Современные методы исследования пищевых продуктов

Неодинаково накапливаются радионуклиды различными видами животных и различными их органами. В свинине стронция и цезия относительно меньше, чем в говядине и баранине. Стронций-90 накапливается в костях животных, откуда практически не выводится, цезий-137 - в мышечной ткани, печени, селезёнке и других органах. В организм человека радионуклиды поступают с воздухом (до 1%), с питьевой водой (до5%), основной источник поступления - пища.

3. Материальное обеспечение работы.

3.1 Приборы и оборудование: Радиометр РУБ-01П6, терка, весы лабораторные, разновесы.

3.2 Химические реактивы: вода дистиллированная

3.3 Сырье: сок яблочный, картофель.

4. Порядок проведения работы.

Радиометр предназначен для измерений удельной (УА) и объемной (ОА) активности бета и гамма излучающих нуклидов в пробах природной среды. Радиометр позволяет проводить экспрессные измерения объемной активности проб жидкостей (с кислотностью рН 63) и удельной активности сыпучих пищевых продуктов и почвы.

4.1 Описание прибора.

В зависимости от исполнения радиометр включает в себя один или несколько блоков детектирования и устройство измерительное УИ -38П2. Блоки детектирования предназначены для преобразования энергии излучения радионуклидов в электрические импульсы и выполнены на основе сцинтилляционных тонкопленочных детекторов в виде дисков, отличающихся размером чувствительной поверхности. Устройство измерительное УИ-38 П1 осуществляет накопление импульсов от устройства детектирования и вывод информации об их количестве на индикатор и микро- ЭВМ “Электроника СС 1103”

Принцип действия радиометра основан на преобразовании световых вспышек в чувствительном объеме детектора в интенсивность счёта импульсов. Под действием энергии заряженных частиц в чувствительном слое детектора происходит высвечивание возбужденных состояний вещества, которое приводит к возникновению сцинтилляций. Фотоэлектронный умножитель преобразует сцинтилляции в импульсы электрического тока, а также усиливает этот ток до уровня, поддающегося измерению. В состав прибора входят также кюветы различных типов: стеклянная чашка Петри (0,100 л), сосуд Маринелли (0,5 л)

4.2 Методика проведения эксперимента

4.2.1 Подготовка проб к измерению включает в себя предварительную обработку доставленной в лабораторию продукции, приготовление навески или аликвоты в соответствии с выбранной измерительной кюветой и объемом ее заполнения, размещение пробы в кювете.

4.2.2 Отобранные для анализа пищевых продуктов: клубни, корнеплоды, зелень, ягоды, фрукты, мясо - промывают проточной водой. С капусты удаляют несъедобные листья. Рыбу надо вымыть и удалить все внутренности, с колбасных изделий и сыра снять защитную оболочку.

4.2.3 Твердые продукты измельчить с помощью ножа, мясорубки, терки и т.п. Подготовленные для контроля продукты, включая жидкие и сыпучие, непосредственно перед отбором пробы должны быть тщательно перемешаны.

4.2.4 Для проведения радиометрического анализа необходимо выбрать соответствующую измерительную кювету, учитывающую реальный объем пробы.

4.2.5 Кюветы должны быть радиационно-чистые, не содержать остатков проб.

4.2.6 При определении ОА жидких препаратов объем пробы (аликвоты) следует отмеривать с помощью мерного цилиндра. При определении УА сыпучей и твердой продукции массу пробы (навески) измерить с помощью весов с заданной точностью. Измерительную кювету следует заполнить с избытком. При этом проба прижимается и уплотняется крышкой кюветы, обеспечивая фиксированную геометрию измерения, соответствующую максимальному объему заполнения кюветы.

4.2.7 Для проведения измерений включить прибор в сеть. Кнопкой “Вкл.” на передней панели УИ-38 П1 включается измерительное устройство. Индикатором включенного состояния служит светящийся светодиод. Кнопкой “,%” установить положение “12”. Время установления рабочего режима прибора не менее 15 мин.

4.2.8 Перед измерением активности проб сначала провести определение среднего уровня показаний радиометра, обусловленного фоновым излучением. Для этого установить на блоке детектирования (в свинцовый “домик”) незаполненную измерительную кювету и провести подряд n (не менее 5) измерений фона (Аф_i) в Бк.

Среднее значение фона - Аф в Бк определяют по формуле:

А_ф=. (1)

Измерение фона проводят перед работой и после перерыва в работе одной, предварительно отмеченной, кюветой. Текущее среднее значение фона не должно отличаться от полученного результата (значения) перед началом работы более чем на 25%. В случае изменения среднего значения более чем на +-25% необходимо выявить источники повышения фона - отмыть загрязненную кювету, дезактивировать поверхность блока детектирования и свинцовой защиты.

После определения фона заполнить кювету анализируемой пробой определенного веса (объема), установить ее в свинцовый “домик” на блоке детектирования симметрично относительно его оси, провести не менее 5-ти измерений суммарного воздействия - излучения радиоактивных нуклидов, находящихся в пробе, на блок детектирования.

Определить среднее значение показаний радиометра по формуле:

А_с= , (2)

где n - число измерений

Расчет УА нуклидов цезия в пробе - Ам в Бк/кг выполняют по формуле:

А_m=,

где М - масса пробы (навески) в кг.

Расчет ОА нуклидов цезия в пробе Аv в Бк/л проводят по формуле:

A_v=, (3)

где V - объем анализируемой пробы (аликвоты), л.

При контроле продуктов и других проб, характеризующихся повышенным содержанием Калия -40 (бобовые, какао, гречка, свежая зелень, сухое молоко, чай), необходимо учесть его вклад в суммарную активность пробы. Для этого следует перевести радиометр в режим измерения Калия -40 в пробе. Далее следует выполнить все операции по определению фона в “калиевом окне” радиометра аналогичным выше.

Значение УА или ОА нуклидов цезия в пробе с поправкой, учитывающей вклад калия - 40, определяют по формуле:

(3)

где А_m и А - соответственно, УА и ОА пробы без поправки на содержание Калия -40 в Бк/кг и Бк/л,

А_м^к и А^к - УА и ОА соответственно, пробы в “калиевом окне” радиометра в Бк/кг и Бк/л;

4.3.9. Данные, полученные при измерении радиоактивности занесите, в таблицу, аналогичную приведенной ниже.

