Тема №1 Сенсорный (органолептический) анализ

Тема №1 Сенсорный (органолептический) анализ

Общая характеристика органолептического анализа и его назначения

Органолептика – наука, изучающая свойства пищевых продуктов их промышленных форм и ингредиентов, вызывающих сенсорную реакцию человека.

Органолектика – наука о сенсорных свойствах сред и ингредиентов и их измерений с помощью органов чувств человека, биологических объектов и искусственных систем.

Различают качественный и количественный органолептический анализ. Качественный анализ объекта используется для характеристики проявления его свойств без их количественной оценки. Количественный анализ предназначен для количественной оценки силы выраженности свойств и основан на количественных характеристиках человека, проводят его только эксперты. Основное назначение количественного анализа – проверка соответствия продукции требованиям ТНПА, определения уровня качества продукции, определения безопасности и порчи продукции.

Классификация видов органолептического анализа и их характеристика

Основные виды анализа определяются совокупностью органов чувств (зрение, слух, вкус, обоняние, осязание, интуиция). Различают следующие виды органолептического анализа: визуальный, обонятельный, вкусовой, осязательный.

Визуальный метод используется на первом этапе анализа как не разрушающий метод контроля, является наиболее чувствительным методом, используется для характеристики форм, размеров и т.д.

Количественными характеристиками вкусового анализа являются порог ощущения, порог распознавания, порог различения, порог насыщения. Интенсивность вкуса выражается в балах, вкусовая стойкость. Адаптация время, в течение которого начинает снижаться вкусовая чувствительность.

Осязательный органолептический анализ

Осязание – восприятие текстуры, формы, размеров, массы, консистенции, давления, температуры. Существует 3 вида тактильных рецепторов:

1) Реагирует на касание – неустойчивая деформация.

2) Реагирует на давление – статическую деформацию.

3) Реагируют на вибрацию – пульсирующую деформацию.

Текстура – макроструктура объекта (твёрдая, волокнистая, клейкая, хрупкая, рассыпчатая, однородная, неоднородная, шершавая и т.д.).

Упругость – характеристика текстуры, обусловленная скоростью и степенью восстановления исходных размеров после деформации.

Пластичность – способность сохранять деформацию без разрушения после прекращения воздействия.

Хрупкость – способность разрушаться при деформации.

Консистенция – совокупность свойств текстуры, характеризующих её реологические свойства, жидкая, твёрдая, газообразная. В текстуру входят механические характеристики (связанные с силовым воздействием), геометрические, характеризующие макроструктуру.

Организация сенсорных исследований

Для получения оптимального эффекта от применения органолептических методов оценки качества товаров, необходимо наличие квалифицированных дегустаторов, оценку профессиональной пригодности дегустаторов проводят исходя из специфики поставленной задачи. Сенсорную чувствительность делят на 4 группы: чувствительную, среднюю, удовлетворительную, низкую. Для работы в качестве дегустаторов выбирают лиц, имеющих удовлетворительную чувствительность и выше.

Профессиональный отбор дегустаторов – система мероприятий направленная на выявление индивидуально-личностных и межличностных качеств человека для его успешной деятельности.

Оценка осуществляется в 3 этапа:

1) Клинические испытания.

2) Оценка сенсорной чувствительности.

3) Психологические испытания.

При проверке на вкусовой дальтонизм испытуемому предлагают пробы основных вкусов (модельный раствор с достаточно высоким содержанием веществ, который он должен распознать).

Вкус раствора	Химическое вещество	Концентрация в гр/л
Солёный вкус	NaCl	5гр/л
Кислый вкус	Винная кислота	0.2 гр/л
Сладкий вкус	Сахароза	20 гр/л
Горький вкус	Иодид калия, хинин гидрохлорид	0.0015 гр/л

Для проверки обонятельной способности применяют следующие растворы:

Запах раствора	Химическое вещество	Концентрация
Уксусный запах	Яблочный уксус	1%
Тимоловый запах	Тимол	0.1 гр/л
Мятный запах	Мятное эфирное масло	0.01 гр/л
Спиртовой запах	Этанол	5%

Сенсорную чувствительность органов чувств и обоняния тестируют на распознавательную и различительную. Для определения распознавательной чувствительности применяются следующие растворы:

Вещество	Уровень/концентрация вкусового вещества гр/л
4 (высокий)	3 (хороший)	2 (средний)	1 (низкий)
Хлорид натрия	0.5	0.75		1.5
Винная кислота	0.025	0.04	0.05	0.09
Сахароза		3.5	5.2	6.5
Хинин гидрохлорид	0.0003	0.0005	0.0007	0.00095

Для определения обонятельной чувствительности применяются:

Вещество	Уровень/концентрация
4 (высокий)	3 (хороший)	2 (средний)	1 (низкий)
Тимол, гр/л*10^-4	Гр/л 4*10^-4
Яблочный уксус, %	0.007 %	0.01 %	0.025 %	0.06 %
Ментоловое масло, гр/л*10^-4
Этанол, %	0.04	0.08	0.2	0.6

Для определения различительной и распознавательной вкусовой чувствительности используют разные концентрации данных или иных веществ и градация осуществляется так же по 4-ёх бальной шкале.

Формирование групп дегустаторов включает 4 этапа: отбор, теоретическая подготовка, тренировка, проверка. Для оценки работы дегустаторов используют индекс повторяемости, представляет собой статистическую величину правильности оценки при анализе и использовании бальных шкал и выражает среднее отклонение результатов оценки при многократных испытаниях одних и тех же продуктов.

Профессиональная информированность дегустатора должна включать соответствующие знания товароведа, технологии производства, хранение продуктов, а так же знание о факторах, влияющих на сенсорные исследования, методах развития сенсорных способностей, их применение и знание возможностей подавления субъективных факторов. Обучение отобранных лиц состоит в теоретической подготовке, практическая часть. Отобранные обученные и прошедшие тренировку дегустаторы должны регулярно проходить проверки гарантирующие надёжность результатов.

Из отобранных кандидатов образовывают дегустационные комиссии, которые бывают производственными и исследовательскими. Производственные выявляют и отбраковывают некачественный продукт, а так же устанавливают причины его возникновения и принимают меры по ликвидации причин (дегустаторы должны обладать средней чувствительностью, уровень 2). Исследовательские комиссии определяют взаимосвязь между отдельными показателями качества, совершенствуют методы анализа, решают иные научные задачи (уровень чувствительности не менее 3). Как правило, комиссия состоит из 5-9 человек во главе с председателем. При работе комиссии дегустаторы должны руководствоваться разработанной для конкретного случая инструкцией, содержащей оценочную таблицу, словесную характеристику каждого уровня качества продукции, методику анализа. Каждый дегустатор оценивает продукцию индивидуально в специально оборудованной лаборатории, результаты работы заносятся в дегустационные листы, а полученные результаты работы группы сводятся в протокол обработки дегустационных листов. Результаты работы дегустационной комиссии выражает в баллах как среднее арифметическое значение, присуждаемое каждой пробе. Воспроизводимость результатов испытаний характеризуется повторяемостью и сравнимостью.

Повторяемость – количественное выражение величины случайных ошибок дегустационной комиссии, когда она в одинаковом составе, при одинаковых условиях испытаний один и тот же день получает различные результаты оценки одной и той же пробы продукта.

Сравнимость – количественное выражение величины случайных ошибок, которые возникают, когда различные комиссии получают различные результаты для одной и той же пробы при сходных условиях испытаний.

Методы сенсорного анализа

1) Предпочтения – основывается на логическом заключении и применяется для потребительской оценки товаров, в данном случае опрашиваемый отвечает на вопрос, нравится ему или нет предлагаемый товар. В данном методе используется шкала: очень нравится, нравится, не очень нравится, очень не нравится. Для получения более точных ответов используются опросные анкеты. Данные методы используются специалистами, а так же и не профессионалами.

2) Методы сравнений, позволяют определить различие между несколькими образцами, а так же величину и направленность этих различий. Методы могут быть симметричными и асимметричными (разные количества единиц образцов).

3) Метод парных сравнений, заключается в том, что испытуемым дают две пробы. Необходимо установить разницу, между ними или какая проба интенсивнее, предпочтительнее. Метод прост и не требует большого количества образцов.

4) Метод треугольных сравнений, дегустатору предоставляется три пробы, в состав которых входит два одинаковых образца и один отличающийся.

5) Двупарный метод, дегустатора предоставляют два неизвестных образца и эталон, необходимо выбрать образец соответствующий эталону.

6) Тетрайдный метод, использует четыре пробы, которые попарно незначительно различается между собой по оргонолептическим свойствам, нужно выбрать лучший образец.

