XI Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2019

В настоящее время требования к качеству продукции (в том числе растительного производства) резко возросли. В связи с этим необходимо более достоверно и качественно контролировать объекты растительного происхождения (отсутствие заболеваний и повреждений, размер, соответствие стандартам и ГОСТам, экологическая безопасность).

Существуют следующие методы контроля (рисунок 1):

Рисунок 1 - Методы контроля качества тканей растений

Оптические методы анализа основаны на измерении характеристик оптических свойств вещества (испускание, поглощение, рассеивание, отражение, преломление, дифракция, интерференция, поляризация света), проявляющихся при его взаимодействии с электромагнитным излучением.

Они широко используются из-за большого разнообразия способов получения первичной информации, а также из-за возможности их применения для наружного контроля любого материала.

С помощью этих методов можно обнаружить макро- и микродефекты, структурные неоднородности, внутренние напряжения.

Недостатками оптических методов являются узкий диапазон контролируемых параметров, жесткие требования к состоянию окружающей среды и чистоте поверхности изделия.

Оптические методы можно разделить на:

- спектральные - в основе лежат явления, связанные с поглощением или излучением квантов;

- поляриметрические - в основе лежит явление вращения веществом плоскости поляризации светового потока;

- рефрактометрические - в основе лежит явление преломления светового потока;

- нефелометрические - в основе лежит явление рассеяния светового потока.

Существует также:

1. Атомная спектроскопия. Она основана на исследовании спектров испускания и спектров поглощения электромагнитного излучения веществом, находящимся в состоянии разреженного атомарного газа (атомно-эмиссионный и атомно-флуоресцентный методы, атомно-абсорбционный метод, рентгеноспектральные методы).

2. Молекулярная спектроскопия поглощения в УФ- и видимой спектроскопии области, ИК-спектроскопия. С их помощью можно идентифицировать и количественно определить вещество, находящееся в молекулярной форме.

Оптические методы в современной промышленности являются наиболее распространенными и используются для изучения различных параметров продуктов (в том числе и сельское хозяйство). С помощью них можно определять наличие токсичных металлов, содержание витаминов, сахаров и др.

Наиболее интересные разработки в этой сфере исследований:

1. Дифференциальные оптические методы контроля состояния растений [1, 2].

В работе были использованы комплексный подход, сочетающий в себе математическое моделирование взаимодействия оптического излучения с растительной тканью, экспериментально реализованные оптические методы контроля - обратного рассеяния и флуоресценции, а также биохимические методы анализа природных пигментов.

2. Оптические методы для контроля растений при внешнем воздействии [3].

В работе представлены результаты исследований изменения спектральных характеристик различных типов растений при внешнем воздействии. В качестве контролируемого оптического параметра был использован дифференциальный оптический коэффициент. Методом флуоресцентной конфокальной микроскопии проведен детальный анализ структурных изменений в клетках растения.

Микроскопически доказано, что механизм деградации хлорофилла в присутствии внешних факторов связан с изменениями на мембранном уровне и, как следствие, оптических характеристик биологической среды.

3. Рефрактометрический анализ [4]. Основан на определении показателя (коэффициента) преломления исследуемого вещества.

Данный анализ экспериментально прост, его аппаратурное оснащение недорого и несложно, поэтому его использование является привлекательным.

Необходимым условием применения рефрактометрии для количественного определения содержания контролируемого вещества в какой-то среде является то, что показатель преломления в контролируемой системе должен изменяться в достаточно широком диапазоне.

4. Поляриметрический анализ [4]. Является более специфичным. Поляриметрия может быть использована только при работе с так называемыми оптически активными веществами, т.е. веществами, способными вращать плоскость поляризации проходящего через них света.

Представления об оптической активности вещества основаны на электромагнитной теории света и теории взаимодействия электромагнитного излучения с веществом.

Практически плоскополяризованный луч получают пропусканием естественного луча через призмы или пластинки, вырезанные из оптически активных минералов.

5. Нефелометрический и турбидиметрический анализ [4].