Таблица 6

Определение суммарной активности цезия - 134 (-137)

Вид продукции	Масса (объем) продукции в пробе M'(V), кг (л)	Тип кюветы Коэффициент нормирования	Показания прибора Бк/л. (Бк/кг)	Удельная (объемная) активность	Измерения проводили
			фоновые Афi Аф	Суммарные Асi, Ас	От пробы Ас-Аф	Активность Ас-Аф М(V) Бк/кг (Бк/л)	Ф.И.О (подпись, дата измерения)
Сок яблочный	0,510л.	Сосуд Маринелли	65,2 63,3 70,1 68,8 64,0 66,24	78,4 75,3 69,3 70,2 76,1 72,86	72,9 -66,2 6,7	6,7 0,510 =13,1 Бк/л	Новикова В.Н. 15.09.01
Картофель	0,120	стеклянная чашка Петри 41	62.3 60,7 55,3 57,4 56,9 58,52	393 387 399 409 389 395,4	395,4 -58,5 336,9	336,9 0,120 =2810 Бк/кг	Данилов В.В. 21. 10. 01

5. Отчет о работе.

5.1 Название работы.

5.2 Цель работы.

5.3 Описание методики эксперимента.

5.4 Проведение измерений.

5.5 Оформление таблицы по результатам экспериментов.

6. Контрольные вопросы.

6.1 Что из себя представляют сцинтилляционные радиометры?

6.2 Чем отличается удельная активность и объемная активность?

6.3 Где накапливаются радионуклиды?

6.4 Как подготовить пробу пищевых продуктов для анализа на радиоактивность?

6.5 Как устроен прибор РУБ-01П6?

6.6 От чего зависит интенсивность накопления в пищевых продуктах радионуклидов?

6.7 Назовите источники попадания радионуклидов в почву.

5.14 Определение гамма - и бета - активности радионуклидов с помощью спектрометрической установки СКС - 99 «Спутник»

1. Цель работы:

1.1 Ознакомиться с принципом действия и устройством установки.

1.2 Подготовить пробы для проведения измерений радиоактивности исследуемых образцов.

1.3 Провести измерение радиоактивности подготовленных проб.

1.4 Сделать заключение о пригодности в пищу исследуемых пищевых продуктов.

2.Общие теоретические сведения

2.1 Назначение спектрометрической установки, принцип её действия и устройство

До аварии на ЧАЭС контроль за активностью цезия-137 и стронция-90 в продовольствии основывался на селективной радиохимической экстракции цезия и стронция из вещества проб с измерением активности каждого р/н в соответствующих счетных образцах на бета-радиометрических установках (например УМФ-1500, РУБ 01 П6 и т.п.). После аварии на ЧАЭС необходимый объем измерений возрос настолько, что осуществление на этой аппаратурно-методической основе массового контроля оказалось невозможным в первую очередь из-за ограничений, обусловленных слишком большой продолжительностью и трудоемкостью химических процедур приготовления счетных образцов.

Переход к новым критериям радиационной безопасности продовольствия требует приведения методического и метрологического обеспечения Комплексов в соответствие с новыми нормативами. Введение СанПиН регламентируется Методическими Указаниями "Организация и проведение радиационного контроля за продуктами питания на территории Российской Федерации", согласно которым испытания пищевой продукции и продовольственного сырья на соответствие критериям радиационной безопасности включают:

-- отбор проб продовольствия на испытания;

-- приготовление из вещества проб счетных образцов для проведения измерений активности;

-- измерение активности цезия-137 и стронция-90 в счетных образцах;

-- определение удельной активности цезия-137 и стронция-90 в веществе проб;

-- определение соответствия удельной активности цезия-137 и стронция-90 в веществе проб требованиям критериев радиационной безопасности;

-- передачу результатов для проведения санитарно-гигиенической экспертизы и составления заключения.

В рамках этой схемы Рекомендации направлены на оптимизацию измерительных и методических процедур -- от выбора методик приготовления счетных образцов до определения соответствия удельной активности р/н в продовольствии требованиям критериев безопасности. Следует подчеркнуть, что при определении соответствия продовольствия требованиям безопасности задача испытаний сводится лишь к получению однозначного ответа на вопрос: «Удовлетворяет это продовольствие критериям радиационной безопасности или нет?». При этом не ставится задача определения истинных значений удельной активности р/н с максимальной точностью.

Определение активности цезия-137 и стронция-90 в пробах продовольствия с использованием спектрометрических методов радиометрии требует пояснения, а иногда и корректировки некоторых традиционных понятий радиометрии. В связи с этим совершенствуется измерительная аппаратура и производится отсчет не суммарной активности радионуклидов, отдельное их содержание в пищевых продуктах.

Установка спектрометрическая СКС-99 «СПУТНИК» (далее - СКС-99) предназначена для спектрометрических, радиометрических и дозиметрических измерений ионизирующих излучений.

СКС-99 «Спутник» может использоваться для решения широкого спектра задач радиационного контроля от измерений в области сертификации соответствия пищевой продукции, питьевой воды, строительных материалов, продукции лесного хозяйства и др. до мониторинга и задач радиационного контроля на предприятиях ядерного цикла, а также для решения целого ряда исследовательских проблем, связанных с измерениями радиоактивности.

СКС-99 состоит из ряда блоков детектирования, защиты от внешнего гамма-излучения, электронного устройства и внешнего блока питания.

Блок детектирования (кроме БДС-01, СБМ-20, СИ-4) состоит из сцинтилляцыонного детектора, соединенного с фотоэлектронным умножителем (ФЭУ), делителя высокого напряжения, задающего требуемую разность потенциалов между диодами ФЭУ и системы светодиодной стабилизации, помещенных в металлический цилиндрический кожух. В зависимости от вида peгистрируемого излучения и исполнения в блоках детектирования используются детекторы на основе:

- ZnS(Ag) для БДAИ-01,

- сцинтилляционной пластмассы для БДБИ-01,

- NaI(Tl) или CsI(Na) для БДФИ-01, БДФИ-02, БДФИ-03,

- смеси ZnS(Ag) и LiF для БДНИ-01.

Блоки детектирования БДС-01, СБМ 20 и СИ-4 выполнены на основе счетчиков Гейгера.

