Метод потенціомерії та газової хроматографї

Хроматографічне розділення у більшості випадків проводиться в ізотермічному режимі - при постійній температурі впродовж всього досліду і по всій довжині колонки. В газових хроматографах для забезпечення ізотермічного процесу колонку поміщають в термостат. У випадку аналізу сумішей, температури кипіння компонентів яких знаходяться в широкому діапазоні, найдоцільніше проводити розділення при поступовій зміні температури за певною програмою - у програмованому режимі. Якщо процес починається при порівняно низьких температурах, то сорбованість більшості компонентів велика і швидкість їх хроматографічних зон в шарі сорбента мала. Із збільшенням температури внаслідок зменшення сорбованості і, відповідно, збільшення швидкості зон із колонки будуть виходити все більш важкі компоненти суміші. Однак у хроматографії з програмуванням температури вибір нерухомих рідких фаз із необхідною термічною стійкістю є обмеженим через застосування високих температур.

2.3 Принцип роботи газового хроматографа

Кожен газовий хроматограф складається з таких блоків (рис 3.1)

1. Блок підготовки газу-носія. Призначення - постачання, очищення, регулювання та вимірювання витрати газу-носія (елюента).

2. Дозатор проби. Призначення - в ведення в потік газу-носія порції аналізованої суміші. Суміш може бути газоподібна, рідка або тверда. В двох останніх випадках вона повинна переводитися в пароодібний стан перед змішуванням з газом-носієм за допомогою електронагріву.

3. Хроматографічні колонки. Призначення - розділення багатокомпонентної суміші на бінарні суміші газу-носія з розділеними компонентами аналізованої суміші.

Матеріал, розміри і форма колонок. Матеріал колонок має бути інертний до речовин, з яких складається проба. Найчастіше їх виготовляють з нержавіючої сталі, міді, алюмінію, латуні, скла, кварца і тефлона. Хроматографічні колонки різних довжин і діаметрів виготовляють із матеріалів, які не взаємодіють з газом-носієм і компонентами проби.

Наповнюють колонки твердими адсорбентами або нерухомими рідкими фазами, адсорбованими на твердих носіях, у заводських умовах із забезпеченням максимальної щільності й рівномірності їх упакування. Колонки застосовують набивні аналітичні (довжиною 20 см-20 м, внутрішнім діаметром 76 3-6 мм, кількістю теоретичних тарілок 500-20 000) і препаративні (довжиною 1-20 м, внутрішнім діаметром 10-100 мм, кількістю теоретичних тарілок 500-10 000), капілярні (довжиною 20-150 м, внутрішнім діаметром 0,25-0,5 мм, кількістю теоретичних тарілок до 1000000). Довжина колонки повинна бути такою, щоб забезпечити необхідне розділення компонентів, і вибирається експериментально. В основному буває достатньо 1-3 м.

Інколи розділення компонентів повинно проходити при підвищених температурах. У цьому випадку блок хроматографічних колонок комплектується системою термостатування.

4. Детектор - пристрій, який перетворює фізико-хімічні властивості речовини, що поступає в нього з хроматографічної колонки, в електричний сигнал. Блок детекторів також обладнується термостатом.

5. Реєстратор - перетворює зміни фізико-хімічних параметрів в електричний сигнал, величина і форма якого реєструються на стрічці самописця або в сучасному варіанті - на моніторі комп'ютера. Прилад повинен бути забезпечений відповідним електрометричним підсилювачем, що забезпечує отримання на виході електричного сигналу, пропорційного концентрації обумовленого компонента в газі-носії, що виходить з колонки.

6. Система термостатування - служить для установки і підтримування робочих температур термостатів колонок (до 350 ° С), випарника, детектора та інших вузлів хроматографа.

Потік газу-носія, що пройшов стабілізацію і очищення від води та вуглеводнів в блоці підготовки (1), через пристрій для введення проби (2) вводиться досліджувана суміш (газоподібна проба подається через газовий кран-дозатор, а рідка - мікрошприцом через випарник). Потік газу-носія переносить суміш речовин проби в хроматографічну колонку (3), де здійснюється їх розділення за рахунок багаторазового повторювання процесів сорбції компонентів суміші з потоку сорбентом і десорбції їх в потік свіжої порції газу-носія. Ефект розділення досягається за рахунок різної швидкості руху компонентів вздовж колонки, яка зумовлена різними сорбційними властивостями складових аналізованої суміші.

