Информатика пәнінен қызықты тапсырмалар құру

Мазмұны

I.Кіріспе.....................................................................................2-3

II.Зерттеу бөлім

2.1Люминесценция................................................................4-11

2.2 Люминесценциялық талдауға қажетті құралдар...12-18

2.3 Люминесценциялық талдау әдісінің тамақ

өнеркәсібінде қолданылуы.........................................19-25

III.Қорытынды..............................................................................27

Пайдаланған әдебиеттерге шолу.................................................

Пайдаланған әдебиеттер тізімі...................................................28

I. КІРІСПЕ

Люминесценция құбылысы адам баласына ертеден белгілі құбылыс. Шіріген заттардың, бактериялардың, балықтардың жарық шығаратынын адам баласы ертеден байқаған. Заттардың жарық шығару құбылысының табиғатын түсінбегендіктен, бұл құбылыс көп уақытқа дейін өзінің өмірде практикалық қолданылуын таба алмады.

Тек ХХ – ғасырдың басынан бастап ғалымдардың люминесценция құбылысын теориялық тұрғыдан зерттеп, оның теориясын тұжырымдаған соң ғана люминесценция құбылысы өмірде практикалық тұрғыда қолданыла бастады.

Люминесценция құбылысынң теориялық және эксперименттік тұрғыда зерттеуде орыс ғалымы академик С.И.Вавиловтың және оның шәкірттерінің еңбегінің үлесі өте зор болды.

Қызған денелердің жарық шығаруымен салыстырғанда люминесценция жарығын «суық жарық» дейді.

Суық жарықтың сан алуан құбылыстары люминесценция деп аталады. Люминесценцияны туғызатын себептер де сан алуан.

Жәндіктердің (мысалы, жарқырауық қоңыздардың), ағаш шіріктерінің, шіріген еттің т.б жарық шығаруы адам баласына ертеден мәлім, бұлар суық жарықтың мысалы. Мұнда жарық химиялық процестер кезінде, әсіресе тотығу құбылысында пайда болады. Егер төстің үстіне уранның азот қышқыл тұзының біраз сары кристалдарын салып, оны балғамен ұрса, кристалдар ұрған кезде лап етіп тамаша жасыл жарық шығарғанын қараңғыда байқауға болады. Ұрып жібергенде жан – жаққа ұшқан кристалдардың түйірлері біраз уақыт жарқырп жатады, бұл люминесценция құбылысына тән көрініс.

«Суық жарықты» жарықтың өзі де шығара алады. Мысалы, ультракүлгін сәулелердің жолына түрлі органикалық бояғыштардың (родаминнің, флуоресцеиннің, эскулиннің) ерітіндісін қойсақ, ашық (қызғылт сары, жасыл, көк) жарқыл шығарамыз. Флуоресцеииннің ерітіндісіне ақ жарық сәулелерінің шоғырын түсіргенде де, ол ашық жасыл жарық шығарады. Түссіз деуге болатын шыны ыдыстағы керосин бүйірінен қарағанда, көгілдір болып көрінеді; хлорофилдің күнге ұстағанда жасылдау түсті ерітіндісі бүйірінен қарағанда қызыл болып көрінеді. Бірақ жарық түсуден пайда болатын люминесценцияның барлық жағдайларында, люминесценттік сәуле шығарудың спектрлік құрамы сол түскен жарықтың құрамынан өзгеше болады.

Люминесценция құбылысын қызған дененің жарық шығару құбылысынан айырмашылығын білу үшін олардың негізгі қасиеттерін қарастырайық. Қызған дене ортамен жылулық тепе - теңдікте болады және жылу шығару құбылысы Кирхгоф заңына бағынады. Дене белгілі бір температурада қанша энергия жұтса, сонша энергия шығарады. Абсолют қара дене өзіне келген барлық энергияны жұтады сондықтан оның энергия шығару қабілеті өте жоғары болуы керек. Бірақ абсолют қара дене комната температурасында ешқандай көзге көрінетін жарық шығармайды. Ал люминесценция жарығын беретін заттар көзге көрінетін жарықты комната температурасында шығарады.

Видеманның (1888) анықтамасы юойынша люминесценция жылу шығарудан артық энергия шығару құбылысы (избыток излучения над температурным излучением).

Видеманның люминесценция туралы анықтамасын С.И.Вавилов толықтырды. С.И.Вавиловтың анықтамасы бойынша шағылған, шашыраған, Вавилов – Черенков жарығынан люминесценция жарығының негізгі айырмашылығы, сыртқы әсер тоқталғаннан кейін де, жарық шығару құбылысының сақталып қалатындығыда. Сыртқы әсер тоқталғаннан кейін люминесценция жарығының ұзақтығы 1 секундтың миллиардтың үлесінен (ерітіндіге жеке атом немесе молекулалардың люминесценциясы) бірнеше сағатқа дейін кейде бірнеше тәулікке созылуы (кристаллофосфорлар) мүмкін.

Люминесценция ғылым мен техниканың түрлі салаларында қолданылады. Мысалы, люминесценция құбылысы жарқырауық экрандары бар әр түрлі приборларда (осциллографта, телевизорда, электрондық – сәулелік түтіктерде т.т), жарқырауық шкаласы бар өлшеуіш құралдарда, арнаулы жарық көзінде (люминесценттік лампада) т.б. пайдаланылады. Люминесценция құбылысы заттың құрамы мен қасиеттерін зерттеу үшін де пайдаланылады.