Электронное устройство состоит из аккумуляторного блока питания, линейного усилителя, амплитудно-цифрового преобразователя (АЦП). процессора (ПР), постоянного запоминающего устройства (ПЗУ), оперативного запоминающего устройства (ОЗУ). На передней панели электронного устройства расположены клавиатура и индикация, на задней - разъемы для подключения к внешнему блоку питания, блоку детектирования и интерфейсу для соединения с ПЭВМ. На боковой панели электронного устройства расположен переключатель для включения электронного устройства.

Принцип работы СКС-99 основан на преобразовании энергии кванта ионизирующего излучения в электрический импульс. Для гамма- и бета- излучения амплитуда импульса пропорциональна энергии, потерянной квантом в чувствительном объеме блока детектирования. Сигнал с блока детектирования поступает на вход линейного усилителя. Десятиразрядный АЦП преобразует сформированный усилителем импульс в цифровой код. Процессор фиксирует факт прихода электрического импульса и увеличивает количество отсчетов в соответствующем цифровому коду канале на единицу. Таким образом, АЦП, ПР, ПЗУ и ОЗУ образуют многоканальный анализатор, ведущий подсчет электрических импульсов в каналах, соответствующих их амплитудам.

При работе в счетном режиме (альфа-радиометр и бета-счетчик) процессор ведет подсчет количества пришедших импульсов независимо от их амплитуды.

3 Материальное обеспечение работы

3.1 Приборы и оборудование: установка спектрометрическая СКС-99 «СПУТНИК», терка, весы лабораторные, разновесы.

3.2 Химические реактивы: вода дистиллированная и все необходимые реактивы, если надо проводить сухое или мокрое озоление пробы.

3.3 Сырьё: овощи, фрукты, консервированная продукция, мясо, рыба и др. пищевые продукты, в которых нормируется содержание радионуклидов.

4. Порядок проведения работы.

4.1 Отбор проб и подготовка их к испытанию проводится в соответствии с нормативно - технической документацией на каждый вид продукта

4.2 Порядок проведения измерений радионуклидов.

Клавиатура служит для управления СКС-99 и включает в себя восемь клавиш: (С), (), (>), (<), (^), (v), (-) и (><).

Клавиша (С) служит для для перевода СКС-99 из любого режима работы в исходное состояние (основное меню). Нажатие клавиши (С) не останавливает набор и не стирает спектр из активного буфера. Назначение клавиш (>), (<) и () зависит от режима работы СКС-99. Клавиши (>) и (<), как правило, служат для выбора предлагаемого пункта меню, а клавиша () - для сообщения процессору о том, что выбор сделан.

Некоторые действия СКС-99 инициируются нажатием двух клавиш. В описании такие комбинации обозначаются двумя символами в скобках. Например, комбинация (<С) выводит на дисплей альтернативное меню. Индикация служит для вывода информации. Вывод может осуществляться в одном из следующих режимов.

ТЕКСТОВОЕ СООБЩЕНИЕ. В этом режиме на экран выводятся текстовые сообщения.

МЕНЮ. Используется для выбора из нескольких вариантов. Все варианты выводятся подряд в одной строке. Слово, соответствующее выбранному варианту, выделяется цветом. Клавиши (>) и (<) служат для изменения варианта (перемещения выделенной области вправо или влево). Клавиша () - для сообщения СКС-99 о том, что выбор сделан.

ЗАПРОС ЧИСЛА. Используется для ввода числовых значений в СКС-99. На экран выводится предлагаемое значение числа и текстовый комментарий. Одна из цифр числа выделена. Клавиши (>) и (<) служат для перемещения выделенной области на другую цифру. Комбинации клавиш (>) и (<) для изменения выделенной цифры. Клавиша () - для сообщения СКС-99 о том, что нужное значение установлено. Клавиши (^), (v) и (), (>|<) предназначены для изменения масштаба отображения спектра по осям «Y» и X» соответственно.

Порядок работы определяется методикой измерения с использованием выбранного измерительного тракта, применяемого алгоритма и геометрии измерения.

Запуск измерения в режимах энергетической калибровки, контроля фона или измерения активности осуществляется следующим образом:

- нажать (С), на индикацию будет выведено меню "ПУСК ОБРАБОТКА";

- выбрать "ПУСК", на индикацию будет выведено меню "КАЛИБРОВКА ФОН ИЗМЕРЕНИЕ";

выбрать пункт меню, соответствующий типу измерений;

при этом: если выбран тип измерения "КАЛИБРОВКА", появится запрос: «Установить калибровочный источник на детектор»;

если выбран тип измерения "ФОН" появится запрос: «Убрать источник с детектора»;

если выбран тип "ИЗМЕРЕНИЕ", на дисплее появится, меню с названиями аттестованных геометрий измерения;

- выберите геометрию измерения; в ответ на вопросы введите значения характеристик счетного образца; после сообщения "УСТАНОВИТЕ ПРОБУ НА ДЕТЕКТОР" установите счетный образец на детектор, закройте крышку свинцовой защиты (если она предусмотрена) и нажмите ();

По окончании времени измерения процессор выводит значения измеряемых величин и погрешности их определения на дисплей.

Просмотр спектра, находящегося в нулевом (активном) буфере:

- нажать (<С) для выхода в альтернативное меню;

- выбрать пункт меню "Интеграл", на спектре появятся две вертикальные линии, соответствующие маркерам А и В, а также номер канала (300) и количество импульсов, соответствующие маркеру А; нажатием (<,>) можно вывести на дисплей значение энергии в кэВ, соответствующее позиции маркера А;

- клавиши (<) и (>) позволяют перемещать маркер в пределах экрана;

- клавиши (^), (v) позволяют изменять масштаб по вертикали;

- последовательные нажатия клавиши () позволяют выводить на экран дисплея значения, соответствующие маркеру В, а также значение скорости счета импульсов в части аппаратурного спектра, находящегося между маркерами Л и В, и результат обработки спектрограммы по методу «трапеции»;

- для выхода из режима просмотра спектра нажать клавишу (С).

Сохранение спектра в памяти. Память СКС-99 позволяет хранить до 80 спектров. Измеряемый спектр всегда находится в нулевом (активном) буфере. Спектры фона для устройств, входящих в состав установки хранятся в следующих n буферах (n- число устройств). Они помещаются автоматически каждый в свой буфер. В остальные буферы можно помещать измеренные спектры. Для запоминания спектра необходимо нажать комбинацию клавиш (<,>).

