ZAŠTO ANALIZIRAMO UZORKE (HRANE)?

Kako primena analize (instrumentalnih metoda) moţe biti korisna u ispitivanjima ili kontroli

(procesa ili kvaliteta) koji su vezani za tehnologiju hrane?

Značaj primene (instrumentalnih) metoda u naučne (istraţivačke) svrheje očigledan: kada je potrebno naći uzročno-posledičnu vezu, i kadarezultat eksperimenta moţe da pomogne u tome, biće primenjenaadekvatna tehnika. Isto vaţi i za osmišljavanje novih tehnološkihprocesa.

Potrebno je razumevanje problema i poznavanje fizičkih principa nakojima se metode baziraju, to jest znanje o tome kakvi rezultati semogu očekivati od odredjene tehnike.

Rezultati dobijeni analizom hrane mogu biti upotrebljeni:

- U procesu (naučnog) ispitivanja; za donošenje zaključakaili otvaranje novih pitanja;

- U osmišljavanju novih tehnoloških procesa (procedura);

- U vodjenju procesa proizvodnje;

- U kontroli procesa (proizvodnje ili nekom drugomprocesu);

- U kontroli kaliteta finalnog proizvoda.

PRIMENA INSTRUMENTALNIH TEHNIKA U VODJENJU, KONTROLI PROCESA I KONTROLI

KVALITETA PROIZVODA

Kontrola kvaliteta je esencijalna za industriju hrane, gdeje efikasno obezbedjivanje kvaliteta postalo izizetnovaţno.

Svaki proizvod mora da bude zdrav, siguran zakonzumiranje i privlačan. Varijacije u kvalitetu izmedjuraznih proizvoda iste vrste moraju biti svedene naminimum.

Sve češće, produkti moraju biti prilagodjeni zahtevimatrţišta, ukusom i nutricionističkom vrednošću.

Takodje, moraju biti zadovoljeni zakonski zahtevi, vezanoza kvalitet, vrednost i bezbednost hrane. Promene uzakonskim propisima nastaju često, i to zbog zahtevapotrošača i zahvaljujući internacionalnimharmonizacijama.

Proizvodnja hrane ima dugačku istoriju: pri tome, oduvek su postojala dva glavna cilja.

-Konverzija poljoprivrednih proizvoda (ili ulovljene iliskupljene hrane) u atraktivnu, ukusnu, svarljivu hranukoja je sigurna za konzumiranje.

-Pripremanje (konzerviranje) hrane tako da se moţekonzumirati kasnije, i/ili tako da se moţe transportovati.

Optimizovana kontrola procesa proizvodnje je neophodna za odrţavanjekvaliteta proizvodnje, a veliki razvoj mikroelektronike omogućio jeupravo efikasnu kontrolu procesa.

Postoji više ustanovljenih sistema kontrole; ali bilo koji da se koristi, unjima je neophodna efektivna primena instrumentalnih metoda.

Štaviše, uvodjenje novodizajniranih instrumenata i senzora je jedan odključnih koraka u razvoju novih tehnologija.

On-line, at-line i off-line metode

Za optimalno obezbedjenje kvaliteta, potrebne su efikasne(cost-effective) metode (prvenstveno on-line) za brzaodredjivanja fizičkih i hemijskih osobina i mikrobiološkogstatusa materijala, pre i tokom procesa, kao i finalnihproizvoda.

Obezbediti monitoring tokom proizvodnje znači sprečitiskupo ponavljanje proizvodnje i odbacivanjenezadovoljavajućih proizvoda.

Vrlo stroga kontrola je neophodna, pogotovu kada se radio zaštiti završnog proizvoda od mikrobiološkogzagadjenja ili od oksidacije.

Na primer, od posebne praktične vaţnosti je monitoringtemperature, merenja pH, aktivnosti vode (uobičajenomerene kao ravnoteţna relativna vlaga - ERH),koncentracije rastvora i nivo konzervanasa u proizvodu.

Metode mogu biti destruktivne i nedestruktivne;

rezultati mogu biti diskriminativni!

Pored hemijske, vrše se i druge analize!