Көптеген заттардың атомдары мен молекулалары сырттан алатын энергияның әсерінен, жаңа энергетикалық күйге көшеді.

Атомдар мен молекулалардың бұл күйі қозу күйі деп айтылады.

Егер қызған атомдар мен молекулалар өздерінің артық энергияларын жарық түрінде шығаратын болса, мұндай жағдайда люминесценция құбылысы байқалады. Сырттан энергия алған атомдар мен

молекулалар соқтығысу нәтижесінде, өзінің артық энергиясын басқа бөлшекке беріп, бөлшектердің ілгермелі қозғалысының жылдамдығы артып, оның энергиясы көбейеді, яғни зат қызады, жарық энергиясын шығаруы мүмкін.

Кейбір жағдайда бұл энергия атомнан электронның жұлынып алуына кетеді де атом ионға айналады.

II.Зеттеу бөлімі

2.1 Люминесценция – дегеніміз дененің сол температурадағы, сол спектрлік құрамындағы жылулық сәуле температурадағы, сол спектрлік құрамындағы жылулық сәуле шығаруынан артық энергия шығаруы және бұл артық энергия шығаруы уақыты 10^-10 кем болмауы керек. Люминесценцияның қоздырушы жарық әсері сақталған соң көзбен көрерлік уақыт созылатын түрі әдетте фосфоресценция деп аталады.

Ал, кейбір заттардың жарық шығаруы қоздырушы жарық әсері тоқталуымен бірге тоқталады. Фотолюминесценцияның бұл түрі флуоресценция деп аталады. Бірақ люминесценцияны осы қасиетіне қарап, фосфоресценция және флуоресценция деп екі түрге бөлу шындығында шартты түрде ғана болу болып табылады. Өйткені дәл әдістер қолданып жүргізілген зерттеулер люминесценцияның барлық түрлері сыртқы әсер тоқталған соң, азды – көпті уақытқа созылатындығын көрсетеді. Флуоресценция жарығының ұзақтылығы 10^-8 - 10^-5 с-қа, фосфороценцияның жарығы бірнеше сағатқа, немесе тәулікке созылуы мүмкін.

Люминесценция құбылыстары әртүрлі, және күрделі құбылыс болып саналады.

Люминесценция құбылысын – тудыратын сыртқы әсерлердің түріне қарап – бірнеше түрге бөлуге болады.

Фотолюминесценция дегеніміз – егер қоздырушы сыртқы әсер жарық кванттары болған жағдайдағы люминесценция.

Катодолюминесценция дегеніміз – заттардың электрондар ағынының әсерінен жарық шығаруы.

Рентгенлюминесценция дегеніміз – заттардың рентген сәулелері түскенде жарық шығаруы.

Хемилюминесценция дегеніміз – химиялық реакция кезінде бөлінген энергияның қоздырған люминесценциясы.

Биолюминесценция дегеніміз – мұның дербес бір түрі, кейбір жәндіктердің, балықтардың тағы сол сияқтылардың жарық шығаруы люминесценцияның осы түріне жатады.

Қалыпты жағдайда фотолюминесценция жарығының толқыны оны қоздырушы жарық толқынынан ұзын болады. Бұл қағиданы ең алғаш рет (1852) Стокс ағылшын физигі тағайындаған. Сондықтан Стокс ережесі деп атайды. Бұл ережені жарықтың фотондық теориясы бойынша ұғыну қиын емес. Люминесценция кезінде дене бетіне түскен жарықты жұтады. Сонда бір фотон жұтылғанда бір фотон ұшып шығатын болсын. Жұтылған фотон энергиясы ұшып шыққан фотон энергиясына

және заттың ішінде энергияның басқа түрлеріне айналады. Олай болса немесе мұндағы А – жұтылғн фотон энергиясының басқа энергия түрлеріне айналған үлесі. Егер А О болса, онда болады немесе (Стокс ережесі).

Кейбір жағдайларда Стокс ережесі дәл орындалмайды, люминесценция жарығының толқын ұзындығы оны қоздырушы жарық толқыны ұзындығынан кем болады.

Келесі люминесценцияның маңызды сипаттамаларының бірі энергетикалық шығым делінетін шама болып табылады.

С.И.Вавиловтың берген анықтамасы бойынша: люминесценцияның энергетикалық шығымы дегеніміз заттан шыққан лминесценция жарығы энергиясының оны қоздырушы энергияға қатынасы болып табылады. (1) жүргізілген өлшеулерге қарағанда сұйықтардың люминесценция энергетикалық шығымы үлкен 80% шамасында болады. Люминесценция шығымы қоздырушы жарық толқыны ұзындығына тәуелді.

Сурет 1. Бұл энергетикалық шығым құбылысын бірінші рет зерттеген С.И.Вавилов. Бұл Вавилов заңы деп аталады.

200 400 600

1-сурет. Люминесценция энергетикалық шығымының толқын

ұзындығына тәуелділігі.

Люминесценция сипаттамаларының бірі энергетикалық және кванттық шығым:

Энергетикалық шығым дегеніміз – люминесценция жарығының энергиясы, қоздырушы жарықтың энергиясына қатынасы.

мұндағы:

В_э - энергетикалық шығым,

Е_л - люминесценцияның жарығының энергиясы,

Е_в- қоздырушы жарықтың энергиясы.