Примечание: на данной установке можно измерить и подсчитать радиоактивность калия 40, тория 232, родона, нуклидов семейства урана.

При работе в спектрометрическом режиме активность радионуклидов в исследуемой пробе рассчитывается процессором матричным методом в соответствии с приложениями в инструкции к прибору. При работе с альфа-излучением активность рассчитывается как отношение скорости счета импульсов к чувствительности.

5.Отчёт о работе:

5.1 Название работы.

5.2 Цель работы.

5.3 Описание методики эксперимента.

5.4 Проведение измерений.

5.5 Обсчёт полученных данных.

6. Контрольные вопросы.

6.1 В чём отличие установки СКС - 99 от радиометра РУБ 01 - П6?

6.2 В чем преимущество данной установки перед радиметром РУБ 01 - П6?

6.3 Как провести измерение активностей радионуклидов на данной установке?

6.4 Из каких блоков состоит данная установка? Описать их назначение

6.5 Как обсчитать полученные результаты о наличии радиоактивной загрязнённости пищевых продуктов?

5.15 Определение токсичных элементов (свинца) методом полярографии в пищевых продуктах

1. Цель работы:

1.1 Ознакомить студентов с устройством и принципом действия полярографа.

1.2 Освоить методику пробоподготовки и приготовления образцов для последующего проведения полярографического анализа.

1.3 Определить содержание свинца в предложенных образцах консервированных продуктов, упакованных в металлическую тару.

2. Общие теоретические сведения.

2.1 Устройство и принцип действия полярографа

Полярографический метод качественного и количественного химического анализа основан на использовании явления деполяризации на одном из электродов электрохимической ячейки при электролизе исследуемого раствора или расплава. Принцип работы полярографа показан на рис.19 Полярограф позволяет вести полярографирование как на постоянном, так и на переменном токе.

Рис.19 Принцип работы полярографа в классическом и переменнотоковом режимах: U_л - источник линейного напряжения; U~ - источник переменного напряжения (синусоидального или трапециидального); R_изм - измерительное сопротивление.

В переменнотоковом режиме поляризации рабочего электрода (ртутной капли) осуществляется током от двух источников поляризующего напряжения: линейно-изменяющегося и переменного (синусоидального или трапециидального). Ток ячейки, проходя по токоизмерительному сопротивлению R_изм, создает на нем падение напряжения, переменная составляющая которого через разделительный конденсатор С_р подается на усилитель переменного тока, где усиливается, преобразуется фазовым детектором в напряжение постоянного тока и регистрируется в виде полярограммы переменного тока.

При работе полярографа в классическом режиме переменное напряжение поляризации на ячейку не подается, а падение напряжения, создаваемое током ячейки на измерительном сопротивлении R_изм, подается на регистратор, где и записывается в виде классической полярограммы.

Теоретически доказано и практически подтверждено, что подпрограмма содержит информацию о концентрации в природе вещества, находящегося в растворе. Предельный ток I_пр пропорционален концентрации вещества и поэтому является критерием количественного анализа. Напряжение, соответствующее средней точке волны полярограммы, называемое потенциалом полуволны, определяет природу вещества, находящегося в растворе, и поэтому является критерием качественного анализа.

Потенциалы полуволн различных элементов образуют так называемый полярографический спектр, их значения приведены в специальных таблицах. Сравнивая, полученные при исследовании неизвестного раствора потенциалы полуволн, с табличными данными, можно, в принципе, установить химический состав исследуемого раствора.

Если в исследуемом растворе содержатся ионы нескольких видов, то каждый вид ионов даёт свою волну, любая из которых качественно и количественно определяет соответствующее вещество.

2.2 Влияние токсичных элементов (свинца) на организм человека.

Свинец относится к наиболее известным ядам и среди современных токсикантов играет заметную роль.

Свинец находится в микроколичествах повсеместно. Пестициды, сдержащие свинец, могут непосредственно увеличивать его содержание в плодоовощной продукции.

При выработке продуктов основным источником поступления свинца является жестяная тара, которая используется для упаковки от 10 до 15% пищевых изделий. Свинец поступает из свинцового припоя в швах банки. Установлено, что около 20% свинца в ежедневном рационе людей (кроме детей до 1 года) поступает из консервированной продукции, в том числе от 13 до 14% из припоя, а остальные из 6 - 7 % из самого продукта. В последнее время с внедрением новых методов пайки и закатки банок содержание свинца в консервированной продукции уменьшается, так как при изготовлении банок применяют лужёную жесть только с защитным покрытием. Кроме этого существует возможность загрязнения продуктов питания, хранящихся на складах вблизи дорог с движущимся автомобильным транспортом.

Свинец является нормативным ингредиентом нашего питания, однако фактическое содержание его в пищевых продуктах часто превышает ПДК. Максимальная концентрация свинца в крови, при которой ещё нет выраженного клинического воздействия, составляет для взрослого человека 50 - 80 мкг/100мл. Чтобы не превышать такой уровень, ежедневно должно поглощаться не более 8 мг свинца. В связи с этим, для предупреждения избыточного поступления свинца необходимо вести постоянный контроль за его содержанием в пищевых продуктах. Экспертами ФАО и ВОЗ установлена величина максимально допустимого поступления свинца для взрослого человека - 3мг в неделю, т.е. около 0,007 мг/кг массы тела. ПДК свинца в основных продуктах регламентируется требованиями Сан ПиН 2.3.2. 560 - 96. Свинец токсически воздействует на четыре системы органов человека: кроветворную, нервную, желудочно-кишечную и почечную.

В настоящее время основными методами определения свинца являются атомно-абсорбционная спектроскопия и полярография.

Материальное обеспечение работы

3.1 Оборудование и материалы: полярограф марки ПУ-1 или других марок, обеспечивающих возможность работы в режиме переменного тока; баня водяная; электроплитка бытовая; весы лабораторные общего назначения с наибольшим пределом взвешивания 200 г; весы лабораторные общего назначения с наибольшим пределом взвешивания 1 кг; шкаф лабораторный сушильный; линейка чертежная мерительная; эксикатор; ареометры без шара, набор с пределом измерений от 700 до 1840 кг/м³, фильтры обеззоленные диаметром 5,5 см, синяя лента.

3.2 Химическая посуда : колбы мерные 25, 50, 100 и 1000см³; колбы конические 10, 25 250 см³; пробирки мерные 10, 15; пипетки 1, 5, 10 мл; воронки делительные 250, 500 см³; цилиндры 10, 25, 50 и 100см³; чашка выпарительная фарфоровая №4 или 5.