Evidentno:

Merenja korisna/potrebna u obezbedjenju obezbedjenja kvaliteta (QA) i kontrole kvaliteta (QC)

Merenje osobina relevantnih za kvalitet proizvoda• pojavne osobine (boja, sjaj, oblik …)• tekstura, osećaj u ustima, …• miris i ukus • hranljiva vrednost ***• funkcionalne osobine ***• sastav saglasan sa specifikacijom ***

Screening za sigurnost proizvoda

•hemijska kontaminacija (agrikulturne rezidue, endogeni toksini); ***•mikrobiološka intoksikacija;•kontaminacija neţeljenim genetski modifikovanim organizmima •prisustvo stranih materija (komadi metala, peska, insekata,…) •Neţeljeni delovi hrane (koščice, peteljke …)

Postizanje stabilnosti proizvoda u odnosu na:

• hemijsku reaktivnost (na primer oksidaciju) ***• rast mikroorganizama (zbog neodgovarajućeg pH, aktivnosti vode, koncentracije konzervanasa) bilo u samom proizvodu ili u njegovo okolini; • mikrobiološku ili hemijsku kontaminaciju (zbog defektne ili neodgovarajuće ambalaţe, uključiv i migraciju jedinjenja iz sastava ambalaţe u proizvod) ***• migraciju vode ili masnoće (izmedju hrane i okruţenja) • gubitka zaštitne atmosfere (zbog oštećenog sistema zatvaranja)

Merenja potrebna u upravljanju procesomCiljevi

• postići sigurnost i kontinualnost procesa

• odrţati uslove za specifični proces• koristiti resurse efikasno (radnike, sirovi materijal, energiju, mašine)• redukovati kontaminaciju otpada (na primer otpadne vode organskimmaterijama)

Merenja

• pritisak

• temperatura temperature (prostorna disipacija i integralna T)• pH• brzine toka mase i zapremine (za tečnosti i posebne čvrste materijale) • gustina, viskozitet …

Takodje potrebno, ali teţe dostupno on-line:

• hemijski sastav (grubo ili precizno) ***

• kompleksne reološke osobine (viskoznost, elastičnost, . . .)• veličina čestica, veličina kapi (srednja vrednost i raspodela) • sadrţaj materija isparljivih tokom kuvanja, pečenja ili sušenja

Merenja za specijalne koncepte HACCP – Hazard analysis critical control points

On-line merenja

• pritisak, temperatura • relativna vlaţnost• pH proizvoda, sadrţaj rastvarača ***• prisustvo rastvarača (ili slično) koji se koriste za periodična čićenja mašina ***

Off-line merenja

• aktivnost vode (kao equilibrium relative humidity) ***• pH (prostorno) i koncentracija konzervanasa ***• mikrobiološka kontaminacija sastojaka, uključiv vodu • mikrobiološka kontaminacija mašina i uopšte površina u proizvodnoj zoni

Markeri (indikatori) za on-line, at-line ili in situ odredjivanja/kontrolu

• mikrobiološkog statusa (pre zagadjenja) • oksidativni status ***• nivo toplotom izazvane deterioracije ***• progrediranje zrenja ili utvrdjivanje uslova (progress of ripening or conditioning browning potential)• kraj procesa zagrevanja end of heat processing operationMere se hemijske ili fizičke veličine koje se pokazuju indikativnim.

Instrumentalne metode (hemijske)analize, su zapravo,

Fizičkohemijske metode analize

Savremena analiza se bazira na fizičkohemijskim merenjima izvršenim pomoću različitih instrumenata, sa

ciljem:

1. uštede vremena2. postizanja veće tačnosti pri radu3. sniţavanja granica detekcije4. analiziranja malih količina uzoraka5. neke od metoda su nedestruktivne6. ponekad je primenom metoda moguće izbeći

procese separacije.

Sistem

Granica sistema

Elektromagnetno zračenje

Toplota

TGA, DTA, DSC, kalorimetrija

El. komponenta: UV, Vis, IR, FA, Raman

Mag. komponenta: NMR i EPR spektroskopije

Elektroni SEM, TEM, Oţeova spektroskopija

Joni Elektrohemijske metode analize

Vakuumske tehnikeGasna i tečna hromatografijaMasena spektrometrija

Sistem koji se analizira, uvek na neki način interaguje sa mernim uredjajem:

Pri fizičkohemijskoj instrumentalnoj analizi vrši se merenje fizičkih osobina neke

supstance radi:

1. određivanja njenog hemijskog sastava(koncentracije);

2. dobijanja informacija o prirodi i jačini vezai interakcija;

3. dobijanja informacija o termodinamičkim ikinetičkim parametarima reakcija da bi seprocesi razumeli i da bi se procesima mogloupravljati.