7) Метод расстановки, предполагает наличие трёх и более образцов и дегустатор должен расставить беспорядочно поданные образцы в порядке возрастания интенсивности или убывания какого-либо свойства (при исследовании влияния изменения рецептуры на некоторые показатели качества продукции).

8) Метод разбавлений, жидкий продукт подвергается серии разбавлений до получения такой его концентрации, при которой исследуемые признаки не обнаруживаются оргонолептически, а интенсивность признаков оценивают по числу разбавлений. При изучении показателей плотных продуктов данным методом может применятся экстрагирование.

9) Методы бальной оценки, результаты оценки продукции выражаются по средствам безразмерных чисел называемых баллами, совокупность которых в определённом диапазоне образует бальную шкалу. Различают четыре вида шкал: номинальная, порядковая, интервальная, рациональная.

10) Профильный метод, каждое из органолептических свойств оцениваются дегустаторами по качеству интенсивности и порядку выявления. Профиль вкусности пива оценивают так, аромат: хмелевый, фруктовый, дрожжевой, кислый, солодовый, смолистый, финил уксусной кислоты; вкусности: солёное, сладкое, кислое, фруктовое, горькое, дрожжевое, солодовое, финил уксусной кислоты, вяжуще терпкое;

 

 

Закон Бугера-Ламберта-Бера

Закон Бугера-Ламберта-Бера: оптическая плотность раствора прямопропорцианальна концентрации светопоглощающего вещества, толщине слоя раствора и молярному коэффициенту светопоглощения.

E – постоянная величина для конкретного вещества не зависит от концентрации длинны и интенсивности входящего светового потока, но зависит от длинны волны. Графическая зависимость оптической плотности A раствора от длинны волны света называют спектром поглащения.

Оптическую плотность раствора измеряют фотоэлектроколориметрами (ФЭК). И спектрофотометрами.

Принцип работы ФЭК заключается в том, что световой поток прошедший через кювету с раствором попадает на фотоэлемент который преобразует энергию света в электрическую энергию измеряемую микроамперметром.

Схема однолучевого ФЭК:

Работа ФЭК: диафрагму регулируют так, чтобы стрелка микроамперметра отклонялась на всю шкалу до деления 100 (кювета с чистым растворителем). Не изменяя отверстия диафрагмы помещают кювету с анализируемым окрашенным раствором, при этом стрелка микроамперметра показывает светопропускание (Т, %), который перещитывают на оптическую плотность.

A=-lg T Т=I_t/I_o

Для измерения светопоглощения выбирают такую длину волны, при которой возможен минимальный предел обнаружения.

ФЭКи снабжены специальной кассетой со светофильтрами, применяемый светофильтр должен пропускать лучи такой длинны, которая поглащается анализируемым раствором.

Оптическая плотность А анализируемого вещества можно измерить последовательно при всех светофильтрах и выбрать тот, при котором оптическая плотность наибольшая.

Аналитические задачи, решаемые фотометрическими методами:

1) Определения, основанные на собственном светопоглощении веществ (определение кофеина в чае).

2) Определение связанные с образованием интенсивно окрашенных продуктов при добавлении бесцветного реактива к бесцветному раствору определяемого вещества (определение белков, нитритов).

3) Определения основанные на измерении интенсивности окраски избытка окрашенного реактива (определение сахаров по избытку дихромата калия).

Схема спектрофотометра:

Спектрофотометрия основана на тех же законах светопоглащения, что и фотоэлектроколярометрия. Возможность проводить измерения оптической плотности как видимой так и ближней УФ и ИК света. Точные результаты получаются когда оптическая плотность примерно равна 0.4, а если ОП 0.8 и больше то применяют кюветы с меньшей длинной, если ОП 0.1 то используют кюветы с большей длинной.

Основы спектроскопии

Спектроскопический метод – метод, основанный на взаимодействии вещества с электромагнитным излучением.

Электромагнитные излучения – вид энергии, который распространяется в вакууме со скоростью 300000 км/с и которая может выступать в форме света, теплового, УФ излучения, микро-, радиоволн, гамма и рентгеновского излучения.

Свойства электромагнитного излучения описывают исходя из теорий его волновой и корпускулярной природы.

Для описания явлений поглощения и не пускания электромагнитного излучения необходимо использовать представления о его корпускулярной природе. При этом излучение представляют в виде потока отдельных частиц – фатонов. Энергия такой частицы находится в строгом соответствии с частотой излучения.