3.3 Химические реактивы: вода бидистиллированная, вода дистиллированная, хлороформ, дитизон растворы в хлороформе 0,01;0,30; 0,20 и 1,00 г/дм³; тимоловый синий4 калия гидроокись гранулированная и раствор 600 г/дм³; кальций хлористый 2-водный; кислота азотная плотностью 1,40 г/см³ и разбавленная бидистиллированой водой (1:1) и (1:2); кислота лимонная; кислота ортофосфорная поплотностью 1,72 г/см³, разбавленная бидистиллированной водой (1:3); кислота соляная плотностью 1,19 г/см³, разбавленная бидистиллированной водой (1:1) и раствор с(НС1) = 0,2 моль/дм³; кислота хлорная, плотностью 1,50 г/см³; натрия гидроокись гранулированная и раствор с (NaOH) = 0,02 моль/дм³; пирогаллол А раствор 250 г/дм³; азот газообразный или другой инертный газ с массовой долей кислорода не более 0,001%; аммиак водный; аммоний лимоннокислый двузамещенный или аммоний лимоннокислый по раствор 200 г/дм³; ртуть; свинец азотнокислый.

3.4 Сырьё: консервы рыбные, плодоовощные консервы, фасованные в металлическую тару.

4. Порядок проведения работы

При подготовке к выполнению измерений должны быть проведены следующие работы: отбор пробы, минерализация и приготовление анализируемого раствора, подготовка электродов к работе, сборка электрохимической ячейки.

При проведении анализа особые требования предъявляют к лабораторной посуде, химическим реактивам и барботирующей ячейку смеси газов.

4.1 Подготовка лабораторной посуды

Лабораторную стеклянную посуду промывают хромовой смесью, водой, азотной кислотой плотностью 1,40 г/см³, несколько раз дистиллированной и дважды бидистиллированной водой и высушивают. Затем промывают раствором дитизона 0,01 г/дм³. Даже при незначительном изменении окраски проводят несколько раз обработку дитизоном: заполняют посуду раствором дитизона 0,30 г/дм³ и выдерживают каждый раз по 30 мин, после чего промывают хлороформом и повторяют обработку, используя раствор дитизона 0,01 г/дм³, затемпромывают хлороформом и высушивают на воздухе в вытяжном шкафу.

4.2 Подготовка газов

Очистка инертного газа от кислорода. При наличии примеси кислорода более 0,001% газ пропускают через поглотительную смесь, состоящую из растворов пирогаллола и гидроокиси калия в соотношении 1:5. Аммиак очищают методом изотермической перегонки. На дне эксикатора помещают несколько кусочков гидроокиси калия или натрия и приливают 500 см³ водного аммиака, а на фарфоровой сетке устанавливают выпарительную чашку с 250 см³ бидистиллированной воды. Эксикатор закрывают крышкой и оставляют на 5 сут. В чашке получают очищенный раствор аммиака концентрации от 130 до 150 г/дм³. Концентрация аммиака в растворе уточняется на основе измеренных ареометром показателей плотности.

4.3 Приготовление фоновых электролитов.

Фоновый электролит А - смешанный раствор ортофосфорной кислоты с (НзР0₄) =1,3 моль/дм³ и хлорной кислоты с(НСl0₄) = 0,7 моль/дм³: смешивают разбавленные ортофосфорную, хлорную кислоту и бидистиллированную воду в соотношении 3:2:5. Используют при анализе мяса, мясопродуктов; мяса птицы, яиц и продуктов их переработки; молочных продуктов; желатина; мясных, мясорастительных и плодоовощных консервов и пива; кондитерских изделий.

Фоновый электролит Б -- раствор соляной кислоты с(НС1) 0,1 моль/дм³: отмеривают пипеткой 8,2 см³ соляной кислоты плотностью 1,19 г/см³ в мерную колбу вместимостью 1000 см³ и доводят бидистиллированной водой до метки.

Используют при анализе мяса, мясопродуктов; мяса птицы, яиц и продуктов их переработки; желатина; виноматериалов, хлеба и хлебобулочных изделий.

Фоновый электролит В - раствор соляной кислоты с(НС1) = = 0,4 моль/дм³: отмеривают цилиндром 33 см³ кислоты плотностью 1,19 г/см³ в мерную колбу вместимостью 1000 см³ и доводят до метки бидистиллированной водой.

Используют при анализе зерна и продуктов его переработки: хлеба, хлебобулочных и кондитерских изделий.

4.4 Приготовление стандартных растворов

Приготовление основного раствора свинца. Свинец азотнокислый перекристаллизовывают и высушивают при 104 ± 1°С до постоянной массы. 1,599 г высушенной соли растворяют в небольшом объеме бидистиллированной воды и количественно переносят в мерную колбу вместимостью 1000 см³. В колбу добавляют 5 см³ азотной кислоты плотностью 1,40 г/см³ и доводят объем раствора до метки бидистиллированной водой. Стандартные растворы необходимой концентрации готовят последовательным разбавлением в 10, 100 и 1000 раз основного раствора свинца.

Приготовление контрольного раствора.

Проверяют каждую новую партию реактивов и готовят аналогично приготовлению испытуемого раствора, используя все реактивы и растворы. Если контрольный раствор содержит измеримое количество свинца, его готовят ежедневно при каждой серии измерений.

Приготовление испытуемого раствора. При использовании фонового электролита А приготовленную золу растворяют в тигле при нагревании на водяной бане в 5 см³ разбавленной азотной (1:2) кислоты. Раствор выпаривают до влажных солей. К осадку в тигле добавляют 2 см³ разбавленной хлорной кислоты и нагревают на водяной бане в течение 5 мин. Раствор охлаждают, добавляют 3 см³ разбавленной ортофосфорной кислоты и 3 см³ бидистиллированной воды, тщательно перемешивают и дают отстояться осадку. Раствор фильтруют в мерную пробирку через обеззоленный фильтр, предварительно промытый фоновым электролитом. Тигель и фильтр смывают бидистиллированной водой, доводя объем до 10 см³.

