Spektrometria w bliskiej podczerwieni - zastosowanie w cukrownictwie. Radosław Gruska Politechnika Łódzka Wydział Biotechnologii i Nauk o Żywności

Transkrypt

1 Spektrometria w bliskiej podczerwieni - zastosowanie w cukrownictwie Radosław Gruska Politechnika Łódzka Wydział Biotechnologii i Nauk o Żywności

2 Spektroskopia, a spektrometria Spektroskopia nauka o powstawaniu i interpretacji widm powstających w wyniku oddziaływań wszelkich rodzajów promieniowania na materię. Spektrometria zajmuje się rejestracją i pomiarami efektów wytwarzania, bądź oddziaływania promieniowania elektromagnetycznego z badaną materią. Jest więc jest częścią spektroskopii. 2

3 Odkrycie podczerwieni Sir Frederick William Herschel, w 1800 roku odkrył promieniowanie poza widzialnym obszarem, nazwane później promieniowaniem podczerwonym (prefix infra oznacza pod ). Eksperyment Herschel a był ważny nie tylko dlatego, że doprowadził do odkrycia promieniowania IR, ale również dlatego, że po raz pierwszy zauważono istnienie formy światła niewidzialnego dla ludzkiego oka. 3

4 Podczerwień 780 nm 1 mm 0,8 2,5 μm bliska podczerwień (Near InfraRed) 2,5 25 μm średnia podczerwień (Middle InfraRed) μm daleka podczerwień (Far InfraRed) 4

5 Promieniowanie, a materia Całkowita energia cząsteczki jest rozdzielona pomiędzy różne rodzaje energii. Rodzaje energii są powiązane z różnymi formami ruchu cząsteczki: Translacyjna Rotacyjna Oscylacyjna Elektronowa 5

6 Promieniowanie, a materia Fale radiowe - zmiana orientacji magnetycznej jąder (Spektrometria NMR). Mikrofale - wzbudzenie rotacji (Spektroskopia mikrofalowa). Promieniowanie podczerwone wzbudza oscylacje atomów (Spektroskopia IR). Promieniowanie widzialne i ultrafioletowe przejścia między poziomami elektronowymi powłoki walencyjnej (Spektroskopia UV- VIS). 6

7 Drgania oscylacyjne cząsteczki wody O-H drganie rozciągające asymetryczne O-H drganie rozciągające symetryczne O-H drganie deformacyjne 7

8 Liczba falowa W spektroskopii liczbą falową nazywa się odwrotność długości fali: ν = 1 λ [ 1 cm = cm 1 ] Przedstawienie widma absorpcji lub widma emisji w jednostkach liczb falowych jest wygodniejsze, ponieważ skala ta jest proporcjonalna do energii i z widm można bezpośrednio odczytać informację o rozkładzie (odległościach w jednostkach energii) stanów elektronowych. 8

9 Transformacja Fouriera dyspersyjny fourierowski 9

10 Transformacja Fouriera 10

11 Podczerwień daleka (FIR) μm W tym obszarze zachodzi absorpcja spowodowana przejściami pomiędzy różnymi poziomami rotacyjnymi w cząsteczce. Zastosowanie: badanie rezonansu sieci kryształów, badanie drgań o niskiej częstotliwości całych zrębów molekularnych białek oraz fragmentów łańcuchów aminokwasowych lub też całych molekuł względem siebie. 11

12 Podczerwień średnia (MIR) 2,5 25 μm ( cm -1 ) cm -1 drgania rozciągające wiązań pojedynczych pomiędzy atomami znacznie różniącymi się masą np. C-H, O-H, N-H, S-H, cm -1 drgania rozciągające wiązań potrójnych C C, C N, cm -1 drgania rozciągające wiązań podwójnych C=C, C=N, N=N, N=O, cm -1 obszar daktyloskopowy Drgania rozciągające wiązań pojedynczych atomów o zbliżonych masach: C-C, C-N, C-O, drgania deformacyjne różnych wiązań, drgania szkieletowe cząsteczki cm -1 drgania deformacyjne poza płaszczyzną wiązań C-H w układach aromatycznych i alkenylowych 12

13 Podczerwień średnia (MIR) 13

14 Podczerwień bliska (NIR) 0,8 2,5 μm ( cm -1 ) Pasma absorpcyjne pochodzą od podstawowych drgań oscylacyjnych dających nadtony i pasma kombinacyjne. W tym regionie występują nadtony drgań rozciągających wiązań: C=O, C-H, N-H, O-H, a więc NIR dotyczy przede wszystkim związków organicznych. 14

15 Podczerwień bliska (NIR) Zalety: niska czułość brak konieczności rozcieńczania próbki, wyeliminowanie rozpuszczalników, zwłaszcza organicznych, nieinwazyjny, nieniszczący charakter badań, szybki pomiar, stosowanie sondy światłowodowej. 15

16 Podczerwień bliska (NIR) Materiał Granica przepuszczalności m cm -1 szkło kwarc szafir LiF CaF NaCl AgCl KBr CsI KSR

17 Podczerwień bliska (NIR) 17

18 Podczerwień bliska (NIR) przykłady zastosowania 18

19 Podczerwień bliska (NIR) przykłady zastosowania 19

20 Podczerwień bliska (NIR) przykłady zastosowania 20

21 Podczerwień bliska (NIR) przykłady zastosowania Czystość soków Zawartość cukru i suchej substancji Zawartość dekstranu Zawartość akrylanu w cukrze i sokach cukrowniczych Zawartość rafinozy w melasie Zawartość związków redukujących Zawartość azotu α-aminokwasowego Suma azotu amonowego i amidowego 21

22 Podczerwień bliska (NIR) przykłady zastosowania Oznaczanie mannitolu w soku surowym 22

23 Stężenie mannitolu wyznaczone metodą FT - NIR [mg/l] Podczerwień bliska (NIR) przykłady zastosowania Stężenie mannitolu wyznaczone metodą FT - NIR [mg/l] Oznaczanie mannitolu w soku surowym 180 Sok niesączony 170 Sok sączony y = 0,5737x + 64,905 R² = 0,8536 R = 0, y = 0,8387x + 24,599 R² = 0,984 R = 0, Stężenie mannitolu wyznaczone metodą HPAEC - PAD [mg/l] Stężenie mannitolu wyznaczone metodą HPAEC - PAD [mg/l] 23

24 Podczerwień bliska (NIR) przykłady zastosowania Oznaczanie zawartości wody w cukrze białym 24

25 Podczerwień bliska (NIR) przykłady zastosowania Oznaczanie zawartości wody w cukrze białym 25

26 Podczerwień bliska (NIR) przykłady zastosowania Oznaczanie zabarwienia roztworów cukru surowego 26

27 Podczerwień bliska (NIR) przykłady zastosowania Oznaczanie popiołu konduktometrycznego roztworów cukru surowego 27

28 Podczerwień bliska (NIR) przykłady zastosowania Oznaczanie inwertu w cukrze surowym 28

29 Podczerwień bliska (NIR) przykłady zastosowania Oznaczanie sacharozy w obecności rafinozy Oznaczanie sacharozy w obecności inwertu Oznaczanie sacharozy w mleku wapiennym Analiza granulometryczna Określanie gęstości 29

30 30