6.2. Оптические методы
Оптическими называют методы и средства измерения, в осно-ву которых положена зависимость оптических свойств самой анали-зируемой среды или свойств проходящего через нее электромагнит-ного излучения от количества анализируемого компонента в анали-зируемой пробе. Они основаны на использовании свойств анали-зируемого материала, облучаемого потоком излучения, поглощать, отражать и пропускать извне излучение, а также излучать энергию.
Первые три характеристики зависят как от условий облучения (спектральный состав, степень поляризации падающего излучения), так и от состояния и свойств облучаемого вещества. Последняя же характеристика определяется только состоянием и свойствами материала. К этим свойствам относятся: преломление, поляризация, интенсивность окраски и свечения, цвет и многие другие. Несмотря на такое многообразие используемых для измерения свойств, все анализаторы состоят из трех основных узлов: излучателя, кювет с анализируемой пробой и приемника. Оптические анализаторы подразделяются на монохроматические, когда используется излучение с определенной длиной волны, и полихроматические, когда используется поток интегрального, т. е. с широким спектром длин волн, излучения, а также на анализаторы видимой, ультрафиолетовой и инфракрасной частей спектра излучения.
Пищевые продукты по своим физико-химическим свойствам и структуре относятся к группе капиллярно-пористых коллоидных тел. Они характеризуются сложностью микроструктуры и большой оптической плотностью. Поглощение и рассеяние в этих материалах определяются главным образом следующими четырьмя процессами:
– резонансным поглощением излучения молекулами одного вещества (всеми компонентами, образующими данное вещество) и молекулами структурной и связанной с материалом воды;
– рассеянием, обусловленным флюктуациями плотности или концентрации вещества, а также рассеянием на молекулах (например, на молекулах белков, крахмала и других) или ионах;
– рассеянием излучения на взвешенных коллоидных частицах (зернах крахмала, растительных клетках, частицах пигмента и т. д.);
– рассеянием на других оптических неоднородностях – капил-лярах и порах в капиллярно-пористых коллоидных телах, порах в пе-нистых и шлаковых материалах и т. д.
Оптические методы используются прежде всего для анализа состава продукта, а также для измерения давления, температуры, влажности, уровня, массы и силы, перемещения и распознавания объектов.
6.2.1. Рефрактометрические методы
Рефрактометрические методы основаны на том, что скорость распространения света в веществе меньше, чем в вакууме. Поэтому при падении светового луча на границу раздела двух сред происходит изменение направления – преломление его движения.
Мерой степени преломления служит показатель преломления, равный отношению скорости света в вакууме к скорости света в веществе. Показатель преломления зависит от природы вещества, внешних условий (температуры, давления), агрегатного состояния вещества и длины волны падающего света. Эту зависимость, как правило, устанавливают эмпирически для каждого типа анализаторов.
Рефрактометры с дифференциальными кюветами применяют для анализа прозрачных и полупрозрачных жидкостей. Способ пол-ного внутреннего отражения основан на следующем. При прохож-дении из оптически более плотной среды в менее плотную луч отражается от границы раздела сред. Угол падения луча может быть подобран так, что отраженный луч будет параллелен границе раздела этих сред. Такой угол называют предельным, а связанное с этим явление – полным внутренним отражением. Для анализа непрозрачных жидкостей используют зависимость между предельным углом и их составом.
Приборы, основанные на рефрактометрическом методе, назы-вают рефрактометрами. Существует несколько способов измерения показателя преломления. В рефрактометрах наиболее часто приме-няют спектрометрический метод и метод, основанный на использова-нии полного внутреннего отражения.
На рис. 6.2 и 6.3 показаны принципиальные схемы автоматиче-ского рефрактометра полного внутреннего отражения лабораторного и промышленного применения.
На рис. 6.4 показана структурная схема проточного рефрактометра. В трубопровод 1, по которому протекает анализируемая жидкость, вмонтирована измерительная кювета 2. Падающий на нее свет от источника 5 проходит через предварительный светофильтр 4 и коллиматор 3 и, отражаясь от границы раздела сред (анализируемая жидкость и призма), попадает через оптический рассеиватель 9 на фотоэлемент ФЭ1 и зеркало 8, а затем на фотоэлемент ФЭ2. Сигнал разбаланса от фотоэлементов через электронный усилитель 6 поступает на реверсивный двигатель 7, поворачивающий зеркало 8 до тех пор, пока отраженный от него свет, направленный на фотоэлемент ФЭ2, не уравновесит световой поток, падающий на ФЭ1.
Жидкость
Рабочая
Линза
Диафрагма
Дифференциальный фотодиод
Светодиод
Зеркало
Дифференциальная кювета
φ
= Δn n0 n1 Линза Линза Диафрагма
Светодиод
Дифференциальный фотодиод
фотодиод
Р
ис.
6.4. Промышленный рефрактометр:
1 – трубопровод; 2 – измерительная кювета; 3 – коллиматор;
4 – предварительный светофильтр; 5 – источник; 6 – электронный усилитель; 7 – реверсивный двигатель, 8 – зеркало; 9 – оптический рассеиватель;
ФЭ1, ФЭ2 – фотоэлементы
Конструктивно рефрактометры бывают лабораторного и про-мышленного исполнения, в том числе погружные и дифференциальные. Дифференциальные проточные рефрактометры измеряют разность показателей преломления Δn жидкостей и газов, регистрируя отклонение светового пучка при прохождении им дифференциальной оптической кюветы с двумя камерами в виде полых призм, которые заполняют эталонной и анализируемой средами. При равных показателях преломления сравниваемых сред световой пучок проходит через такую кювету, не изменяя направления, а при разных – отклоняется на угол, пропорциональный Δn. Отклонение светового пучка регистрируется с помощью дифференциального фотодиода. Сочетание высокой чувствительности измерений с чрезвычайно малым объемом ячеек кюветы позволяет использовать такие рефрактометры в качестве детектора в высокоэффективной жидкостной аналитической хроматографии, в том числе микроколоночной.
В погружных рефрактометрах (рис. 6.5) в качестве рабочего элемента используется сапфировый стержень, у которого один торец плоский, а другой – сферический. Если такой элемент находится в воздухе, то все направленные на него световые лучи испытывают полное внутреннее отражение и попадают на кольцевой фотодиод. При погружении в жидкость полное внутреннее отражение испы-тывают только те лучи, которые падают на поверхность раздела жидкости и рабочего элемента под углом больше критического.
Обусловленная этим эффектом зависимость сигнала фото-диода от значения критического угла позволяет рассчитывать показатель преломления анализируемой жидкости.
Основная относительная погрешность измерения с помощью рефрактометров составляет (0,5–1,5) %.