При использовании фонового электролита Б, растворяют золу в тигле при нагревании на электроплитке в 5 см³ разбавленной (1:1) соляной кислоты, раствор выпаривают на электроплитке до объема около 1 см³ и затем досуха на водяной бане. Осадок растворяют при нагревании на водяной бане в 5 см³ фонового электролита, охлаждают и фильтруют в мерную пробирку через обеззоленный фильтр, предварительно промытый фоновым электролитом, смывают тигель и фильтр фоновым электролитом и доводят объем раствора до 10 см³.

При использовании фонового электролита В золу растворяют в тигле в 8 см³ фонового электролита, внося его порциями по 2 см³ и перемешивая стеклянной палочкой. После полного растворения золы раствор фильтруют через обеззоленный фильтр, предварительно промытый фоновым электролитом, в мерную пробирку, смывают тигель и фильтр тем же раствором и доводят объем до 10 см³.

Предварительное экстракционное выделение свинца используют в тех случаях, когда при полярографировании испытуемых растворов не удается получить четкий пик свинца в связи с возникновением помех вследствие присутствия в золе мешающих элементов.

При анализе всех продуктов, кроме молока и молочных продуктов, полученную золу растворяют в тигле при нагревании на водяной бане в 5 см³ разбавленной (1:2) азотной кислоты. Раствор охлаждают, добавляют 25 см³ бидистиллированной воды и 2 г лимонной кислоты. После растворения лимонной кислоты добавляют 1 см³ раствора тимолового синего и доводят рН примерно до 8,8 медленным добавлением аммиака при охлаждении пробы в ледяной бане. Цвет раствора должен измениться от красного через желтый до зеленовато-синего. Если при подщелачивании раствором аммиака образуется осадок, увеличивают количество добавляемой лимонной кислоты. Раствор количественно переносят в делительную воронку вместимостью 250 или 500 см³ и, смывая несколько раз тигель бидистиллированной водой, доводят объем до величины около 150 см³.

Свинец несколько раз экстрагируют раствором дитизона порциями по 5 см³ до прекращения изменения цвета, встряхивая в делительной воронке каждый раз по 2 мин. Сначала используют раствор дитизона концентрации 1 г/дм³, затем - 0,2 г/дм³.

Дитизоновые экстракты собирают в делительной воронке, промывают 50 см³ бидистиллированной воды и переносят в другую делительную воронку. Водный слой промывают 5 см³ хлороформа и добавляют хлороформ к объединенным дитизоновым экстрактам.

В делительную воронку с дитизоновыми экстрактами добавляют 30 см³ 0,2 моль/дм³ раствора соляной кислоты, встряхивают в течение 2 мин и оставляют до разделения слоев. Дитизоновый раствор в хлороформе отбрасывают.

Оставшийся в делительной воронке раствор соляной кислоты промывают 5 см³ хлороформа. Хлороформ отбрасывают. Раствор фильтруют в тигель через обеззоленный фильтр, предварительно промытый раствором соляной кислоты концентрации 0,2 моль/дм³. Делительную воронку и фильтр смывают два раза бидистиллированной водой порциями по 10 см³. Промывные воды присоединяют к раствору соляной кислоты, выпаривают на электроплитке при слабом нагреве до объема около 1 см³ и затем досуха на водяной бане. Остаток растворяют в 10 см³ фонового электролита Б.

При анализе молока и молочных продуктов золу растворяют в тигле при нагревании на водяной бане в 7 см³ разбавленной (1:2) азотной кислоты. Раствор охлаждают, добавляют 13 см³ бидистиллированной воды и количественно переносят его в делительную воронку вместимостью 500 см³, смывая несколько раз тигель бидистиллированной водой. Добавляют 20 см³ раствора лимоннокислого аммония, 1 см³ раствора тимолового синего и доводят рН примерно до 8,8 медленным добавлением аммиака. Цвет раствора должен измениться от красного через желтый до зеленовато-синего. Свинец экстрагируют дитизоном и обрабатывают пробу.

4.5 Методика выполнения измерений

Измерения проводят на полярографе в режиме переменного тока с ртутно-капельным электродом в электролизере вместимостью 5см³. Полярограмму записывают при напряжении от минус 0,4 до минус 0,8 В относительно донной ртути, выбирая режим работы в соответствии с инструкцией к полярографу.

Прямое полярографирование используют в тех случаях, когда массовая доля свинца в пробе обеспечивает получение четкого пика металла на полярограмме, а состав элементов в золе не создает помех.

Определение проводят следующим образом. В две конические колбы вместимостью 10 или 25 см³ помещают по 4 см³ контрольного или испытуемого раствора. В первую колбу добавляют 1 см³ соответствующего фонового электролита или бидистиллированной воды (при работе с фоновым электролитом А) и пропускают через раствор азот или любой другой инертный газ в течение 10 мин.

Раствор немедленно переносят в электролизер, предварительно промытый дистиллированной водой, фоновым электролитом и полярографируемым раствором, полярографируют и измеряют высоту пика свинца.

Во вторую колбу вносят добавку -- стандартный раствор в таком количестве, чтобы высота пика свинца на полярограмме примерно удвоилась по сравнению с первоначальной. Добавку следует вносить в малом объеме (не более 1 см³), чтобы предотвратить изменение концентрации фонового электролита и зольных элементов. Затем в колбу добавляют фоновый электролит или бидистиллированную воду (при работе с фоновым электролитом А) в объеме, необходимом для доведения его до 5 см³. Пропускают инертный газ, полярографируют в тех же условиях и измеряют высоту пика свинца.

Определение проводят следующим образом. В две конические колбы вместимостью 10 или 25 см³ помещают по 4 см³ контрольного или испытуемого раствора и добавляют минимальное количество свинца (0,2 -- 0,5 мкг), которое обеспечило бы получение на полярограмме четкого пика свинца (рис.1 ) Далее поступают аналогично предыдущему испытанию.

Полярографирование с предварительным внесением свинца в испытуемый раствор используют при анализе образцов с низкой массовой долей свинца или в тех случаях, когда на полярограмме вследствие помех из-за сложного элементарного состава золы наблюдается только нечеткий изгиб в области пика свинца.

Рис. 20 Полярограмма одного из исследуемых образцов (компот абрикосовай), где пик 1 - содержание свинца в пробе, пик 2 - содержание свинца в пробе с добавкой.