Люминесценция сипаттамаларының бірі кванттық шығым.

Кванттық шығым дегеніміз – люминесценция жарығының кванттық санының қоздырушы квантының санына қатынасы.

мұндағы:

В_к- кванттық шығым

N_л- люминесценция жарығының квантының саны,

N_в- қоздырушы жарығының квантының саны.

Люминесценциялық кванттық шығыммен энергетикалық шығым арасындағы байланысты қарастырайық.

мұндағы:

h- Планк тұрақтысы

v- жарықтың жиілігі.

Үнемі В_э- энергетикалық шығым В_к- кванттық шығымнан кіші болады.

В_э В_к

Люминесценция энергетикалық шығымы (В_э) белгілі бір шекке жеткенше қоздырушы жарық толқыны ұзындығына пропорционал болып өседі де толқын ұзындығының белгілі интервалында бәлендей өзгермейді, одан соң кеміп нольге теңеледі. Вавилов заңы жарықтың кванттық қасиеттерінің тікелей салдары болып табылады. Денеге түскен жарықтың бір фотоны пайда болатын болсын. Сонда люминесценция энергетикалық шығымы осы фотондар энергияларының қатынасына тең болады. Фотонның энергиясы жарық толқыны ұзындығына кері пропорционал

болғандықтан, қоздырушы жарық толқыны ұзарғанда оның фотонының энергиясы кемиді, сонымен бірге люминесценция шығымы азаяды. Қоздырушы жарық толқыны өте ұзын болған жағдайда оның фотонының энергиясы тым аз болып, люминесценция жарығын қоздыра алмайды.

Энергетикалық шығым нольге теңеледі.

Орыс ғалымдары С.И.Вавилов пен В.Л.Левшин люминесценция құбылысы жарық шығару түріне қарап екі түрге бөлді.

1. Дискретті центрлердің люминесценциясы.

2. Рекомбинациялық құбылыс кезіндегі люминесценция.

Люминесценцияны заттың ішіндегі жекелеген бөлшектер шығарады. Бұл бөлшектерді люминесценция центрлері дейді. Дискреттік люминесценция центрлері жақын фотонын жұтады және шығарады. Рекомбинациялық люминесценция жарық фотонын жұтатын зат бөлшектері, жарық фотонын шығармайды.

Жекеленген (дискретті) центрлердің люминесценциясын ертіндідегі органикалық заттар бөлшегі, катиондармен ішкі комплекстік байланыстағы органикалық реагенттер, решеткасы молекулярлық типтегі кристалдар береді.

Дискретті цетрлердің люминесценциясы кристалл решеткасының элементтерімен тығыз байланысты емес. Сондықтан дискретті центрлер кристалдар ерігендеде төменгі температурада да өзінің люминесценциясын сақтайды. Зат ерігендеде, қатты күйінде болғанда да өзінің люминесценциясын сақтайтын қасиетті дискретті центрлердің негізгі қасиеті болып табылады. Дискретті центрлердің жарық шығаруы ерікті және еріксіз болуы мүмкін. Ерікті және еріксіз жарық шығарудың ерекшелігі 2-суретте көрсетілген.

В

М

Н

I II

В

М

Н

III

2– сурет. Дискретті центрдің жарығы

Деңгейі: Н – негізгі күйі. В – қозған күйі. М – метастабильді күйі.

I – ерікті жарық шығару

II – дискретті центрлердің еріксіз жарық шығаруы

III – ұзақ ерікті жарық шығаруы.

1-ші схема ерікті жарық шығарудың дискретті центрлерді көрсетеді. Негізгі күйдің 4 (Н) 0,1,2,3,4 энергетикалық деңгейлері бар.

Қозған күйдің (В) 0, 1,2,3,4 энергетикалық деңгейлері бар: Тік сызықтар фотонды жұтқандағы немесе шығарғандағы оптикалық электрондық ауысуларды көрсетеді. Тік сызықтардың ұзындығы толқын жиілігіне тура пропорционал, ал толқын ұзындығына кері пропорционал. Оптикалық электрондық ауысулар Н_о деңгейден В₀, В₁, В₂,В₃, В₄, деңгейлерге жарықты жұтқанда оптикалық электронды ауысулар болады. 10^-9 – 10^-8с уақыт аралығында бұл деңгейлерде электрондар қайтадан реттеліп орналасады. Ең ықтималды В₀ деңгейден Н₀, Н₁, Н₂, Н₃,Н₄ деңгейлерде оптикалық ауысу нәтижесінде жарық кванты шығарылады. Бұл схемадан шығарылған жарықтың толқын ұзындығының жұтылған жарық толқын ұзындығынан үлкен екендігі схемадан көрінеді. Бұл тұжырым Стокс заңының тұжырымымен сәйкес келеді. Жұтылу спектрімен шығару спектрлерінің ара қашықтығы Стокстің ауысуы делінеді. II-схема дискретті центрлердің еріксіз люминесценция жарығын шығаруын көрсетеді. I-схема да көрсетілгендей жарық фотонын жұтқаннан кейін Н₀ деңгейден электрон В₀,В₁,В₂,В₃,В₄, деңгейлерге өтеді. Одан кейін электрон метастабильді деңгейге (М) өтеді. М деңгейде электрон біраз болғаннан кейін жылу әсерінен В₀ деңгейге өтеді. Осы деңгейден Н₀ деңгейге ауысып жарық квантын шығарады. Бұл жарықтың спектрлік құрамы 1-схемадағы жарықтың спектрлік құрамына сәйкес келеді. Ал III-схемада дискретті центрлердің ұзақ ерікті люминесценциясы көрсетілген. Метастабильный деңгейден В деңгейге электронның көтерілуі мүмкін болмаған жағдайда, оптикалық электрон метастабильный деңгейден тікелей Н деңгейлерге ауысады. Шығару спектрінің ұзын толқын ұзындығы ұзын толқын жаққа қарай жылжиды. Шығарылған фотон III-схема бойынша I –II-схема бойынша шығарылған фотонға қарағанда толқын жиілігі кіші. Сырттан енгізілген ауыр металдар фотонның әсерінен цинк сульфиді, кадмия сульфиді, кадмия окисі торларында ақаулар пайда болады да, флуоресценция жарығына бүкіл кристалл қатысады. Бұл рекомбинациялық люминесценцияның түрі болып саналады. Кристаллофосфорлар рекомбинациялық жарық шығарады.

