсной фазы, которое зависит от длины волны излучения, размера и формы рассеивающих частиц, от их расположения в пространстве.

Почти все измерения связаны  с видимым излучением. Пробы освещают потоком излучения интенсивностью I₀ (рис. 23), а затем измеряют интенсивность прошедшего излучения I или определяют интенсивность излучения, рассеянного под определенным углом (например, 90°, I_р,90). С ростом числа частиц в суспензии отношение I/I₀ уменьшается, а отношение I_р,90/ I₀ увеличивается до умеренных концентраций. Для очень разбавленных суспензий измерение под углом гораздо чувствительнее, чем измерения, когда источник и детектор находятся на одной линии, поскольку при этом можно наблюдать слабый рассеянный свет на темном фоне. Метод, в котором используют линейное измерение, называют турбидиметрией, а метод с измерением под углом 90° (или каким-либо другим) – нефелометрией.

Турбидиметрия основана на измерении интенсивности светового потока, прошедшего через дисперсную систему I. Если принять рассеянный свет за поглощенный, то можно получить соотношение, аналогичное соотношению по закону Бугера – Ламберта – Бера для поглощения света растворами:

D = lg Iо/I = tl = klC,

где D – оптическая плотность раствора; t – коэффициент мутности; l – толщина слоя; К – эмпирическая константа; С – концентрация.

Так как поглощения света  в данном случае практически не происходит, используют понятие оптической плотности D, которая может быть измерена на фотоэлектроколориметре. Коэффициент мутности в данном уравнении аналогичен коэффициенту в законе Бугера – Ламберта – Бера.

Метод, используемый для  измерения изменения мутности во времени, получил название турбидиметрического кинетического. При кинетическом методе для определения компонента измеряют скорость реакции.

Турбидиметрический метод  анализа применяют в определении  состава сырья и оценке технологических  процессов. Этим методом можно измерить содержание жира, соматических клеток в молоке, оценить степень дисперсности жира, исследовать процесс свертывания молока, определить готовность сгустка и сливок к сбиванию, установить концентрацию микроорганизмов при производстве бактериальных концентратов и т. п.

Турбидиметрический  метод определения массовой доли жира основан на использовании явления рассеивания светового потока жировыми шариками молока. В основе математического описания метода лежит зависимость оптической плотности молока D от массовой доли жира Сж.

D = КСж,

где К – коэффициент.

В свою очередь коэффициент К зависит от ряда факторов:

К = f [l, t, f (Ж), f (Б)],

где l – толщина кюветы, t – температура пробы, f (Ж), f (Б) – функции, характеризующие влияние на эффект рассеяния света размера жировых шариков и мицелл казеина.

Для получения однозначной  зависимости между оптической плотностью и массовой долей жира в пробе  молока необходимо ее гомогенизировать, исключить влияние размера белковых мицелл путем добавления специального щелочного раствора, обеспечить постоянную температуру пробы.

Массовую долю жира определяют, измеряя интенсивность светового  потока, прошедшего через слой гомогенизированной смеси молока и растворителя белков.

Данная методика реализована  в анализаторах для измерения  массовой доли жира «Милко-Тестер»  фирмы Foss Electric (Дания) и отечественном приборе – цифровом жиромере ЦЖМ-1, ЦЖМ-2 (Россия).

Приборы ЦЖМ-1, ЦЖМ-2 работают в автоматическом режиме с производительностью 120 проб/ч, позволяют определять от 0,1 до 6,5 % жира в молоке. Отклонение результатов измерений жира от гравиметрического метода составляет ± 0,06 %, расход молока на одно измерения минимально – 1,6 мл.

Прибор «Милко-Тестер»  работает следующим образом.

Конструкция прибора  «Милко-Тестер»:

1 –  змеевик; 2 – термостатная ванна; 3 – бутылка с пробой; 4 – фильтр; 5 – полупроводниковый фотоэлемент  фотоколориметра; 6 – кювета; 7 –  светофильтр; 8 – электрическая лампочка  накаливания; 9 – сливная трубка; 10 – толкатель смесительной воронки; 11 – трубка для слива при  ополаскивании системы; 12 – стрелочный  микроамперметр; 13 – выпускной клапан  смесительной воронки; 14 – мешалка  с электроприводом; 15 – смесительная  воронка; 16 – трубка; 17 – пипетка; 18 – гомогенизатор; 19 – поршень-дозатор; 20 – рукоятка поршня-дозатора; 21 – трубка, соединяющая бутыль с поршнем-дозатором.