4.6 Обработка результатов эксперимента

Массовую долю свинца (X) (мг/кг) или массовую концентрацию (X) в мг/дм³ вычисляют по высоте пиков, измеренных на подпрограммах с помощью линейки с точностью до 1 мм, соответственно по формулам при прямой полярографировании

, (1)

(2)

при полярографировании с предварительным внесением свинца в полярографируемый раствор

, (3)

, (4)

где m_i -- масса свинца, добавленного перед вторым полярографированием, мкг;

m -- масса свинца в контрольном растворе, мкг;

m₁ -- масса навески продукта, взятая для озоления, г;

Mi -- масса свинца, предварительно добавленная для получения четкого пика свинца, мкг;

Н -- высота пика свинца, полученного при первом полярографировании, мм;

Н₂, -- высота пика свинца, полученного при втором полярографировании, мм;

v₀ -- общий объем испытуемого раствора, приготовленного из озоленной навески, см³;

Vi -- объем испытуемого раствора, взятого для полярографирова-ния, см³;

V -- объем продукта, взятый для озоления, см³.

Вычисление производят до третьего десятичного знака. За окончательный результат принимают среднее арифметическое результатов (X) двух параллельных определений, допускаемое расхождение между которыми не должно превышать при Р = 0,95 30% по отношению к среднему арифметическому. Окончательный результат округляют до второго десятичного знака.

Минимальная концентрация свинца, определяемая указанным методом, составляет 0,06 мкг в см³ полярографируемого раствора.

5. Отчёт о работе

5.1 Название работы

5.2 Цель работы

5.3 Нарисовать структурную схему установки

5.4 Коротко описать методику проведения анализа

5.5 Обработать результаты анализов

5.6 Сделать заключение о полученных результатах

6. Контрольные вопросы

6.1 На чем основан принцип действия полярографа?

6.2 Как провести подготовку проб и калибровочных растворов?

6.3 Как посчитать концентрацию свинца по результатам проведённых экспериментов?

6.4 Почему необходимо постоянно контролировать содержание свинца в пищевых продуктах?

6.5 Почему предъявляются высокие требования к чистоте лабораторной посуды и барботирующих ячейку газов?

5.16 Определение массовой доли йода в пищевых продуктах и сырье методом прямой переменно-токовой полярографии и инверсионной переменно-токовой вольтамперометрии

1. Цель работы: изучить устройство и принципы работы вольтамперометрического анализатора, отработать методику определения массовой доли йода в предложенных образцах пищевых продуктов.

2. Общие теоретические сведения.

Предлагаемый метод основан на применении прямой переменно-токовой полярографии (в диапазоне от 0,2 до 50 мг/дм йода в анализируемом растворе пробы иинверсионной переменно-токовой вольтамперометрии (в диапазоне от 0,002 до 0,2 мг/дм ) по 3-х электродной схеме измерения аналитического сигнала на стационарном электроде (в виде висящей ртутной капли) в предварительно подготовленных пробах. В основе метода прямой переменно-токовой полярографии лежит определение величины тока (I_k) окисления металлической ртути до иона ртути(1⁺) с образованием Hg₂J₂, имеющего вид пика на вольтамперограмме:

2J + Hg₂ ²⁺ > Hg₂I₂

Потенциал пика имеет значение 260 40 мВ. Высота (площадь) пика пропорциональна концентрации ионов йода ( J) в растворе.

В основе метода инверисионной переменно-токовой вольтамперометрии лежит определение величины (I_k) восстановления ионов ртути (1+) до металлической ртути с образованием Hg₂ ⁺² , имеющего вид пика на вольтамперограмме:

тока восстановления ионов ртути (1+) до металлической ртути с

Hg₂J₂ > 2J + Hg₂²⁺

Потенциал пика имеет значение минус 300 50 мВ. Высота (площадь) пика пропорциональна концентрации ионов йода ( J) в растворе.

Измерение массовой концентрации ионов йода в пробах пищевых продуктов и сырья проводят после минерализации пробы и перевода всех видов ионов йода в ион йода (J). Анализ проводят по методу добавки стандартного раствора йода (J).

Анализатор вольтамперометрический Экотест-ВА предназначен для определения количественного содержания электрохимически активных элементов и веществ при анализе проб воды, водных растворов или экстрактов, полученных из различных материалов, медицинских препаратов, продуктов питания и т.д.

5. Материальное обеспечение работы.

6. Оборудование и материалы: вольтамперометрический анализатор “Экотест-ВА”, весы аналитические, весы лабораторные, разновесы, электроплитка, сушильный шкаф, муфельная печь, центрифуга лабораторная, щипцы тигельные, мешалка магнитная.

4.1 Посуда лабораторная: колбы мерные 25, 50, 100, 200, 250, 500, 1000 см³; цилиндры мерные с носиком 25, 50, 100 см³; пипетки градуированные 0,1; 1; 2,5 см³; пробирки центрифужные мерные 10, 20 см³; пробирки мерные лабораторные 10, 20 см³; воронки лабораторные; колбы плоскодонные емкостью 50, 100, 250, 500, 750, 1000 см³ ; стаканы стеклянные с носиком и без носика 50, 100, 150, 250 см³; стаканы термостойкие 1000 см³; чашки выпарительные фарфоровые 100 см³; тигли фарфоровые.

4.2 Химические реактивы: стандартный образец водного раствора йода (1г/дм³), калий углекислый, калий азотнокислый, калия гидроокись, кислота азотная, спирт этиловый, фильтры обеззоленные, бумага фильтровальная.

4.3 Сырье: хлеб йодированный, соль йодированная, морская капуста.

5. Порядок проведения работы.

При подготовке к выполнению измерений должны быть проведены следующие работы: отбор пробы, минерализация и приготовление анализируемого раствора пробы, подготовка электродов и анализатора “Экотест - ВА” к работе, сборка электрохимической ячейки и запуск программы выполнения измерений.

5.1 Устройство и принцип действия проибора “Экотест- ВА”.

Анализатор вольтамперометрический “Экотест - ВА” состоит из вольтамперометрического преобразователя (ИП), JBM - совместного персонального компьютера с установленным пакетом программ (ПК) и электрохимической ячейки, содержащий стеклоуглеродный рабочий микроэлектрод (ЭР), электрод сравнения (ЭС), электрод вспомогательный (ЭВ), штатив лабораторный (ШЛ), стакан химический .