Внаслідок цього з хроматографічної колонки послідовно виходять бінарні суміші газу-носія та окремих компонентів проби, що розділені проміжками практично чистого газу-носія, які далі потрапляють в детектор (4). Детектор фіксує залежність фізичних властивостей суміші (теплопровідність, електропровідність, поглинання світла і т.д.) від концентрації компонентів. Електричний сигнал детектора зображується у вигляді хроматограми за допомогою реєстраційного пристрою (5) (самописець, комп'ютер).

Розглянута схема типова для звичайного газового хроматографа, використовуваного в кількісному аналізі, проте газовий хроматограф може мати набагато більш складну схему, що містить кілька колонок і детекторів, що включає автоматичні пристрої для підготовки та дозування проби.

Конструкція газових хроматографів забезпечує етапу швидкість подачі газу- носія та сталу або змінну за певною програмою температуру колонки.

Для виконання газохроматографічного аналізу хроматограф спочатку виводять на сталий режим роботи, створенням сталої швидкості подачі газу- носія в колонку, певної її температури, а також стабільності подачі необхідних газів у детектор. Потім за допомогою шприца вводять пробу. При цьому температура дозатора-випарника має забезпечувати практично миттєвий перехід проби з рідкого стану в пароподібний. При проходженні газу-носія крізь колонку компоненти проби у вигляді окремих зон потрапляють в елюат і на екрані комп'ютера реєструються відповідні криві елюювання. Якісний і кількісний аналіз виконують на основі кривих елюювання.

Введення проби, дозатори. Пробу можна вводити вручну за допомогою шприца у дозатор-випарник шляхом "проколу" гумової або іншої еластичної прокладки або пробовідбірником (автосамплером) - пристроєм, який сам відбирає і вводить пробу. Введення проби автосамплером забезпечує вищу ефективність (нерозмивання проби на вході в колонку) і автоматизацію аналізу. Дозатор (інжектор) - посудина з мембраною, з'єднана з початком колонки.

Газоподібна (1-6 см3) або рідка (0,5-20 мкл) проба вводиться за допомогою шприца чи дозатора спеціальної конструкції - багатоходового крана з "петлею", який дозує пробу відповідно до об'єму "петлі". Дозатор-випарник нагрівається до температури, при якій рідка проба повністю випаровується. Тому температура дозатора перевищує температуру колонки. Дозатори спеціальних конструкцій забезпечують випарювання твердих проб. Радіоактивні речовини вводять у запаених ампулах, які розбиваються в дозаторі.

У разі роботи з капілярною колонкою, коли проба має бути дуже малою, до дозатора приєднують дільник потоку, за допомогою якого значна частина проби викидається в атмосферу.

Крім цих загальних основних елементів додаткове оснащеня газового хроматографа визначається його призначенням: він може служити як універсального аналітичного приладу, для вивчення фізико-хімічних величин, як універсального аналітичного аналізатора для контролю за складом сумішей і для регулювання виробничого процесу або в якості аналізатора елементного складу органічних сполук.

У всіх випадках для надійного функціонування приладу необхідно підбирати відповідні гази, параметри електричної схеми, насадкові або капілярні колонки, пристосування для закріплення колонок в термостаті і пристрої для відбору та внесення проб в дозатор.

2.4 Практичне значення газового хроматографа в харчовій промисловості

Серед різноманітних хроматографічних методів газова і високоефективна рідинна хроматографія є найбільш перспективними для вирішення складних завдань у практиці харчового аналізу.

Так, до числа завдань, які можуть бути дозволені у харчовому аналізі за допомогою цих методів, входять:

- Визначення хімічної природи речовин, які обумовлюють характерний аромат свіжих продуктів;

- Контроль за станом продуктів у процесі обробки та зберігання;

- Об'єктивна оцінка показників, що характеризують якість вихідної сировини і готових виробів з нього;

- Встановлення та усунення причин, що викликають небажані зміни продуктів у процесі їх виготовлення;

- Встановлення факту фальсифікації продукту та інші.

