Турбидиметрия и нефелометрия. Понятие и сущность, применяемые приборы

 

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.

 

Схема рассеяния  света: Iо – интенсивность падающего излучения; I – интенсивность прошедшего излучения; IР45 , IР90, IР135 – интенсивности излучения, рассеянного под разными углами.

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.

 

Схема измерительной  части агрегата «Милко-Тестер-автоматик»: 1 –  транспортирующее устройство; 2 –  бутылка с образцами молока; 3 – мешалка; 4 – мешалка смесительной  камеры; 5 – смесительная камера; 6 – фотоколориметр; 7 – пипетка; 8, 9 – шприцы для дозировки  раствора-разбавителя и молока.

 

 

 

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