Реферат: Люминисцентный анализ при определении качества продуктов питания

В зависимости от длительности свечения различают два случая люминесценции органических веществ: флуо­ресценцию — свечение люминофора, прекращающееся сразу с окончанием действия возбуждающего света; фос­форесценцию—свечение, продолжающееся заметное вре­мя после прекращения возбуждения. На самом деле флуоресценция и фосфоресценция отличаются друг от друга не только длительностью свечения. Более глубокое различие состоит в том, что при этих процессах испуска­ние квантов света происходит из различных энергетиче­ских уровней возбужденной молекулы.

Какую же химическую природу должны иметь орга­нические соединения, чтобы обладать люминесценцией? Вопрос оказался далеко не простым. Серьез­но начали изучать люминесценцию органических веществ после исторической работы английского физика Д. Стокса, опубликованной в 1852 г. Прошло более 150 лет, а окон­чательного ответа на этот вопрос наукой еще не получе­но. Однако множество наблюдений показывает, что в большинстве случаев люминесцируют те органические мо­лекулы, в состав которых входят чередующиеся одинар­ные и двойные связи между атомами углерода. Из природных люминесцирующих соединений, встречающихся в некото­рых растениях, такими структурами обладают, например витамин А.

В теории люминесцентного анализа важное место от­водится таким понятиям, как спектры поглощения и люминесценции исследуемых веществ. Типичный вид этих спектров (другими словами, зависимостей интенсив­ности поглощаемого или испускаемого света от длины световой волны) для сложных органических молекул пока­зан на рис. 1, из которого видно, что люминесценция включает в себя два явления — флуоресценцию и фосфо­ресценцию. Какая разница между этими двумя видами свечений? Если свечение прекращается сразу, как только исчез возбуждающий свет, то говорят «флуоресценция». Если же свечение продолжается заметное время, говорят «фосфоресценция». Впрочем, есть и более глубокое разли­чие (пояснение на рис. 1).

Рис. 1. Схема энергетических уровнен (внизу) и вид спектров поглоще­ния, флуоресценции и фосфоресценции (вверху) органических молекул

При комнатной температуре практически все молекулы находятся в ос­новном невозбужденном состоянии (уровень S ₀ ). После поглощения кванта света молекула переходит в возбужденное состояние ( S ₁ * — и S ₂ * — уровни). Это состояние молекулы с двумя неспаренными элект­ронами, спины которых антипараллельны, именуют синглетным. Испус­кание света, связанное с электронным переходом S ₁ *- S ₀ , — это флуо­ресценция. Если спины электронов, принадлежащих возбужденным моле­кулам, параллельны, то говорят, что молекула находится в триплетном состоянии ( T -уровень). Лучеиспускание по схеме T - S ₀ — это фосфорес­ценция. Спектры фосфоресценции находятся в более длинноволновой области, чем спектры флуоресценции

Важно обратить внимание, что если спектры изобразить в виде зависимости интенсивности света не от длины световой волны, а от обратной ее величины — частоты, то для многих веществ можно наблюдать так называемое пра­вило зеркальной симметрии спектров поглощения и флуоресценции. Согласно этому правилу, установленному видным советским физиком В.Л. Левшиным, спектры поглощения и флуоресценции зеркально симметричны от­носительно прямой, проходящей перпендикулярно к оси частот через точку пересечения обеих спектральных кривых.

Если обратиться к энергетической стороны вопроса о поглощении и испускании света органическими молеку­лами. Из всей энергии света, падающего на молекулу, лишь незначительная часть поглощается ею. Дальше — меньше. В виде люминесценции высвечивается только некоторая доля поглощенной энергии, остальное же пере­ходит в тепло и участия в излучении не принимает. Поэтому яркость люминесценции значительно ниже, чем яркость возбуждающего света. Это соотношение характе­ризуется величиной квантового выхода люминесценции (φ), который выражается отношением числа испускаемых молекулой квантов (Nл) к числу поглощенных квантов (Nп) : φ=Nл/Nп. Чем ближе значение φ к единице, тем интенсивнее люминесцирует данная молекула.

При проведении количественных люминесцентных изме­рений большое значеник закон, установленный выдающим­ся советским ученым академиком С. И. Вавиловым, согласно которому квантовый выход люминесценции и вид спектра люминесценции данного вещества не зависят от длины возбуждающего света.

Проводить люминесцентный анализ тем легче, чем интенсивнее свечение. Иногда для люминесцентного анализа нужны очень яркие люмино­форы, которые дополнительно вводят в исследуемый объект. Где взять эти люминофоры? Обычно их прихо­дится специально синтезировать. При синтезе химики руководствуются соображениями о желательности сопряжения в структуре молекул люмино­форов. Ярко светящихся искусственных люминофоров получено великое множество. Помимо интенсивности свечения, к люминофорам обычно предъявляют и другие требования, необходимые для их успешного применения на практике. Это может быть и определенный цвет свечения, и растворимость в различных средах, и свето- и термостойкость, и химиче­ская активность или, наоборот, инертность и т. д.