Uvek je poţeljno korišćenje više metoda.

Zahtevani i dobijeni rezultati mogu biti upotrebljeni:

-U procesu naučnog ispitivanja; za donošenjezaključaka ili otvaranje novih pitanja.

- Osmišljavanje novih tehnoloških procesa.

-U vodjenju procesa proizvodnje.

-U kontroli procesa (proizvodnje ili nekim drugim),i u kontroli kvaliteta proizvoda.

Definisanje problemaili

predmeta istraţivanja

Formulacija pitanja

Definisanje ciljeva

Izbor metoda

Izbor procedure uzorkovanja

Izbor načina prikupljanja podataka

UzorkovanjePriprema uzorka

SeparacijaMerenja

Prikupljanje informacijaObrada podataka

Interpretacija rezultata

DA LI JE PROJEKAT ISTRAŢIVANJA ZAVRŠEN?DA LI JE PROBLEM REŠEN?

NeIzveštajArhiviranje podatka

Da

Poznavanje elektronike je svakako poţeljno, ali je fundamentalno poznavanje fizičkohemijskih

aspekata instrumentacije vaţnije.

Generisanje signala

Transformacija dobijenog signala u drugi tip signala

Pojačanje signala

Detekcija signala

U opštem slučaju, instrument ne daje direktno kvantitativne podatke,već vrši konverziju fizičke (hemijske) informacije u formu koja se lakšeuočava.

Tako gledano, instrument se moţe shvatiti samo kao “sprava zakomunikaciju” izmedju ispitivanog sistema i čoveka. Ovo podrazumevada se analiza sastoji iz nekoliko koraka koji se mogu pretstavitishemom:

Rezultati instrumentalnih analiza često se veoma lako prihvataju kao tačni kada se dobiju u formi brojeva, pri čemu se poistovećuje tačnost broja sa tačnošću

merenja.

POTREBNO JE ZNATI TAČNOST, odnosno, GREŠKU MERENJA!

Apsolutna i relativna nesigurnost merenja

Apsolutna nesigurnost (sigurnost) merenja je izraţena vrednostgranica nesigurnosti (sigurnosti) pridruţenog merenju.

Na primer, ako je u procenjena sigurnost očitavanja na kalibrisanojbireti 0.02 mL, kaţemo da je 0.02 mL apsolutna nesigurnost(sigurnost) očitavanja ovom biretom.

Relativna nesigurnost merenja je količnik izmedju ove vrednosti iočitane vrednosti:

002.035.12

02.0

mL

mL

vrednostizmerena

tnesigurnosapsolutna

Ova vrednost se moţe izraziti i u procentima:

Procentna relativna nesigurnost = 100 relativna nesigurnost = 0.2%

Good Laboratory Practice (GLP)“Dobra laboratorijska praksa”

9. marta 1990. Francuska je usvojila GLP uskladu sa preporukama EU

GLP obuhvata: -Planiranje,-Proceduru i-Kontrolu (merenje);-čuvanje i korišćenje podataka.

KAKO ODABRATI ADEKVATNU METODU ANALIZE?

I veoma retko korišćene metode analize mogu biti od značaja ukoliko se njihovim korišćenjem dolazi do rešenja problema.

Molekularna analiza: za 2000. godinu

9 milijardi dolara 21%

ostale metode

9%

UV/Vis

spektrometrija

11%

IR 14%

Masena

spektrometrija

17%

Gasna

hromatografija

28%

Tecna

hromatografija

Prodaja instrumentata za 2000-u godinu.

Tabela koja prikazuje spisak postojećih instrumentalnih metodaukazuje na to da je pred analitičarem veliki broj tehnika i da trebaobaviti odgovarajući izbor.

Tokom odlučivanja o izboru metode, istraţivač mora da vodi računa omnogim faktorima: kompleksnosti materijala, koncentracijamahemijskih vrsta od interesa, broju uzoraka koje treba analizirati,tačnosti koja se zahteva…

VRLO ZNAČAJNO,

izbor će takodje zavisiti i od znanja o osnovnim principima na kojimase pojedine metode baziraju, ali i njihovih mogućnosti i ograničenja;to jest, analitičar mora da poznaje njihovu primenljivost.

Eksperimentator mora da poseduje odgovarajuće znanje, strpljenje i iskrenost, da razume tehniku ali i

sistem koji ispituje.

Izbor metode vrši se imajući u vidu sledeće:

• Da li je potrebna delimična ili kompletna analiza uzorka?