Молоко при включении  насоса гомогенизатора из пробника через  трубку с фильтрующим наконечником засасывается в нагреватель (змеевик в термостатной ванне). Проба молока с температурой 60 ºС подается в гомогенизатор. Затем 1,5 мл молока подается в смесительную воронку, где добавляется раствор «Версен», после чего проба подается в измерительную кювету фотоколориметра. Прошедший свет с помощью фотоэлемента преобразуется в электрический ток и измеряется микроамперметром, отградуированным в % жира.

Прибор «Милко-Тестер-автоматик» работает в полном автоматическом режиме, позволяет определять в молоке до 10 % жира, время одного измерения 20 с. Прибор снабжен транспортирующим устройством  для бутылок с молоком, молоко в бутылке перемешивается мешалкой.

Определение готовности сычужного  сгустка к обработке и готовности сливок к сбиванию определяют по измерению  светопропускания молока во время его  свертывания и измерению оптической плотности сливок во время их физического  созревания с помощью прибора  ООС-76 соответственно.

Нефелометрия основана на измерении интенсивности света, рассеянного дисперсной системой I_р. Способность частиц к рассеянию или отражению света определяется размером частиц и длиной волны падающего света. Интенсивность светового потока, рассеиваемого дисперсными частицами, определяется уравнением Рэлея:

I_Р = I₀ [F (NV²/l⁴R²)(1 + соs²θ)],

где F – функция от показателей преломления; N – общее число частиц; V – объем частиц; l – длина волны падающего света; R – расстояние от детектора; θ – угол рассеяния.

Закономерность нарушается, если размеры частиц приближаются к длине волны падающего света.

Если необходимо определить только размер частиц и их концентрацию, то достаточно измерить интенсивность рассеянного света под одним углом. В этом случае уравнение Рэлея можно представить в виде

I_Р = kCV

В нефелометрическом методе градуировочный график может быть построен в координатах I_Р – C. Более высокая чувствительность метода по сравнению с чувствительностью турбидиметрического метода объясняется прямым измерением аналитического сигнала, что позволяет определять концентрацию и размер частиц, их форму и характер взаимодействия.

В соответствии с уравнением Рэлея, коэффициент мутности в турбидиметрическом анализе, можно выразить как:

t = k¢NV²/l⁴,

где k¢ – эмпирическая константа,

или

D = k¢NV²l/l⁴.

Таким образом, если взять  отношение оптических плотностей для  двух дисперсных систем с одинаковым размером частиц, оно будет равно  отношению концентраций, а при  одной и той же концентрации отношение оптических плотностей пропорционально размерам частиц. Размер частиц в турбидиметрическом анализе не имеет такого значения, как в нефелометрическом. Однако, если дисперсная система содержит частицы более 0,1 l, нарушается закон Рэлея, что приводит к отклонению градуировочного графика от линейности. Воспроизводимость результатов при определении веществ турбидиметрическим методом составляет 5 %.

Для проведения измерений  в нефелометрии можно использовать любой флуориметр. Многие серийные флуориметры снабжены специальными приспособлениями для нефелометрических измерений. Для турбидиметрических измерений можно использовать любой фотометр или спектрофотометр. Если растворитель и рассеивающие частицы бесцветны, максимальная чувствительность достигается при использовании излучения голубой или ближней ультрафиолетовой области. Для окрашенных систем оптимальную длину волны лучше всего подобрать экспериментально.

Нефелометрия используется для определения жира и соматических клеток в молоке.

Фирмой P. Funke ú C (ФРГ) разработан нефелометрический прибор «Лактроник» для определения жира: диапазон измерения – до 6 % жира, время одного измерения – 45 с

Список литературы.

1) Долгов В.В. Соавторы: Е.Н.ОВванесов К.А.Щетникович. Фотометрия в лабораторной практике. М - 2004

2) Краюшкина И.В. Лекции по дисциплине: «МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ СВОЙСТВ СЫРЬЯ И МОЛОЧНЫХ ПРОДУКТОВ». Саратов 2007

3) http://www.ecoinstrument.com.ua