область применения люминисцентного анализа

Зачем люминесцентный анализ нужен для других областей науки и техники? При помощи люминесцентного метода обнаруживают различные детали и объекты, не видимые при обычном освещении. В палеонтологии, например, люминесцентный анализ необходим для исследования деталей отпечатков доисторических растений и животных, включенных в осадочные породы. Дело в том, что при освещении отпечатков УФ-светом они люминесцируют, а это дает возможность рассмотреть важные дополнитель­ные детали строения изучаемого объекта.

Люминесцентный анализ играет важную роль и в дефектоскопии. Люминесцентная дефектоскопия позволяет обнаружить микротрещины в различных изде­лиях, которые практически неразличимы другими мето­дами. Ее методика предельно проста: поверхность иссле­дуемой детали обрабатывается раствором люминофора, который заполняет и трещины. Затем люминесцирующий раствор удаляют с поверхности, но в дефектах он остает­ся. Заключенный в дефектах раствор заявляет о себе при освещении детали УФ-светом.

По-видимому, во времена Шерлока Холмса детективы еще не умели извлекать пользу из люминесцентного ана­лиза. А вот современные криминалисты с успехом поль­зуются явлением люминесценции. Вот лишь не­сколько примеров. Так, наблюдение люминесценции кожных покровов часто необходимо при экспер­тизе определения давности повреждений (типа рубцов, шрамов и т. д.). Естественный цвет люминесценции не­поврежденной кожи — беловато-серый, а вот кожные руб­цы различной давности люминесцируют неодинаково: они выглядят темными, бархатистыми, если с момента травмы прошло 1—2 месяца; люминесценция рубцов давностью 4—6 месяцев имеет беловато-синий оттенок с темным ободком; рубцы давностью более одного года или слабо люминесцируют беловато-синеватым цветом (при отсут­ствии пигментации кожи), или выглядят более темными (в случае пигментации).

Весьма полезным может быть люминесцентный анализ для исследования огнестрельных повреждений. Практически каждое входное отверстие от пули можно определить по голубоватому свечению следов ору­жейной смазки. Дело в том, что пуля, проходя через ствол оружия, захватывает некоторое количество смазки и оставляет его на краях отверстия при встрече с пре­пятствием. Если следы смазки растворить в эфире и из­мерить яркость люминесценции, то можно без труда уста­новить последовательность выстрелов. До сих нор не пред­ложено более убедительного и доступного метода для такой экспертизы.

Помогает люминесценция и при исследовании волос (окраску которых можно определить но характеру свече­ния их поперечных срезов), и при распознавании заста­релых пятен крови. Пятно, предположительно содержащее кровь, обрабатывают концентрированной серной кислотой. Присутствие крови выдает яркое оранжево-красное свече­ние. Незаменим люминесцентный анализ и в определении срока пребывания костей в земле по различиям в цвете свечения. По цвету свечения могут быть разделены кости погребенных и сожженных трупов.

Если на ручки дверей складских помещений, сейфов незаметно нанести порошок люминофора, то на руках похитителя останутся следы, хорошо видимые в свете УФ-лампы. «Меченому» преступнику остается лишь приз­нать себя виновным.

А вот еще несколько любопытных примеров. Один из простейших приемов люминесцентного анализа — осмотр в УФ-лучах используется для обнаружения фальшивых документов. Именно так чаще всего выявляют следы уда­ленного текста, следы клея и крахмала на местах пере­несенного оттиска печати, незаметные при обычном осве­щении.

Этот же прием применяется и экспертами, устанавли­вающими автора картины или следы ее реставрации. Так, исследуя люминесценцию картины «Бурное море», припи­сываемой кисти И. К. Айвазовского, в 1928 г. обнаружи­ли рядом с его якобы подписью светящиеся линии подпи­си другого автора, не видимые при обычном освещении. То же и в археологии, где исследование подписей и ста­ринных рукописей в УФ-свете дает возможность читать на них стертые, попорченные места.

Прием люминесцентной метки весьма популярен в среде геологов и гидротехников. Для проектирования мор­ских портов, дамб и речных пристаней важно знать на­правление и интенсивность перемещения песка в водоеме. Данные об этом получают, используя песок, меченный люминофором. Меченый песок получают при перемешива­нии обычного песка с суспензией люминофора в водном растворе агар-агара. Затем смесь высушивают, что при­водит к закреплению люминесцирующей тонкой пленки на поверхности песчинок. Меченый песок опускают на дно водоема и ждут некоторое время, а затем отбирают пробы грунта. Отбор проб производят в разных местах водоема, так что по числу меченых песчинок легко оце­нить характер перемещения песчаных массивов.