• Broj uzoraka koji se analizira.• Koncentracije od interesa (1-100%; 0,01-1%;

manje od 0,01%)• Da li se uzorak mora sačuvati nakon analize?• Koja je potrebna preciznost?• Trajanje analize.• Cena analize.• Pouzdanost odabrane metode.• Da li postoji adekvatno obučeno osoblje?• Koje su posledice potencijalne greške

merenja?

Svrha ovog kursa:HEMIJSKE METODE ANALIZE

• Potreba za instrumentalnim metodama hemijske analize uistraţivačkom radu, u vodjenju tehnoloških procesa, u kontrolikvaliteta i bezbednosti (u industriji hrane). Značaj merenja zaprocess proizvodnje. Tipovi merenja. Značaj merenja u kontrolikvaliteta i bezbednosti hrane; značaj merenja u proizvodnji hrane.

• Instrumentalne metode bazirane na fenomenima vezanim zaelektromagnetna zračenja; osnovni principi. Primena kao detektorau hromatografskim tehnikama.

• Termalnoanalitičke metode, principi i primenljivost.

•Interakcija ultrazvučnih talasa sa hranom ili ambalaţom

•Monitoring zvuka

•Intrakcija sa hemijskim senzorima

•Praćenje senzornih osobina (ljudskim ili ţivotinjskim čulima ili instrumentalnim metodama)

•Praćenje (monitoring) vlaţnosti

•Praćenje ponašanja pod mehaničkim dejstvom

•(Monitoring) – praćenje procesnih parametara sa AC/DC merenjima

•Praćenje procesa sušenja, ekstakcije i hromatografske separacije

Osim metoda pomenutih u tabeli postoje i sledeće grupe metoda (uglavnom fizičke):

Interakcija ultrazvučnih talasa sa hranom ili ambalaţom (kontejnerom)(Put kroz materiju: 100 kHz (3mm, kroz gas); 1MHz (1.5mm, kroz tečnost); (10 MHz 0.6mm kroz čvrsto).

Primene:

•Utvrdjivanje nivoa popunjenosti tečnošću, gasom ili parom. •Zapreminska brzina toka Volume flow rate of liquids, tečnosti ili pare. •Poremećaji toka •Utvrdjivanje granica faza izmedju: dve tečnosti; tečnosti i pene; ili izmedju masnoće (nemasnog) mesa (uključiv i kod ţivotinja)•Sadrţaj rastvorka u tečnosti •Diskriminacija izmedju dve tečnosti (senzor moţe biti udaljen od zatvorenog kontejnera)•Skeniranje preseka tokova (slavina) kod tečnosti koje sadre čvrsto•Karakterizacija slojevitih čvrstih proizvoda koji prolaze pokretnom trakom.•Brojanje paketa proizvoda•Suspenzije čvrstog u tečnosti •Disperzije (tečnost ili gas u tečnosti) •Distribucija veličina dispergovanih čvrstih čestica, kapi ili mehurova.•Stvaranje kremova, sedimentacija •Topljenje, kristalizacija•Odnos čvrtso/tečno kod masnoća•Temperatura•Gustina tečnosti •Struktura tkiva

Monitoring zvuka

Opseg: audio i ultrazvučni

Primene:

•Tok praha•Sušenje•Mlevenje•Stvaranje pene•Uticaj fluida za čišćenje

Intrakcija (hrane) sa hemijskim senzorimaPrincip: jon-selektivne membrane, neorganski katalizatori, enzimi,antitela, specifični adsorbenti, itd..., imobilizovani na prenosniku (nabazi elektromehaničke, optičke, termalne ili akustične veze).

Primene za merenje (praćenje):

•pH •Prisustva neorganskih jona•Kiselosti (titratorom, ili elektronskim jezikom) •Gasova •Prisustva specifičnih šećera skroba, alkohola, amina, organskih kiselina, amino kiselina, esencijalnih masnih kiselina, masti, itd (biosenzorima) •Prisustva vitamina, toksina (produkata aktivnosti bakterija, gljivica, algi) i specifičnih mikroba (imunosenzorima) •Prisustva rezidua (pesticida, antibiotika, hormona) (imunosenzorima) •Prisustva specifičnih mikroba (DNK testovima)•Prisustva GMO (DNK testovima, imunosenzorima za nove proteine)•Odredjivanje vrste mesa (imunosenzorima)•Odredjivanje sveţine ribe•Odredjivanje ekstremnih vrednosti pH, P, T (u razvoju).