Электрондардың атом деңгейлеріне орналасуына байланысты, атомның энергетикалық күйі анықталады. Кристалл решеткасындағы атомдар энергетикалық күйдің зоналарын құрастырады. Валенттік зона электрондар мен толы болады. Бұл зонада электрондар еркін қозғала алмайды. Ал қозған зона электрондармен толы емес. Сондықтан онда электрондар еркін қозғала алады. Бұл зона өткізгіштік зона деп айтылады.

Ал кристалл ауыл металдар (активатор) енгізілгенде бұлардың энергетикалық деңгейлері валенттік зона мен өткізгіштер зонасының арасында орналасады да бұл деңгейлер электрондар үшін потенциалдық шұңқыр болып табылады.

Кристаллофосфорлардың қозуы және люминесценция шығаруы 3-суретте көрсетілген электрон квант энергиясын жұтқаннан кейін А валенттік зонадан В өткізгіштік зонаға өтеді. Жылулық тепе-теңдікке қажетті 10^-9 с уақытты, комнаталық тептературада В зонасында электрон ең төменгі деңгейшеге орналасады. Бұл 2-ші стрелка арқылы көрсетілген. Ал А зонасының ең жоғарғы деңгейшесіне орналасады. Бұл 1 бағыт сызығымен көрсетілген

2 В

3 4

1. 5

а а а

А А

I II III IV

3- сурет. Рекомбинациялық жарық шығару схемасы.

I – ұзақ жарық шығару

I I – қысқа жарық шығару

I I I – аз энергиялы квантты қоздырғанда

IV – активатор болмағанда жарық шығару

Кемтіктің жоғары қозғалуы электронның кемтікке жоғарыдан ауысуымен пара – пар, а деңгейдегі активатор электронының кемтікпен рекомбинациясы кезінде люминесценция жарығы шығарылады.

Белгілі бір ықтималдық бойынша өткізгіштік зонадағы электрон потенциалдың шұңқырға түсуі мүмкін және жылу немесе басқа энергия мен қоздырғанша осы жерде біраз қалыпта қоюы мүмкін. Бұл суретте 3 ауысу сызығы арқылы көрсетілген.

Электрон жылу немесе басқа энергия түрлерімен қайтадан өткізгіштік зонаның ең төменгі деңгейшесіне көтеріледі. Бұл ауысу стрелкаға дәл келеді. Электронның потенциалдық шұңқырда қалу уақыты шұңқырдың тереңдігіне байланысты. Потенциалдық шұңдырдың тереңдігі азайған сайын, қыздыру тоқталғаннан кейінгі люминесценция жарық шығару уақыты азаяды.

Қоздырушы кванттық энергиясы электронды өткізгіштік зонаға жеткізу үшін жеткіліксіз болған жағдайда люминесценция процессы III – схема бойынша өтеді. Бұл жағдайда қоздырушы энергия кванты, люминесценция квантымен салыстырғанда кіші болады.

Егер кристалл торында активатор болмаса люминесценция жарығы IV- схема бойынша шығарылады. 2 – суреттегі (I) және 3 – суреттегі (II, IV) схемалар бойынша шығарылатын люминесценция жарығы флуоресценция болып табылады. 2- суреттегі (II, III) және 3 – суреттегі (I, III) схемалар бойынша шығарылатын люминесценция жарығын фосфоресценция болып табылады.

2.2 Люминесценциялық талдауға қажетті құралдар.

1. Жарық көздері.

Люминесценция құбылысын түсіну үшін – люминесценция жарығы да электромагниттік толқын екендігін еске алуымыз керек. Электромагниттік толқындардың барлық қасиеттері олардың толқын ұзындығын микромен (мк), миллимикронмен (ммк) және ангстреммен (⁰А) өлшейді.( 1 мк = 10^-3мм,1ммк = 10^-6мм, 1⁰А = 10^-7 мм). Жарық толқындарына электромагниттік толқындар шкаласында толқын ұзындықтары 380 мен 760 ммк аралығында жататыны электромагниттік толқындар жатады. Көзге көрінетін жарық толқындарының екі жағында, толқындар шкаласында көзге