Менее трудоемко применение водорастворимых люми­нофоров в гидрогеологии для измерения емкости различ­ных водоемов, определения скорости течений в реках, канализационных трубах и т. д. Люминофоры начали вы­ступать в этой роли намного раньше, чем радиоактивные изотопы, которые сейчас также применяют для подобных целей. Вот один из примеров. В 1960 г. в определенных местах Балтиморской бухты (США) в воду вылили раст­вор ярко люминесцирующего красителя — родамина В. На борту специального судна был сконструирован нехит­рый прибор (флуориметр), регистрирующий люминесцен­цию воды, взятой за бортом с нужной глубины. Таким образом, двигаясь по заданному маршруту, судно давало непрерывную информацию об изменении содержания люминофора в исследуемой воде. В результате была со­ставлена подробная картина циркуляции воды в Балти­морской бухте.

Трудно представить себе современную аналитическую химию без люминесцентного анализа. С его помощью можно определить около 50 элементов периодической си­стемы Д.И. Менделеева. Люминесцентный анализ приме­няют и тогда, когда интересующее химика-аналитика сое­динение не люминесцирует. Необходимо лишь подыскать такой реактив, который, взаимодействуя с исследуемым соединением, образует люминесцирующие продукты. Эта возможность была использована для надежного определе­ния озона в пробах стратосферы (общее количество озона в пробе было ниже 10-7 г). Широкое применение в аналитике нашли люминесцентные индикаторы, изменяющие при титровании в точке эквивалентности цвет или интенсивность свечения титруемого раствора.

ЛЮМИНЕСЦЕНЦИЯ ПРИ КОНТРОЛЕ КАЧЕСТВА ПИЩЕВЫХ ПРОДУКТОВ

1. Продукты животного происхождения.

Но с каких продуктов начать? Существует известное латинское выражение , которое означает «с самого начала». Иногда употребляется и дословный перевод— «от яйца». Воспримем эту рекомендацию буквально, и для начала обратимся к люминесцентному контролю качества куриных яиц.

Еще в 30-х годах был разработан оригинальный метод санитарной оценки свежести яиц без вскрытия скорлупы. Дело в том, что люминесценция содержимого яйца, видимая через скорлупу, меняется с красной на голубую в за­висимости от сроков и способов его хранения. Особенно полезным оказался люминесцентный анализ при выяв­лении яиц, зараженных светящимися бактериями Pseudomonas flourescens (подробнее о люминесценции микроор­ганизмов будет сказано далее). Пигмент пиовердин, вырабатываемый размножающимися бактериями, люминесцирует настолько ярко, что яичная скорлупа - не прегра­да для наблюдения его свечения. Подробное исследование поведения этих занятных бактерии показало, что вначале они образуют колонии на внутренней стороне скорлупы, а через 1—8 дней проникают в белок, который также начинает люминесцировать. При люминесценции всего белка бактерии размножаются до гигантской цифры —10⁷ -10⁹ в одном грамме.

Но люминесцентный контроль качест­ва продуктов питания начался все-таки не с яиц, а с та­ких продуктов, как мясо, рыба, жиры и молоко. Именно наблюдением их собственного свечения под действием УФ-света и занимались в своих пионерских работах со­ветские специалисты — энтузиасты люминесцентного ме­тода в санитарии — Р.Я. Гасуль, И.М. Меньшиков и Г.Д. Лесков. Они обнаружили, что цвет и интенсивность собственной люминесценции изменяются при хранении и ухудшении качества пищевых продуктов. Несмотря на некоторое непостоянство результатов (на характер свече­ния сильно влияли случайные примеси и продукты жизне­деятельности микроорганизмов), первые работы показа­ли перспективность предложенного направления.

В наше время люминесцентный анализ широко исполь­зуют в санитарии не только для оценки качества продук­тов, но и для выявления таких примесей, как следы хи­мических консервантов, лекарственных веществ, анти­окислителей, вкусовых и ароматизирующих добавок, пестицидов, пищевых красителей.

Наибольшее число работ, где люминесцентным мето­дом изучалось соответствие пищевых продуктов требова­ниям санитарии, посвящено рыбе, мясу и изделиям из них. Специалисты обнаружили, что в ряде случаев люминесцентный метод позволяет обнаруживать порчу рыбы на ранних стадиях, когда она еще неуловима органолептическими методами. Вот основные из получен­ных результатов:

· свежая рыба почти не люминесцирует;