Metode zasnovane na elektromagnetnom

zračenju

Elektromagnetni talas *podsećanje*Forma energije koja se sastoji od elektro i magnetnog talasakoji su medusobno normalni i imaju istu frekvencu odnosnotalasnu duţinu

c= /t =

• Snaga zračenja, P, predstavlja energiju kojaprođe kroz jedinicu površine u jedinicivremena.

• Intenzitet zračenja je snaga po jediničnomprostornom uglu (Cd).

SPEKTAR ELEKTROMAGNETNOG ZRAČENJA

Makro i mikro svet

*podsećanje*

Peta, tera m

300 000 000 mmesec

Mega m

m, cm, nm, pm

*podsećanje*

10fm

C-C 150 pm

m

*podsećanje*

SPEKTAR ELEKTROMAGNETNOG ZRAČENJA

nevidljivo

nevidljivo

gama

zraci

x-zraci

UV zraci

vidljivo

IC

Mikrotalasi

TV

talasi

radio

talasi

VAŽNO: zračenje iz čitavog spektra elektromagnetnog zračenja putuje

istom brzinom, ali se razlikuje po frekvenciji, odnosno talasnoj dužini!

Zračenje samo jedne talasne dužine naziva se MONOHROMATSKO (grčki -

“jedna boja”) dok je zračenje sa više talasnih dužina POLIHROMATSKO

(“više boja”).

Vidljiva svetlost ( = 380 - 780 nm) je polihromatska.

*podsećanje*

Elektromagnetno zračenje; dualnost – talasna i čestična

priroda zračenja

TALASNA PRIRODA SVETLOSTI

Talasna duţina, (nm) jerastojanje koje talas predje za jedan puni ciklus.

Amplituda je polovina rastojanja od min do max talasa.

Frekvenca, (s -1 ) predstavlja broj ciklusa u sekundi.

Talasna duţina i frekvenca su povezane relacijom:c=

gde c brzina svetlosti, konstantna vrednostc=2.998 x108 m/s

wavelengthVisible light

wavelength

Ultaviolet radiation

Amplitude

Node

*podsećanje*

Pojave u kojima svetlost ispoljava talasnu prirodu

-Refrakcija

-Refleksija

-Interferencija

-Koherencija

-Difrakcija

-Disperzija

-Rasejanje

-Polarizacija

*podsećanje*Pojave u kojima svetlost ispoljava talasnu prirodu

REFRAKCIJA

Kada zračenje pod uglom pada na dodir dve transparentne (providne) sredinerazličitih optičkih gustina dolazi do promene pravca ili prelamanja snopazračenja usled različite brzine kretanja zračenja kroz te dve sredine. Kadasnop prelazi iz ređe u gušću sredinu dolazi do savijanja snopa ka normali napovršinu.

REFLEKSIJA (odbijanje)

• Kada zračenje nailazi na kontakt dve sredine koje imaju različite indekse prelamanja uvek dolazi do refleksije.

• Refleksija je veća što je veća razlika u indeksima prelamanja te dve sredine.

• Za snop zračenja koji prelazi iz jedne sredine u drugu (sredine imaju različitu optičku gustinu) pod pravim uglom frakcija koja je reflektovana je

2

12

2

12

nn

nn

I

I

o

r

gde je Io intenzitet upadnog snopa, Ir je intenzitet reflektovanog snopa

INTERFERENCIJA

Interferencija je medjudejstvo dva ili više talasa, istihtalasnih duţina. Amplituta rezultantnog talasa moţe bitiveća ili manja od pojedinačnih.

Na primer, dva interferirajuća talasa iste talasne duţine,amplitude i faze, pojačavaju se; a ako su jedan premadrugom u fazi pomereni za polovinu talasne duţine, njihovose delovanje poništava.

Interferencija se moţe zapaziti samo ako u svakoj tačkiprostora u kome se šire interferirajući talasi postoji stalnarazlika u fazi medju tim talasima (uslov koherentnosti).

KOHERENTNO ZRAČENJEje dakle posledica superponiranja talasa

Uslovi koherencije:

1. Dva izvora zračenja moraju imati identičnu frekvenciju i talasnu duţinu (ili grupu frekvencija i talasnih duţina);

2. Odnos faza između dva talasa mora biti konstantan u toku vremena.

• Izvori nekoherentnog zračenja: zračenjeemituju individualni atomi i molekuli koji čineizvor i rezultujući talas je suma velikog brojaindividualnih događaja, od kojih svaki trajereda veličine 10-8 s i fazna razlika izmeđutalasa nije konstantna već slučajna veličina.