ИП подключается к ПК с помощью соединительного кабеля через интерфейс RS - 232 C и к электрохимической ячейке с помощью стандартных разъемов типа BNC и RS. На передней панели ИП расположены разъемы для подключения электродов (“Раб.”, “Сравн.”, “Всп.”) и индикаторный светодиод, сигнализирующий о состоянии прибора. На задней панели ИП расположены разъёмы для подключения кабеля источника питания и соединительного кабеля для подключения к компьютеру (рис.21)

Рис.21 Структурная схема анализатора “Экотест - ВА”: 1 - электрохимическая ячейка; 2 - измеритель тока; 3 - цифроаналоговый преобразователь; 4 - аналого-цифровой преобразователь; 5 - центральный процессор; 6 - постоянное запоминающее устройство; 7- оперативное запоминающее устройство; 9 - блок управления мешалкой

Методика проведения пробоподготовки.

5.1.1 Пробы пищевого сырья и продуктов отбирают в соответствии с нормативными документами на данный вид сырья, продукта или напитка.

5.1.2 Минерализация твердой и пастообразной пробы.

Навеску пробы массой 20,01г помещают в фарфоровую чашку №3, предварительно прокаленную в муфельной печи при 600 С в течение 3-4 часов, смачивают 6 см³ 0,5 М раствором калия углекислого для связывания йода и оставляют на 8-10 часов. После набухания пробы тигель помещают в сушильный шкаф и выдерживают при температуре 100 С до сухого состояния, а затем еще 1 час при 150 - 200 С. После этого тигли с навесками переносят на электроплитку и нагревают при максимальной мощности нагрева до прекращения выделения паров. После окончания выделения паров тигли переносят в муфельную печь и проводят минерализацию при 48020С в течение 1-2 часов. Минерализация считается законченной, если зола стала серого или белого цвета.

Если минерализация прошла не полностью, сухой остаток смачивают 1 см³ 0,5 М раствора калия азотнокислого, вновь помещают в сушильный шкаф и высушивают при температуре 150С в течение 30 минут. После чего тигель с сухим остатком переносят в муфельную печь и прокаливают при температуре 400 20С в течение 30 минут. Операцию минерализации повторяют до полной минерализации пробы.

После окончания минерализации тигель охлаждают до комнатной температуры и золу переносят в центрифужную пробирку с делениями вместимостью 10 см³, смывая ее 4-5 порциями (по 1-1,5см ³) бидистиллированной воды, объем раствора в пробирке доводят до метки бидистиллированной водой и центрифугируют пробу в течение 20 минут при скорости вращения 1500 об/мин.

5.1.3 Минерализация жидких пищевых продуктов.

Фарфоровую чашку №3 предварительно прокаливают при 600С в течение 3-4 часов в муфельной печи. После охлаждения чашку взвешивают на технических весах цилиндром вносят в нее 50 см³ жидкой пробы. Помещают чашку на водяную баню и выпаривают пробу досуха. Взвешивают чашку с сухим остатком на технических весах и рассчитывают массу сухого остатка. Сухой остаток

смачивают 0,5 М раствором калия углекислого из расчета 3 см³ 0,5 М раствора калия углекислого на 1 г сухого остатка и оставляют на 8-10 часов для набухания. Далее все операции повторяются аналогично выше описанным.

5.1.4 Приготовление анализируемого раствора пробы.

Приготовленный раствор минерализованной пробы переносят количественно в стаканчик 50 -100 см³ и вносят в него цилиндром 10 см ³ 1 М раствора калия гидроокиси.

4.3.5. Подготовка контрольной пробы.

Подготовку контрольной пробы проводят аналогично исследуемой, т.е. добавляют те же реактивы, в тех же количествах и последовательности, используя вместо реальной пробы бидистиллированную воду.

4.3.6 Методика проведения анализа.

Метод вольтамперометрического анализа основан на измерении тока, протекающего в цепи электрохимической ячейки, в зависимости от приложенного к ее электродам поляризующего напряжения, зависимость тока от потенциала - вольтамперограмма имеет вид волны - для прямой вольтамперометрии.

Перед анализом должны быть выполнены следующие работы: отбор пробы, минерализация, приготовление анализируемого раствора пробы, подготовка электродов и анализатора к работе, сборка электрохимической ячейки и запуск программы измерений.

4.3.7 Выполнение измерений

При выполнении измерений должны быть выполнены следующие работы: регистрация и обработка вольтамперограмм контрольной пробы, анализируемого раствора пробы и анализируемого раствора пробы с добавкой стандартного раствора ионов йода.

В диапазоне концентраций йода от 0,2 до 5 мкг/дм ³ в анализируемом растворе пробы при выполнении измерений применяют метод переменно-токовой вольтамперометрии (методика йод), в диапазоне концентраций йода от 0,02 до 0,2 мкг/дм ³ в анализируемом растворе пробы при выполнении измерений применяют метод инверсионной переменно-токовой вольтамперометрии (методика “йод-микро”).

В стакан с раствором контрольной пробы, предварительно подготовленной, опускают электроды. На рабочем электроде получают ртутную каплю фиксированного размера. Для этого поворотом барабана электрода подают ртуть до торца капилляра. Затем лимб устанавливают на нулевое положение и поворачивают барабан на двадцать делений лимба. Эта висящая капля используется в качестве рабочего электрода при измерении контрольной пробы, анализируемого раствора пробы и анализируемого раствора пробы с добавкой. Производят запуск, проводят регистрацию и обработку вольтамперограммы контрольной пробы. После обработки вольтамперограммы контрольной пробы проводят регистрацию и обработку вольтамперограммы анализируемой пробы (для анализа берут 20 см³ раствора, заранее приготовленного).

Затем проводят регистрацию и обработку вольтамперограммы анализируемого раствора с добавкой стандартного раствора ионов йода. Для этого в ячейку с анализируемым раствором пробы вносят пипеткой добавку стандартного раствора ионов йода. Объем добавки должен быть таким, чтобы высота пика после внесения добавки увеличилась в 1,5 - 1,7 раза. Общий объем добавленного стандартного раствора не должен превышать 5% от исходного объема раствора в ячейке.

Рис. 22 Вольтамперограма экстракта морской капусты

4.3.8 Обработка результатов измерений.

Концентрацию ионов йода (см,мкг/дм³ ) в анализируемом растворе пробы рассчитывают по формуле:

С_м =(S_х - S_ф)*C_д*V_д / (S - S_х)*V + S*V_{д ,} (1)

...