көрінбейтін электромагниттік толқындар орналасады. Ұзын толқынды жағында инфрақызыл сәулелер, ал қысқа толқынды жағында ультракүлгін сәулелер, рентген сәулелері, - сәулелері. Бізге люминесценция жарығын түсіндіру үшін қажет ультракүлгін сәулелерді қарастырайық. Ультракүлгін сәулелерден өздерінің қасиеттері жағынан біркелкі емес. Оларды шартты түрде <<А>>, <<В>>, <<С>>, деп бөлейік. <<С>> облысы қашық ультракүлгін сәулелер, бұлардың толқын ұзындықтары қысқа 200-280 ммк, бұлардың энергиясы үлкен, көбінесе бактерияларды тағы да басқа микроорганизмдерді өлтіру үшін пайдаланылады. «В» орташа толқынды ультракүлгін сәулелер (280-320 ммк), бұлардың энергиясынан адамның терісіне қызыл дақ пайда болады. Жақын немесе ұзын толқынды ультракүлгін сәулелер қатарына толқын ұзындықтары 320-380 ммк сәулелер жатады. Бұл сәулелер көптеген заттарда люминесценция жарығын тудырады. Люминесценция жарығы жарық шығарған заттың қасиеттерін және құрылысын зерттеу үшін қолданылады. Қазіргі заманда люминесценциялық талдау әдісінің қолданбайтын ғылым, техника, ауылшаруашылық саласын табу қиын. Медицинада, биологияда, криминалистикада, музейге қатысты жұмыстарда да қолданылады.

Люминесценциялық талдауды зерттейтін заттың люминесценция жарығын көзбен қарапта жасауға болады. Зат люминесценция жарығын шығару үшін заттың молекулаларын, атомдарын қозған күйге келтіретін ультракүлгін сәулесін шығаратын қондырғы және әртүрлі жарық толқындарын өлшейтін жарық фильтрлері қажет. Қалыпты жағдайда ультракүлгін сәулелердің көзі ретінде газразрядты лампалар қолданылады. Бұл лампаларда шыны түтікшіге әртүрлі қысымдағы газдар толтырылған. Олардың қатарына төменгі қысымдағы сынар буы толтырылған – сынап лампаларында жатады. Бұл лампалардың шығаратын жарығының 70 % шамасы сынаптың резонанстың толқын ұзындығы 253,7 нм дәл келетін жарық толқынына шоғырланған. Жоғарғы қысымдағы сынап – кварцлампалары, ксенан лампалары бұлар арқылы әртүрлі толқын ұзындықтарындағы үльтракүлгін сәулелер алуға болады. Бұлармен қатар спектрдің ультракүлгін облысында үздіксіз біркелкі жарық алу үшін, сутегі ксенон, дейтрий газдарына толтырылған лампалар қолданылады.

Сынапты – кварц лампаларының жұмыс істеу принципі – сынап буындағы электрлік разряд құбылысына негізделген. Шыны түтіңтің ішіндегі сынап буының қысымының дәрежесіне байланысты, бұлар төменгі, жоғарға және өте жоғарғы қысымдағы лампалар болып бөлінеді. Бұл лампалардың әр түрі 4 –суретте көрсетілген.

4-сурет. Сынап лампалары

Қысым 0,01 – 1мм сынап бағанасындай қысымдағы лампалар, төменгі қысымдағы лампалар болып саналады.

Жоғарғы қысымдағы лампалар болып қысымы 1 ден 3 атмосфера болатын лампалар саналады. Өте жоғарғы қысымдағы лампалар қатарына қысымы ондаған атмосфераға жететін лампалар жатады.

Төменгі қымысдағы сынап лампалары – күндізгі жарық беретін лампалар қатарына жатады. Бұл лампалар ұзын шыны түтікшенің екі жақ түбінде электродтар және спираль орнатылған. Лампа жұмыс істегенде сынап буға айналады да, сынап атомдары қозып жарық шығарады. Бұл жарықтың негізгі бөлігі толқын ұзындықтары 180 – 250 ммк ге сәйкес келетін резонансты жарық толқындары болып саналады. Осы қысқа толқынды жарықты, ұзын толқынды жарыққа айналдыру үшін шыны түтіктің ішкі жағына люминофорлар жалатылады. Люминофорлар трансформаторлардың міндетін атқарады.

1.Жарық фильтрлері.

Фильтрлердің негізгі характеристикасы болып олардың өткізетін толқын ұзындықтарының жоғарғы және төменгі шектері саналады. Фильтрдің толқын ұзындықтары өткізу шектері дегеніміз – өткізу коэффициентінің жартысына сәйкес келетін толқын ұзындықтардың ең кіші ең үлкен мәніне сәйкес келетін аралық шама.

Флуоресценция жарығын алу үшін затты ультракүлгін сәулелерінен қоздыру керек. Ал ультракүлгін сәулелерді бөліп алу үшін УФС-1, УФС-2, УФС-3, және УФС-4 жарық фильтрлері қолданылады. Бұл фильтрлердің жарықты өткізу қабілетінің толқын ұзындықпен байланысы 5 – суретте көрсетілген.

240 300 400 500 600 700 800 1000 1500 3000

λ, ммк

5-сурет. Шыны жарық фильтрлерінің әртүрлі спектрді өткізу қабілеті.

Бұл фильтрлердің жарықты жұту қабілеті өте жоғары, бірақ күшті жарықтың әсерінен олар қызады, қолдану уақытына байланысты олардың жұту қабілетінің өзгеруі яғни әлсіреуі мүмкін. Бұл фильтрлердің шытынауы мүмкін.