Нефелометрический и турбидиметрический методы анализа основаны на явлении рассеяния или поглощения света твердыми или коллоидными частицами, находящимися в жидкой фазе во взвешенном состоянии.

6. Спектральные методы (атомноэмиссионный, атомно-флуоресцентный, атомно-абсорбционный) - относятся к оптическим методам определения элементного состава вещества [4].

Особенности атомных оптических спектров определяемых элементов связаны со строением внешних электронных оболочек атомов. Эти внешние электроны также называют оптическими электронами. Атомы со сходным строением внешних электронных оболочек имеют не только сходные химические свойства, но и близкие по строению оптические спектры. Характеристические оптические спектры элементов можно наблюдать только в том случае, когда их атомы изолированы, иначе говоря когда исследуемое вещество атомизировано и имеет при этом малую плотность, т. е. находится в газо- или парообразном состоянии.

7. Рентгеновская спектроскопия [4]. Возникновение спектральных линий в рентгеновском диапазоне длин волн (0,01–100 Å) связано с перестройкой внутренних электронных оболочек соответствующих атомов. Эти внутренние электронные оболочки при образовании молекул практически не затрагиваются и поэтому рентгеновские характеристические спектры отдельных атомов можно наблюдать даже тогда, когда они связаны в молекулы. Внутренние оболочки атомов полностью заполнены, поэтому переход с одной оболочки на другую невозможен до тех пор, пока в одной из них не появится вакантное место.

Достоинствами метода являются: универсальность; независимость сигнала от химической формы элемента и агрегатного состояния вещества; широкий диапазон определяемых содержаний; высокая точность (погрешность ~1%); экспрессность; относительная простота спектра и его расшифровки. Метод позволяет анализировать образцы без их разрушения.

Недостатки метода: сравнительно высокие пределы обнаружения; неприменимость для определения элементов легче натрия и лишь частичная применимость для обнаружения элементов, стоящих в таблице Менделеева до кальция; матричные эффекты, которые, однако, сравнимы с помехами в других методах.

8. Фотометрический анализ [4].

Это метод анализа основан на измерении поглощения излучения УФ- и видимого диапазона веществом, находящимся в молекулярном состоянии. Является методом молекулярной абсорбционной спектроскопии, в основе которой лежит изменение электронно-колебательно-вращательного состояния вещества.

Фотометрический анализ подразделяют на колориметрию, фотометрию и спектрофотомерию.

9. ИК-спектроскопия [4].

10. Люминесцентный анализ [4].

Это совокупность методов молекулярной эмиссионной спектроскопии, основанных на явлении люминесценции. При проведении этого анализа регистрируется либо собственное свечение исследуемого объекта, либо свечение люминофоров, которыми обрабатывают объект.

11. Оптический контроль роста растений спектральным методом [5].

Исследована возможность применения спектральных методов для оценки скорости роста растений в начальной фазе в зависимости от концентрации питательных веществ.

Авторами была собрана экспериментальная установка на базе спектрофотометра AndoriDus 416.

Полученные результаты показали, что оптический контроль роста растений флуоресцентным методом позволяет проводить мониторинг состояния в режиме реального времени и в соответствии с полученными данными делать выводы о скорости роста растений в начальной фазе в зависимости от концентрации питательных веществ, в то время как визуальный контроль не позволяет этого сделать.

12. Определение подофиллотоксина методом планарной хроматографии [6].

Авторами разработана методика количественного определения подофиллотоксина в растительном сырье методом планарной хроматографии.

13. Интроскопические методы отбора для экспериментов однородных биологических объектов [7].

В работе были рассмотрены возможности применения рентгенографического и оптических методов для проведения неразрушающего контроля биологических объектов, в частности, семян и листьев сельскохозяйственных растений.

14. Метод активного контроля температурно-радиационного режима роста растений [8].

Авторами предложен метод и алгоритм реализации активного контроля температурно-радиационного режима роста растений.

Предлагаемый метод базируется на инверсной взаимосвязи температуры и относительной влажности воздуха.

15. Оптические методы в исследовании масляных экстрактов и шротов растительного сырья [9].