Методами ГХ і ВРХ ідентифікують і визначають леткі речовини, що беруть участь у формуванні смаку і аромату багатьох харчових продуктів або відповідають за їх псування. Наприклад, визначають леткі жирні кислоти, характерні для якісного м'яса; або кислоти, які утворюються при зміні нормального процесу бродіння квашеної капусти і обумовлюють сторонні відтінки її запаху. Методи використовуються для визначення нікотину, нітрозаміни (в рибі і копчених продуктах); харчових добавок (барвники, консерванти, антиокиснювачі); забруднювачів навколишнього середовища (пестициди, афлатоксини, залишки лікарських препаратів, вітаміни) та ін.

Дуже цінними є методи ГХ і ВРХ у встановленні фактів фальсифікації споживчих товарів. Так, жовтий барвник у макаронних виробах може створити враження про високу вартість продукту. Наявність такого барвника можна підтвердити методом ВЖХ. Визначення антоціанів та глікозидів, що відповідають за колір вина, дозволяє виявити натуральність вина. Підробки коньяку також можна розпізнати за допомогою ГХ.

Методом ВРХ ідентифікують і визначають небілковий азот, наприклад, сечовину, яку додають при фальсифікації білкових продуктів з метою збільшення азотистих речовин. Виявлення амінокислоти оксипроліну, присутньої, головним чином, в білках сполучної тканини, тобто в дешевій сировині, дозволяє виявити факт заміни їм повноцінного білка м'яса. Жири, що визначаються за трігліцерідному складу методом ГХ, можуть дати інформацію про кількість жиру і добавках стороннього жиру. За визначенням жирно-кислотного складу можна зробити висновок про заміну какао-масла гідрожіром в шоколаді і т.п.

3. Визначення масової частки вологи в батоні

Вода - важлива складова харчових продуктів, присутня в різноманітних рослинних і тваринних продуктах, обумовлюючи консистенцію і структуру. Вода впливає на зовнішній вигляд, якість, смак та стійкість продукту при зберіганні. Завдяки фізичній взаємодії з білками, полісахаридами, ліпідами і солями, вода вносить значний внесок у структуру їжі.

Вологістю називають вміст води у продукті. Масова частка вологи W - це відношення маси вологи до маси наважки продукту, виражене у відсотках. Масова частка вологи в харчових продуктах змінюється в широких межах, % (таблиця 1).

За різницею між масою продукту та масою води можна знайти вміст сухих речовин у продукті.

Від кількості вологи залежить харчова та енергетична цінність виробів. Підвищення масової частки вологи у продукті призводить до зменшення в ньому кількості сухих речовин на одиницю маси. Надлишок вологи стимулює розвиток мікроорганізмів, прискорює ферментативні, біохімічні та хімічні процеси.

· метод прискореного висушування;

· метод висушування у вологомірі MB23 Ohaus.

· метод висушування в приладі Чижової (експрес-метод);

· метод висушування до сталої маси;

Під впливом теплоти під час висушування видаляється волога та одночасно дека кількість сухих речовин в результаті розпаду органічних сполук під дією високої температури. Поруч з цим у харчовому продукті який висушується можуть протікати Оксині та гідролітичні процеси, в наслідок чого, збільшується вага наважки.

3.1 Визначення масової частки вологи у сипких продуктах прискореним методом висушування

Установки, прилади, лабораторний посуд, реактиви: зразок продукту, технічні ваги, ексикатор, лопатка або шпатель, бюкси алюмінієві, сушильна шафа СЕШ-3, годинник, термометр, тигельні щипці.

Порядок виконання роботи.

Проведення випробувань. У дві попередньо висушені та зважені бюкси беруть наважки дослідного зразка масою по 5 г зважені з похибкою ± 0,01 г. Бюкси з наважками розміщують в сушильній шафі СЕШ-3, температура якої 140…145 °С, кришки бюкс повинні бути відкритими та підкладені під дно. Температура під час цього швидко знижується (нижче 130 °С).

Протягом 10…15 хв її доводять до 130 °С та за цієї температури продовжують висушування протягом 40 хв. Потім бюкси тигельними щипцями виймають, накривають кришками, охолоджують в ексикаторі протягом 20…30 хв та зважують.