Осы құбылысты азайту үшін бұл фильтрлердің алдына жылудан қорғайтын СЗС - 5, СЗС - 14, СЗС – 16. Бұл фильтрлердің өткізу қабілетін сипаттайтын қисық 6 – суретте көрсетілген.

240 300 400 500 600 700 800 1000 1500 3000

ммк

6- сурет. Қызудан қорғайтын жарық фильтрлердің өту

спектрінің қисығы.

Кей жағдайда фильтрлер арқылы ультракүлгін сәулелерді ұстап қалып оның есесіне флуоресценция жарығын жіберу керек болады. Бұл жағдайда түсті фильтрлер қолданылады. Бұл түсті фильтрлердің жарық толқындарын өткізу қабілеттері

7- суретте көрсетілген.

400 500 600 700 800 1000 1500 3000

λммк

400 500 600 700 800 1000 1500 3000

Λммк

7-сурет. Өту коэффициентінің спектрлік қисығы

З аттардың люминесценциясын тексеретін қондырғылар.

12 9 10 4

11 6 7

5

8

3

2

1

8 –сурет. Азық-түлік тағамдарының люминесценциясын тексеретін қондырғы.

Бұл қондырғыда 1 жарық көзі, 2-жинағын конденсар, 3 қоздырушы жарық үшін қолданылатын монохроматор, 5 люминесценция жарығын қабылдаушы ретінде фотоэлектрлік күшейткіш қолданылады. Фото күшейткіштен сигнал 6 тұрақты ток күшейткішіне келеді, одан регистрация жасайтын 7 қондырғыға барады. Қоздырушы жарық көзі 1 ретінде газразрядты сынап лампалары, лазерлік ксенон лампалары қолданылады. Егер люминесценция лазер жарығымен қоздырылатын болса онда 2, 8, 9 кварц конденсарларының қажеті жоқ.

Егер поляризациялық өлшеулер жүргізілетін болса, онда глан призмалары қолданылады. Зерттелетін зат 12 криостаттың ішінде арнаулы қондырғы да орналастырады.

Люминесценция спектрін алу үшін қоздыратын жарықты реттейтін монохроматорды осы заттың қоздыру спектрінің ең жоғарғы интенсивтегі толқын ұзындығына қоямыз. Бұдан кейін люминесценция жарығын өткізетін монохроматордың тетігін қозғай отырып, люминесценция жарығының интенсивтігімен сол жарықтың толқын ұзындығының байланысын сипаттайтын спектрді өлшейді. 9-суретте сапалық люминесценциялық анализ жасайтын қондырғының схемасы көрсетілген.

Зерттелетін затқа 1 ультракүлгін сәулелер көзінен (2) ультракүлгін сәулелер 4 – жарық фильтрінен өтіп түседі. Жарық фильтрі 4 – ультракүлгін сәулесін (3) өткізіп, барлық көзге көрінетін сәулені жұтады. Әрбір заттың өзіне тән шығаратын жарығының түсі бар. Сондықтан жарықтың түсіне қарап, заттың сол затқа сәйкес келетіндігіне не келмейтіндігіне анықтама беруге болады. Зерттелетін заттың сапасының өзгеруін немесе өзгермеуін бақылауға болады.

2.3 Люминесценциялық талдауәдісінің тамақ өнеркәсібінде қолданылуы.

Оптикалық тәсілдермен тағамдардың сапасын зерттеудің бірнеше әдістері бар.

1. Жұтылу спектрі бойынша талдау.

Зат арқылы өткенде электромагниттік толқын әртүрлі жұтылады. Заттың өткенде энергиясы кемиді. Осының нәтижесінде жарық толқындары кейбір спектрлік облыстарда жақсы жұтылады, кейбір спектрлік облыстарда нашар жұтылады. Жарықтың толқын ұзындығына байланысты жұтылу коэффициентінің өзгеру шамасы жұтылу спектрін құрайды.

Әр тағамның өзіне тән жұтылу спектрі бар. Тағамдардың жұтылу спектрі ультракүлгін, инфрақызыл, көзге көрінетін сәулелердің спектрлік облыстарында жұтылуы мүмкін. Затқа түскен сәуленің интенсивтігімен арасындағы байланыс Бугер-Ламберт-Бер заңы бойынша анықталады. Тағамдардың жұтылу спектрі заттардың молекулалық құрамымен тығыз байланысты және оның негізгі характеристикаларының бірі болып саналады. Электромагниттік жарық толқыны молекуламен әсерлесіп, өзінің энергиясының бір бөлігін беруі мүмкін. Бірақ заттың молекуласы

белгілі бір энергетикалық күйде яғни белгілі бір энергетикалық деңгейде болады.

Әрбір деңгейдің молекуланың жалпы энергиясымен байланысты өз энергиясы болады. Молекуланың электромагниттік толқыны жұтуы, оның бір энергетикалық деігейден екінші энергетикалық деңгейге ауысуы болып саналады. Сондықтан энергиясы, екі энергетикалық деңгейдің айырымы шамасына тең кванттар ғана жұтылады. Соныменен молекула өзіне түскен жарық толқындарының ішінен өзінің энергетикалық күйін өзгертетіндерін ғана жұтады.

2. Комбинациялық шашырау бойынша талдау.