Проведено исследование кинетики экстракции и экстрактивные свойства разных органов растений тремя независимыми оптическими методами - рефрактометрии, инфракрасной и впервые примененной электронной спектроскопии отражения (ЭСДО).

Авторы сравнили сухое измельченное лекарственное и пряно-ароматическое растительное сырье различной природы, его масляные экстракты и шроты, полученные в процессе горячей вытяжки рафинированным подсолнечным маслом. Объектами изучения были выбраны зверобой, аир, имбирь, чистотел, календула, крапива (трава, цветы, корни).

Список литературы:

1. Тимченко Е.В. Дифференциальные оптические методы контроля состояния растений : диссертация ... кандидата физико-математических наук : 01.04.05 / Тимченко Елена Владимировна; [Место защиты: Сам. гос. аэрокосм. ун-т им. С.П. Королева].- Самара, 2009.- 117 с.: ил. РГБ ОД, 61 09-1/707 [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://www.dslib.net/optika/differencialnye-opticheskie-metody-kontrolja-sostojanija-rastenij.html (дата обращения: 5 марта 2019).

2. Тимченко Е.В. Дифференциальные оптические методы контроля состояния растений : автореферат диссертации ... кандидата физико-математических наук : 01.04.05 / Тимченко Елена Владимировна; [Место защиты: Сам. гос. аэрокосм. ун-т им. С.П. Королева].- Самара, 2009.- 117 с.: ил. РГБ ОД, 61 09-1/707 [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://fizmathim.com/differentsialnye-opticheskie-metody-kontrolya-sostoyaniya-rasteniy (дата обращения: 5 марта 2019).

3. Тимченко Е.В., Таскина Л.А. Применение оптических методов для контроля растений при внешнем воздействии. Самарский государственный аэрокосмический университет имени академика С.П. Королёва (национальный исследовательский университет), 2012 [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://www.ssc.smr.ru/media/journals/izvestia/2012/2012_4_221_226.pdf (дата обращения: 5 марта 2019).

4. И.И. Глоба Оптические методы и приборы контроля качества продукции. Тексты лекций по одноименной дисциплине для студентов специальности 1-54.01.02, Минск, 2009. [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://www.belstu.by/Portals/0/userfiles/66/EUMK/ОМИПКК/ТЕОРЕТИЧЕСКИЙ%20РАЗДЕЛ/Teksti-lekcij-Globa-I-I--Opticheskie-metodi-i-pribori-kontrolya-kachestva-pro.pdf (дата обращения: 5 марта 2019).

5. Василькин М.С. Оптический контроль роста растений спектральным методом. Материалы Всероссийской научно-технической конференции. Под редакцией А.И. Данилина. Изд-во: Общество с ограниченной ответственностью "Офорт", Самара, 2017. С. 225-228.

6. Мурадханов Р.Р., Мезенова Т.Д., Дмитриев А.Б., Коновалов Д.А., Меликова Л.Н. Определение подофиллотоксина методом планарной хроматографии Сборник научных трудов. Пятигорская государственная фармацевтическая академия. Пятигорск, Изд-во: Пятигорская государственная фармацевтическая академия, 2011. С. 428-430.

7. Архипов М.В., Баденко А.Л., Лискер И.С., Гусакова Л.П., Бычковская Н.Ю. Интроскопические методы отбора для экспериментов однородных биологических объектов. Научно-технический бюллетень по агрономической физике, 1990. С. 3 - 6. № 78.

8. Мамедбейли А.Г., Пашаев Н.М., Джавадов Н.Г. Метод активного контроля температурно-радиационного режима роста растений известия вузов. Прикладная химия и биотехнология, 2013. С. 47-52. № 2 (5).

9. Плотникова Л.В., Нечипоренко У.Ю., Плотникова Н.А., Успенская М.В., Ишевский А.Л. Оптические методы в исследовании масляных экстрактов и шротов растительного сырья. Научный журнал НИУ ИТМО. Серия: процессы и аппараты пищевых производств. Изд-во: Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики (Санкт-Петербург), 2017. С. 33-42. № 3.

Код для цитирования: Скопировать