• Izvori koherentnog zračenja: laseri,mikrotalasni izvori, radiofrekventni oscilatori

*** Vaţno: ***

DIFRAKCIJA

•Difrakcija je pojava kojanastaje kada talas naidje naprepreku koja je sličnihdimenzija kao njegova talasnaduţina – tada dolazi doskretanja talasa iza prepreke.

• Karakteristična ne samo za elektromagnetno zračenje, već i za mehaničke i akustičke talase

• Difrakcija je posledica interferencije

U senci koju preprekastvara, nastaje zbogdifrakcije iinterferencija talasakoji dolaze sa jedne isa druge iviceprepreke.

Ako se na put zrakasvetlosti koji dolaziiz tačkastog izvorastavi tanka ţica nanjoj će se zapazititamne i svetle pruge.

Difrakcija svetlosti na sitnim česticama koje su raspršeneu nekom disperznom (transparentnom) sredstvu (vazduhu,na primer) čini da se te čestice zapaţaju kao svetletačkice, ako se posmatraju sa strane od te upadnesvetlosti.

Difrakcija svetlosti na kapljicama vode, odnosno na sitnimkristalićima leda u atmosferi daje venac, odnosno, krugoko Sunca i Meseca.

Zbog difrakcije postoje ograničenja u optičkoj moćirazlaganja, kod optičkih aparata.

*podsećanje*DIFRAKCIJA

RASEJANJE SVETLOSTI

• Rejlijevo rasejanje: rasejanje na molekulima iagregatima molekula dimenzija značajno manjih odtalasne duţine zračenja; intenzitet rasejanogzračenja zavisi od talasne duţine (~ l-4), dimenzijačestica i njihove polarizabilnosti (plava boja neba).

• Rasejanje na velikim molekulima odnosno česticamakoloidnih dimenzija je dovoljno intenzivno da se moţevideti okom – Tindalov efekat. Koristi se zaodređivanje veličine molekula polimera i koloidnihčestica.

• Ramansko rasejanje: razlikuje se od običnog rasejanjajer dolazi do kvantirane promene frekvencijerasejanog zračenja usled prelaza u okviru vibracionihenergetskih nivoa a kao posledica polarizacijemolekula.

ČESTIČNA PRIRODA SVETLOSTI –pojave u kojima svetlost ispoljava

čestičnu prirodu

Početkom XX veka, fizičari su uočili tri fenomena za čijeje objašnjenje bilo neophodno radikalno promenitirazumevanje i pojam zračenja.

1) Intenzitet i talasna duţina zračenja koje emitujezagrejano gusto telo (“zračenje crnog tela”);

2)Fotoelektrični efekat - električna struja proizvedenakada zračenje dovoljne energije pada na metal(objašnjenje ovog fenomena je jedan od doprinosa A.Einstein-a) i

3)Atomski spektri - linijski spektri dobijeni odpobudjenih (ekscitiranih) gasova.

Kvantizacija Energije

Planck-ova hipoteza: Sistem moţe primiti (apsorbovati) ili otpustiti(emitovati) energiju samo u odredjenim količinama, to jest u kvantimaenergije.

Takva diskretna veličina energije je celobrojni umnoţak neke najmanjekoličine energije Eo, pa je

E= n Eo = n h ,gde je n ceo broj a frekvenca.

E = h predstavlja elementarnu količinu odnosno kvantenergije, h je Plankova konstanta h= 6,62 x 10 -34 JsVaţi I da je: E = n h = n h c/λ

Max Planck (1858-1947)

Linijski spektri elemenata.Slika A: Uzorak gasovitog vodonika pobudjen disosovan na atome, koji su pobudjeni električnim praţnjenjem. Svetlost koja se potom iz vodonika emituje propušta se kroz razrez i prizmu koja vrši razdvajanje na pojedinačne talasne duiţine. Na vrhu slike vidi se linijski spektar vodonika.

Slika B: Primeri kontinualnog spektra (vidljiva svetlost) i linijskih spektara raznih elemenata. Vaţno je primetiti da je svaka linija u ovim spektrima različita od ostalih.

Linijski spektri gasova.

Kada se gasovi pobude termičkom ili električnomenergijom, oni potom emituju to, prethodno apsorbovanozračenje, ali u vidu linijskih spektara.