Түскен жарықтың жиілігінен ( ν₀ ) шашыраған жарықтың жиілігінің ( ν ) осы екі толқын жиілігінің айырымы ν жарықты шашыратқын заттың табиғатына тәуелді. Бұл оптикалық талдаудың түрі тағам өндірісінде жиі қолданылмайды.

3. Атомдық спектрлі бойынша талдау.

Заттың құрамының сәуле шығару спектрі бойынша анықтау спектрлік талдау деп аталады. Ізделініп отырған элементтің заттың құрамында бары-жоғы оның негізгі спектрлік сызықтары қарастырылып отырған спектрде бар ма, жоқ па соған қарап талданады.

4. Люминесценция жарығы бойынша талдау.

Тағамның шығаратын жарығы арқылы орындалатын талдау люминесценциялық талдау деп айтылады.

Өңделмеген ауыл шаруашылық өнімдері және мал өнімдерінің құрамындағы биологиялық активті заттар (ароматты аминоқышқылдары, дәрумендер, май қышқылы) өздеріне ультракүлгін сәуленің жарығын түсіргенді өздеріне тән люминесценция жарығын шығарады. Биологиялық активті заттардың оның ішінде ароматикалық аминикислоттың витаминнің, полиненасыщенных жирных кислотаның порошок күйіндегі спектрлік – люминесценциялық характеристикалары зерттелген. Бірақ тағам құрамында бұл заттар комплексті байланыста болады. Мысалы, ароматты аминокислоттар белоктардың, фермениттердің құрамына кіреді, көптеген дәрумендер белоктардың құрамына енеді. Сондықтан биологиялық активті заттардың спектрлік – люминесценциялық характеристикаларын олардың басқа заттармен комплексті байланыста болғандағы күйі бірге қарастырылуы керек. Бұл биологиялық активті заттардың ешбіреулерінің люминесценция жарығының максимумының толқын ұзындығы және люминесценцияны қоздыратын жарықтың толқын ұзындығы 1 кестеде берілген.

Тағам құрамындағы биологиялық активті заттар ауадағы оттегінің әсерінен тез тотықтанады. Егер заттың температурасы жоғарласа немесе затқа жарық арқылы әсер етілсе тотықтану нәтижесінде тағам қарайады, сапасы төмендейді. Мысалы, шырындардың түсі өзгеріп, қарая бастайды.

Белокты заттардың тотықтануы оның құрамындағы триптофанның люминесценциясына әсерін тигізеді. Зерттеулердің нәтижесінде азонның әсерінен тағамдардың құрамындағы триптофанның люминесценциясы 353-354 нм ден 430 нм жылжыған, ал жұтылу спектрінің максимумы 228 нм ден 320нм-ге дейін жылжыған.

Биологиялық активті заттардың люминесценция пайдаланып талдау жасауға болады. Люминесценцияны өлшейтін қондырғының 8-суретте схемасы көрсетілген.

320 4000 λ. нм

10-сурет. Шырындардың спектрлі люминесценциясы.

1 – алма

2 – жүзім

Мысалы: 10 – суретте алманың және жүзімнің шырындарының люминесценциясы келтірілген. 10- суретте екі люминесценция спектрі де бір жолақтан тұрады, максимумдары 420 нм. Аскорбин (кислотасының) қышқылының (Витамин С) суда ерітілген ұнтағының люминесценция максимумымен дәл келеді. (кесте 1)

1 – кесте: Биологиялық активті заттардың люминесценциясы.

Осыған мынадай қорытынды шығаруға болады: шырындардың сапасын (оның құрамындағы дәрумен С шамасын) тексеру толқын ұзындығы үшін 253нм жарықпен қоздырып люминесценциясын (420нм) өлшеу керек. Жарықтың интенсивтігіне қарап және люминесценция жарығының максимумының орнына қарап шырынның сапасын анықтауға болады. Жаңа дайындалған және бір жыл 300К температурада сақталған қара бидай ұнының люминесценция спектрлері сұйық азот температурасында өлшенген.

370 420 λ. Нм

11- сурет. Бидай ұнының люминесценциясы.

11-сурет. Жаңа дайындаған қара бидай ұнының люминесценциясының жарығы екі жолақтан тұрады. Және оның максимумдері 405 нм және 420 нм сәйкес келген сурет 11(жолақ).Спектрлер 11-суретте көрсетілген. Осыған максимумдері сәйкес келетін люминесценция жарығы (405 – 420 нм) тотыға бастаған жартылай қанықтырылмаған май қышқылында кездеседі. Қоздырушы жарықтың толқын ұзындығы 313 нм.

Бір жыл бөлме температурасында сақталған қара бидай ұнының люминесценция жарығы бір жолақтан тұрады. Оның максимумы 435нм –ге тең. 11-сурет, 2-жолақ. Бұл 2 дәрежелі тотыққан жартылай қанықтырылмаған май қышқылының люминесценция жарығына сәйкес келеді.

12- суретте ұнтақ сүттің люминесценция жарығы көрсетілген. Құрғақ сүт ауа өтпейтін полимерленген фольгадан жасалған кішкентай қапшықтарда сақталған. 300К температурада 1 ай сақталған ұнтақ сүттің люминесценциясы берілген.

350 400 450 λнм

12-сурет. Ұнтақ сүттің спектрлі люминесценциясы.