Масову частку вологи W, %, розраховують за формулою (2.1):

m₀ - маса бюкси без наважки, г;

m₁ - маса бюкси з наважкою до висушування, г;

m₂ - маса бюкси з наважкою після висушування, г.

Одержані результати заносять в таблицю 2.4.

Розбіжність між двома паралельними визначеннями не повинна перевищувати 0,5 %. За масову частку вологи приймають середнє арифметичне двох паралельних визначень, яке розраховують з точністю до другого десяткового знака.

Опрацювання результатів

Розраховуємо масову частку вологи для кожного з досліджуваних зразків за формулою (2.1):

m₀ - маса бюкси без наважки, г;

m₁ - маса бюкси з наважкою до висушування, г;

m₂ - маса бюкси з наважкою після висушування, г.

Одержані результати заносять в таблицю 2.4.

Обчислення похибки вимірювань.

Проведемо статистичне опрацювання результатів при Р=0,95.

1. Спочатку перевіряємо присутність грубої похибки. Розташуємо результати у порядку їх зростання: 35,29; 35,31; 35,51; 35,56; 35,63; 35,71%.

З одержаних значень 35,71% викликає сумнів. Перевіряємо його за Q-критерієм:

Qр=(35,71-35,63)/(35,71-35,29)=0,19.

При n=6 знаходимо Qтабл = 0,56.

Розрахункове значення менше за табличне, тому величина 36,1% не є грубою похибкою.

2. Знаходимо середнє значення:

3. Знаходимо абсолютну похибку визначення:

?

?%

?

4. Визначаємо дисперсію :

;

5. Стандартне відхилення середнього результату:

0,045.

6. Довірча похибка:

Ep=tp·S

7. Довірчий інтервал становить 35,6 ± 0,12

8. Розраховуємо точність аналізу:

? =

3.2 Визначення масової частки вологи експресним методом висушування

Установки, прилади, лабораторний посуд, реактиви: зразок продукту, технічні ваги, ексикатор, лопатка або шпатель, годинник, термометр, тигельні щипці, ножиці, лінійка, папір газетний, прилад Чижової.

Порядок виконання роботи.

Підготовка до випробувань. Для швидкого видалення вологи використовують сушіння в інфрачервоних променях, які сприймаються не тільки поверхнею, але й проникають в продукт на глибину до 2…3 мм, що зумовлює його інтенсивне прогрівання. Одним з джерел інфрачервоних променів можуть бути нагріті металеві поверхні, які дають опромінення в діапазоні довжин хвиль 0,76…343 нм.

Експрес-метод визначення масової частки вологи передбачає використання для висушування паперових пакетів та приладу Чижової (ВНИИХП). Попередньо вирізають з газети квадрати розміром 16х16 см, складають їх по діагоналі та загинають бокові сторони (рис. 2.4.).

Проведення випробувань. Підготовлені 2 пакети просушують у приладі Чижової за температури 160 °С протягом 3 хв, охолоджують в ексикаторі 3 хв та зважують. Далі їх розкривають та поміщають в них наважки досліджуваного зразку по 5 г, кожна з похибкою не більше 0,01 г (проводять два паралельних визначення). Пакети закривають та розміщують у приладі для висушування за температури 160 °С на 4 хв. Після висушування пакети охолоджують в ексикаторі, зважують та за різницею маси наважки до та після висушування розраховують масову частку вологи за формулою (2.1).

Одержані результати заносять в таблицю (2.5).

Розбіжність між двома паралельними визначеннями не повинна перевищувати 1 %.

Обчислення результатів

Розраховуємо масову частку вологи для кожного з досліджуваних зразків за формулою (2.1):

Обчислення похибки вимірювань.

Проведемо статистичне опрацювання результатів при Р=0,95.

1. Спочатку перевіряємо присутність грубої похибки. Розташуємо результати у порядку їх зростання: 36,12; 36,24; 36,31; 36,37; 36,49; 36,80%.

З одержаних значень 36,80% викликає сумнів. Перевіряємо його за Q-критерієм:

Qр=(36,80-36,49)/(36,80-36,12)=0,46.

При n=6 знаходимо Qтабл = 0,56.

Розрахункове значення менше за табличне, тому величина 36,80% не є грубою похибкою.