Ovo znači da energija koju emituje atom nije kontinualnanego kvantifikovana.

Atom moţe emitovati samo odredjene količine energije,on moţe da poseduje samo odredjene energetskevrednosti.

Ovo zapaţanje moţe se dovesti u vezu sa prethodno izraţenimstavom nemačkog fizičara Maxa Plancka, da se

energija moţe emitovati ili apsorbovati samo u odredjenim“porcijama” tačno odredjenih količina energije koje su izraţenerelacijom:

E = n h

E je energija zračenja, je frekvencija, n je pozitivni celi broj (1,2,3,…)nazvan kvantni broj, a h je konstanta proporcionalnosti nazvana Planck-ovakonstanta: h = 6.626 10-34 J s

Činjenica da atom emituje samo linijski spektar znači da atom moţeda menja svoje energetsko stanje emitujući (ili apsorbujući) samoodredjene “porcije” energije - kvante energije.

Energija emitovanog ili apsorbovanog zračenja jednaka je razliciizmadju dva elektronska energetska stanja:

E = emitovanog ili apsorbovanog zracenja = nh

Linijski spektri vodonika

REZIME

OSOBINE ELEKTROMAGNETNOG ZRAČENJA

• Elektromagnetno zračenje je oblik energije koji seprenosi kroz prostor izuzetno velikom brzinom;

• Za razliku od drugih talasnih fenomena, na pr. zvuka,elektromagnetno zračenje se moţe prostirati krozvakuum;

• Mnoge osobine elektromagnetnog zračenja opisuju seklasičnim talasnim modelom (talasna duţina,frekvencija, brzina, amplituda);

• Apsorpcija i emisija elektromagnetnog zračenja nemogu se objasniti talasnim modelom, već seobjašnjavaju čestičnom prirodom ovog zračenja(fotoni).

*podsećanje*

• Samo mali deo spektra elektromagnetnog zračenja (350-780 nm) je vidljiva svetlost.

• Čitav elektromagnetni spektar se koristi u spektroskopskimispitivanjima.

• Različite energije omogućavaju praćenje različitih vrsta interakcija sa materijom.

Elektromegnetno zračenje (EM) i materija

Transmisija - EM prolazi kroz meteriju bez ikakve interakcijeApsorpcija - EM biva adsorbovan od strane atoma, jona ili molekula podiţući ih na viša energetska stanja Emisija - oslobadjanje energije od strane atoma, jona ili molekula dovodeći ih na niţa energetska stanja

• Istorijski: spektroskopija je oblast nauke ukojoj se svetlost razlaţe na komponente,dajući spektar, koji se zatim koristi zateorijska ispitivanja materije ili zakvalitativnu i kvantitativnu analizu.

• U novije vreme značenje je prošireno i na:masenu spektrometriju (joni), elektronskespektroskopije (elektroni), akustičkuspektroskopiju (akustički talas).

SPEKTROSKOPIJA

Spektroskopija se bavi ispitivanjem emisionih iapsorpcionih spektara atoma i molekula.

Spektroskopske metode upotrebljavaju se zarazjašnjenje strukture atoma i molekula, a imaju primenui u analitičkoj hemiji, medicini, kriminalistici,farmaceutskoj industriji, industriji hrane, ...

Spektroskopska analiza sluţi se relativnim merenjimaenergije zračenja u funkciji talasne duţine; moţe bitikvalitativna i kvantitativna; emisiona ili apsorpciona, aprema prema frekvenciji upotrebljenog zračenjarazlukuju se spektroskopije u UV, Vis, IR i Rö području.

U postupku emisione spektroskopske analize, ispitivanamaterija se dovede do usijanja, a potom se emitovanasvetlost detektorskim sistemom razčlani na emisionispektar, koji se dalje analizira. Kako svaka pojedinavrsta atoma emituje svoj karakteristični spektar,emisioni spektar neke smese (na primer, legure)odgovaraće adiciji (zbiru) spektara prisutnih sastojaka.

Za dokazivanje prisustva pojedinih elemenata, dovoljnoje pronaći na fotografskoj ploči njihove spektralnelinije u UV ili Vis području. Za ovu vrstu analize posebnosu pogodni (osetljivi) alkalni metali, koji se ovakvom,emisionom spektroskopskom analizom, mogu otkriti jošod koncentracija od 0.0001%.