Қисық 1.1 жыл сақталған ұнтақ сүттің люминесценция қисығы көрсетілген. Қисық 2. Люминесценция жарығы максимумы 405 нм жартылай қанықтырылған май қышқылының люминесценция жарыгына сәйкес келеді. Қалғандары осы май қышқылдарының тотықтарына сәйкес келеді. Тағамдардың ультракүлгін сәуле түсіргенде шығарылатын жарығын көзбен қарап, олардың сапасын анықтауға болады. (сурет 9). Мұндай тағамдардың сапасын анықтау 10-суретте көрсетілген қондырғыда орындалады. Әр тағамның өзіне тән шығаратын жарығының түсі болады.

Кейбір тағамдардың люминесценция жарығы.

2 –кесте:

Пайдаланған әдебиеттерге шолу

Люминесценция құбылысы адам баласына ертеден белгілі құбылыс. Шіріген заттардың, бактериялардың, балықтардың жарық шығаратынын адам баласы ертеден байқаған. Заттардың жарық шығару құбылысының табиғатын түсінбегендіктен, бұл құбылыс көп уақытқа дейін өзінің өмірде практикалық қолданылуын таба алмады.

Тек ХХ – ғасырдың басынан бастап ғалымдардың люминесценция құбылысын теориялық тұрғыдан зерттеп, оның теориясын тұжырымдаған соң ғана люминесценция құбылысы өмірде практикалық тұрғыда қолданыла бастады.

Люминесценция құбылысынң теориялық және эксперименттік тұрғыда зерттеуде орыс ғалымы академик С.И.Вавиловтың және оның шәкірттерінің еңбегінің үлесі өте зор болды.

Люминесценциялық талдауды зерттейтін заттың люминесценция жарығын көзбен қарапта жасауға болады. Зат люминесценция жарығын шығару үшін заттың молекулаларын, атомдарын қозған күйге келтіретін ультракүлгін сәулесін шығаратын қондырғы және әртүрлі жарық толқындарын өлшейтін жарық фильтрлері қажет. Қалыпты жағдайда ультракүлгін сәулелердің көзі ретінде газразрядты лампалар қолданылады. Бұл лампаларда шыны түтікшіге әртүрлі қысымдағы газдар толтырылған. Олардың қатарына төменгі қысымдағы сынар буы толтырылған – сынап лампаларында жатады. Бұл лампалардың шығаратын жарығының 70 % шамасы сынаптың резонанстың толқын ұзындығы 253,7 нм дәл келетін жарық толқынына шоғырланған. Жоғарғы қысымдағы сынап – кварцлампалары, ксенан лампалары бұлар арқылы әртүрлі толқын ұзындықтарындағы үльтракүлгін сәулелер алуға болады.

Тағам құрамындағы биологиялық активті заттар ауадағы оттегінің әсерінен тез тотықтанады. Егер заттың температурасы жоғарласа немесе затқа жарық арқылы әсер етілсе тотықтану нәтижесінде тағам қарайады, сапасы төмендейді. Мысалы, шырындардың түсі өзгеріп, қарая бастайды. Белокты заттардың тотықтануы оның құрамындағы триптофанның люминесценциясына әсерін тигізеді.

Биологиялық активті заттардың люминесценция пайдаланып талдау жасауға болады.

III. Қорытынды

Люминесценциялық талдау тәсілінің кеңінен қолданылуына оның төмендегідей ерекшеліктері әсерін тигізуде.

1. Люминесценциялық талдау тәслін кезкелген маман орындай алатындығында.

2. Қолданылатын құралдардың күрделі еместігі, оны кезкелген жерде, заводтарда, қоймаларда, зертханаларда орындауға болатындығында.

3. Люминесценциялық анализдің өте тез жасалатындығында.

4. Тірі организмдерді зерттей алатындығында

5. Мөлдір және мөлдір емес заттарды зерттей алатындығында.

6. Люминесценциялық талдаудың өте сезімтігінде, және өте кішкентай заттарды зерттей алатындығында.

7. Люминесценуиялық талдау есептеулері мен қорытындысы тамақ және шикізат өнеркәсібінде қолдануға болады.

8. Тамақ және шикізат өнеркәсібінде тағамның шығаратын жарығы арқылы тағам құрамындағы биологиялық активті заттар ароматты аминоқышқылдары, дәрумендер, май қышқылының сапасын анықтау.Әр тағамның өзіне тін шығаратын жарығының түсі болады. Тағамдардың ультракүлгін сәуле түсіргенде шығарылатын жарығын көзбен қарап, олардың сапасын анықтауға болады.

Пайдаланылған әдебиеттер:

В.В.Красников, Е.И.Тимошкин, А.В.Титкова.

Спектральный люминесцентный анализ пищевых продуктов. М. 1979

Е.А. Бутевольнов.

Люминесцентный анализ неорганических веществ. М.1966

В.Н.Авроменко, М.П.Есельсон.

Спектральный анализ в пищевой промышленности. М.1979

Б.П.Крамаров.

Набор по флуоресценции. М. 1961

В.Н.Гиренко, М.И.Голланд.

Люминесцентный анализ картофеля, овощей, плодов и других веществ. М. 1962

Б.Ф.Дикий, Ф.И. Коган.

Применение люминесцентного анализа в пищевой промышленности. М. 1961

Г.С.Ландсберг.

Оптика. М. 1952

А.В.Перышкин.

Физика курсы. 3-бөлім. Алматы – 1965.