2. Знаходимо середнє значення:

3. Знаходимо абсолютну похибку визначення:

?

?%

?

4. Визначаємо дисперсію :

;

5. Стандартне відхилення середнього результату:

0,029.

6. Довірча похибка:

Ep=tp·S

7. Довірчий інтервал становить 36,39 ± 0,075

8. Розраховуємо точність аналізу:

? = .

3.3 Метод висушування у вологомірі MB23 Ohaus

Установки, прилади, лабораторний посуд, реактиви: вологомір MB23 Ohaus.

Порядок виконання роботи.

Проведення випробувань.

Після того як вологомір буде увімкнено слід встановити температуру сушіння на рівні 100...105 єС і тривалість висушування - 55 хв. Слід встановити тримач з порожньою чашкою на опору чашки, натиснути „Тарування" (щоб вирахувати масу порожньої чашки). Вийміть чашку і помістіть в неї аналізований зразок масою 5 г, рівномірно розподіляючи зразок по поверхні. Чашку із зразком встановлюють на опору чашки. На дисплеї з'явиться виміряне значення маси наважки, яку слід занотувати. Закриваємо кришку камери, натискаємо кнопку „Пуск” для початку виконання вимірювання вологи подукту. Під час процесу висушування кожну хвилину слід знімати показники вологоміра та занотовувати їх для побудови графіка ( На осі Ох - значення температури t?C, на осі Оу - значення маси m аналізованого продукту, г). Занесемо отримані дані в таблицю (2.6). Кінцем процесу висушування вважаємо час коли не спостерігаємо зміни маси наважки у вологомірі.

Вологість продукту W виражається у відсотках і розраховується за формулою (2.2):

де m₃ - маса наважки продукту до висушування, г;

m₄ - маса наважки продукту після висушування, г.

Опрацювання результатів

Виходячи з отриманих значень в ході досліду (таблиця 2.6), виконаємо побудову графіка (рис 2.7).

Розраховуємо масову частку вологи для кожного з досліджуваних зразків за формулою (2.2):

W=5.12-3.28/5.12=36.04,%

Висновок

Методи газової хроматографії та потенціометрії («електронний язик») є одними з найсучасніших методів аналізу. Суттєвим перевагами їх використання є експресність, висока точність, чутливість, можливість автоматизації. За допомогою цих методів може бути вирішено багато проблем з питань якості та безпеки харчової продукції. Слід зазначити, що вони безперервно розвиваються і вдосконалюються. Розширюються і межі застосування даних методів в різних областях науки і техніки.

Провівши визначення масової частки вологи в готовому продукті (батон) методами прискореного висушування, висушування у вологомірі MB23 Ohaus, висушування в приладі Чижової (експрес-метод) та проаналізувавши отримані результати, було встановлено, що аналізований зразок за вмістом вологи відповідає нормативній документації, що свідчить про дотримання правил і вимог при його виготовленні на підприємстві, під час зберігання та транспортування, а тому за даним критерієм він є цілком придатним до споживання.

Список використаної літератури

1. Аналітична хімія: Оптичні та електрохімічні методи аналізу: Навч. посіб./Є.Є. Костенко, В.Г. Дроков, М.Г. Христіансен та ін.: К.: НУХТ, 2009. 283 с.

2. Аналитическая химия и фызико химические методы анализа. В 2 т. Т. 1 учеб. для студ. учреждений. высш. проф. образования /[Ю.М. Глубоков и др. ; под. ред. А.А. Ищенко. 2изд, испр. М,: Издательский центр «Академия», 2012. 352 с. (Сер. Бакалавриат).

3. Аналитическая химия. В 2 ч. Ч. 2. Физико-химические методы анализа: Учеб. для химико-технол. спец. Вузов. М.: Высш. шк., 1989. 384 с.: ил.

4. Царев H.И., Царев В.И., Катраков И.Б. Практическая газовая хроматография: Учебно-методическое пособие для студентов химического факультета по спецкурсу «Газохроматографические методы анализа». Барнаул: изд-во Алт. ун-та, 2000. 156 с.

5. Хроматографічні методи аналізу: навч. посіб./Федорченко Софія Володимирівна, Курта Сергій Андрійович. Івано-Франківськ: Прикарп. нац. ун-т ім. В. Стефаника, 2012. 146 с.