Mnoge susptance se mogu identifikovati i kvantitativnoodrediti i po svojim karakterističnim apsorpcionimspektrima u UV, Vis ili IR području.

Postupak se obično temelji na fotometriranju svetlosti, kojana pojedinim talasnim duţinama prolazi kroz sloj ispitivanematerije (apsorpciona spektroforometrija) - tako dobijeniapsorpcioni spektar prikazuje se krivama različitih oblika –spektrima.

Na spektru su za pojedine supstance karakterističniodredjeni poloţaji takozvanih apsorpcionih traka ilimaksimalnih apsorpcija; to jest one talasne duţine na kojimaje zračenje najjače apsorbovano.

Spektroskopske metode koje se baziraju na elektromagnetnom zračenju

Spektroskopija Opseg, λ Opseg talasnih brojeva, cm-1 Vrsta kvantnog prelaza

Emisija γ-zraka 0,005-1,4 Å - nuklearni

Apsorpcija, emisija fluorescencija i difrakcija x-zračenja 0,1-100 Å - unutrašnji elektroni

UV apsorpcija uvakuumu 10-180 nm 1x106 – 5x104 valentni elektroni

UV/Vis apsorpcija,emisija i fluorescencija 180-780 nm 5x104 - 1,3x104 valentni elektroni

IR apsorpcija i ramanskorasejanje 0,78-300mm 1,3x104 - 3,3x101 rotacije/vibracije u molekulu

Mikrotalasna apsorpcija 0,75-3,75 mm 13-27 rotacija molekula

ESR 3 cm 0,33 spin elektrona u magnetnom polju

NMR 0,6-10 m 1,7x10-2 - 1x103 spin jezgra u magnetnom polju

Opseg Frekvencija (energija) zračenja

Primenljivost merenja

Meko UV i vidljivo zračenje (Vis)

Bliski UV I Vis: 1015 -1014 Hz~100 nm - 1μm

Autentičnost hrane, sortiranje po boji

Vidljivo zračenje (Vis)

~ 1015 Hz 400 - 700 nm

Boja ( Optički imidţing, na primer da bi se odredili defekti ili da se izmere dimenzije)

Blisko infracrveno zračenje (bliski IR)

1014 Hz (ekvivalent zračenju crnog tela: ~ 1000 K) 700 - 2500 nm

Sadrţaj vode;Sadrţaj masnoća, proteina i ugljenih hidrata; Sadrţaj kofeina (1% m/m ili više); Debljina prevučenih filmova.

Srednje infracrveno zračenje (srednji IR)

1013 Hz (ekvivalent zračenju crnog tela: ~ 100 K)2.5 - 30 μm

Isparljive komponente Autentičnost hrane Identifikacija komponenti

Blisko i srednje infracrveno zračenje

1 to 15 μm Merenje temperature na daljinuTermalni imidţing

Mikrotalasi ~ 1011 - 109 Hz~ 1 - 10 cm

Sadrţaj vode u praškastom ili granularnom materijalu; Sadrţaj vode u hrani sa niskim ili srednjim sadrţajem vlage; Sadrţaj vode u hrani sa visokim sadrţajem vlage;Simultano merenje (bulk) gustine;Sadrţaj masnoćaOdnos (sadrţaja) polarnih/nepolarnih tečnosti

Metode zasnovane na elektromagnetnom zračenju daju:

Opseg Frekvencija (energija) zračenja

Primenljivost merenja

Radio talasi, viša oblast ~ 108 to 107 Hz~ 1 to 10 cm

Sadrţaj vode; sadrţaj soli; veličina čestica, oblik i distribucija;gustina.

X-zraci (meko Rö zračenje)

~ 1018 to 1017 Hz~ 100 pm – 1 nm(100 pm = 1 Å)

Odredjivanje prisustva odredjenih faza ili stranih tela;Odredjivanje veličine čestica.

Gama-zraci (tvrdo Rö zračenje)

~ 1020 to 1019 Hz(ekvivalent energije: ~1 meV – 100 keV)~ 1 – 1o pm

Odredjivanje gustine ***

Elektronparamagnetna rezonanca (EPR)

Odredjivanje prisustva radikala nastalih dejstcom jonizujućeg zraenja (α,β,γ)

Nuklearno magnetna rezonanca

Odredjivanje sadraja vode, masti, kiselina, odnosa čvrsto/tečno.

Nastavak:

“Things should be made as simple as possible, but not simpler.”

Albert Einstein