6. Основы современного електрохимического анализа: учеб. пособие для вузов./Г.К Будников, В.Н. Майстренко, Н.Р. Вяселев: изд «Мир», 2003. 593 с.

7. Контроль якості та безпечності продукції галузі: Метод. рекомендації до виконан. лаборат. робіт для студ. напряму 6.051701 "Харчові технології та інже- нерія" ден. та заоч. форм навч. / Уклад.: Попова Н. В., Арсеньєва Л. Ю., Мисюра Т. Г., Зав'ялов В. Л., Бодров В. С., Запорожець Ю. В. К.: НУХТ, 2012. 129 с.

8. Электронный язык -- системы химических сенсоров для анализа водных сред/ Режим доступу: http://www.chem.msu.su/rus/jvho/2008-2/101.pdf.

9. Хроматографічні методи аналізу/ Режим доступу: http://intranet.tdmu.edu.ua/.

10. Український електронний язик/ Режим доступу: http://ua.korrespondent.net/tech/science/3443571.

Додатки

Рис 1.1 Градуйований графік для визначення концентрації методом прямої потенціометрії

Рис 1.2 Побудова графіка методом Грана

Таблиця 1.3 Значення параметра R в методі градуювального графіка

Рис. 1.4 Криві потенціометричного титрування: а) - інтегральна крива; б) - диференціальна крива

Рис. 1.5 Вимірювальна схема електронного язика на основі потенціометричних сенсорів

Рис. 1.5 Діючий лабораторний прототип електронного язика на основі потенціометричних сенсорів

Рис. 1.6 Схема «електронного язика», створеного в Україні

Таблиця 2.1

Масова частка вологи у деяких харчових продуктах

Продукт	W, %	Продукт	W, %
м'ясо	65…75	Молоко	87…88
Часник	~ 65	Огірки	~ 90
Хліб	35..50	Мед	~ 20
фрукти, овочі	65…95	маргарин	16..17
Борошно	12…14	кава у зернах	~ 5
цукор білий	0,14…0,15	пиво, соки	87…90
Олія	~ 0,1	сир твердий	~ 37
вершкове масло	16…20	сир м'який	65…80

Таблиця 2.3

Визначення масової частки вологи прискореним методом

зразок продукту	номер бюкси	маса бюкси, г	маса наважки, г	масова частка вологи в продукті, %
		порожньої, висушеної до постійної маси	з наваж-кою до висушування	з наваж-кою після висушування
						досліджу-ваний зразок	Норма за НД
Батон	1	44,87	49,43	47,82	4,56	35,31	35-50
	2	44,69	49,31	47,66	4,62	35,71
	3	44,59	49,39	47,68	4,80	35,63
	4	44,26	49,49	47,63	5,23	35,56
	5	44,74	49,33	47,70	4,59	35,51
	6	44,39	49,51	47,71	5,12	35,29

Рисунок 2.4 Паперові пакети для експрес-методу визначення масової частки вологи

Таблиця 2.5

Визначення масової частки вологи експресним методом

зразок продукту	номер пакету	маса пакетику, г	маса наважки, г	масова частка вологи в продукті, %
		порожнього, висушеної до постійної маси	з наваж-кою до висушування	з наваж-кою після висушування
						досліджу-ваний зразок	норма за НД
Батон	1	1,21	6,53	4,60	5,32	36,37	35-50
	2	1,24	6,50	4,60	5,26	36,12
	3	1,21	6,49	4,54	5,28	36,31
	4	1,20	6,25	4,42	5,05	36,24
	5	1,29	6,36	4,51	5,07	36,49
	6	1,22	6,41	4,50	5,19	36,80

Таблиця 2.6

значення показників приладу

t, хв.	m, г
0	5,12
0,5	5,09
1	4,78
1,5	4,365
2	4,11
2,5	3,915
3	3,755
3,5	3,63
4	3,52
4,5	3,4
5	3,365
5,5	3,345
6	3,325
6,5	3,315
7	3,305
7,5	3,3
8	3,29
8,5	3,285
9	3,28
9,5	3,28
10	3,275

Графік 2.7 Зміна маси зразка протягом 10 хв

Размещено на Allbest.ru

...