Атомизаторы

Простейшим способом перевода пробы в атомарное состояние является пламя. В последствии для улучшения чувствительности определения был предложен электрометрический способ атомизации – графитовые печи.

При пламенном способе атомизации раствор пробы распыляют в пламя в виде мелких капель, горючая смесь для поддержки пламя состоит из горючего газа и газа окислителя.

Окислитель может одновременно служить распыляющим газом или подаваться в горелку отдельно (вспомогательный газ), для определения большинства элементов используют смесь ацитилен-воздух, в пламени происходит испарение составных частей пробы, их дисоциация на свободные атомы, возбуждение атомов под действием внешнего излучения, ионизация атомов. Эти же процессы протекают в атомизаторах других типов.

Электротермический способ атомизации – с использованием графических трубок нагреваемых электрическим током (графитовые кюветы). Длинна трубки 30-50мм внутренний диаметр около 10мм.

Расход пробы примерно 10мкл вводят в кювету и нагревают по специальной температурной программе подводя напряжение через металлические контакты (до 3.000 градусов кельвина), путём программируемого повышения температуры до100-110 ^оС раствор пробы сначала высушивают в защитной атмосфере энертного газа (оргона), затем пробу озоляют повышая температуру до 500-700 градусов в процессе озоления удаляются летучие компоненты, затем температуру повышают до 2-3 тыс кельвина при этом происходят процессы диссоциации, возбуждения и др. описанные выше.

Монохроматор

Роль монохроматора в ААС. Заключается в отсечении лишних линий испускания лампы с полым катодом, молекулярных полос и постороннего внешнего излучения. Из-за слишком широких спектральных полос пропускания использование светофильтров в ААС не возможно. Обычно для монохроматизации в ААС используют дифракционные решётки, содержащие до 3-ёх тысяч штрихов на миллиметр, в качестве приёмников излучения применяют фотоэлектронные умножители.

На катод попадает фатон и выбивает из него электрон в вакуумном пространстве между катодом и анодом возникает электрический ток. Электрон, вылетевший из катода, бомбардирует ближайшиё к нему динод и выбивает из него несколько вторичных электронов, те в свою очередь бомбардируют следующий динод. В результате число выбитых электронов увеличивается лавинообразно.

Количественный анализ по закону Бугера-Ламберта-Бера.

Практическое применение: методом ААС можно определить до 70 металлов, неметаллы, как правило, непосредственно определить нельзя, существуют способы косвенного определения неметаллов, методом ААС можно определять как следовые так и достаточно высокие содержания.

Недостатки ААС: одноэлементный метод анализа (требуется новая лампа с полым катодом), для более быстрого определения устанавливается барабан с лампами.

Количественный анализ

Количественный анализ. Особенность метода РПА – наличие сильных матричных эффектов. Помимо непосредственного возбуждения атомов определяемого элемента первичным рентгеновским излучением, может наблюдаться ряд других явлений. Взаимодействия излучений с веществом: возбуждение атомов определяемого элемента под действием вторичного излучения от атомов элементов матрицы; поглощение первичного излучения элементами матрицы – уменьшается интенсивность возбуждающего излучения и уменьшается аналитический сигнал; поглощение вторичного излучения атомами матрицы 9 занижение аналитического сигнала). Способы коррекции матричных эффектов:

1) Использование внешнего стандарта образца, максимально близко соответствующего анализируемой пробе. В этом случае матричные эффекты в равной мере сказываются на скорости счёта и для образца, и для стандарта.

2) Специальная пробоподготовка – пробу можно сильно разбавить слабопоглощающим материалом сахарозой или целлюлозой, влияние матричных эффектов сильно уменьшается.

3) Расчётный метод – использование теоретических представлений о взаимодействии вещества с рентгеновским излучением.

Практическое применение

Практическое применение. Методом РФА определяют главные компоненты при анализе материалов металлургической, строительной, стекольной, керамической, топливной промышленности, геологии, а в последнее время для анализа объектов окружающей среды в медицине и научно исследовательских целях. Методом РПА можно определить 83 элемента от фтора до урана. Анализируют твёрдые образцы - порошкообразные, стеклообразные, металлические.

Порошкообразные должны иметь размер зёрен менее 30 микрометров для обеспечения воспроизводимости, их предварительно прессуют в таблетки без наполнителя или в смеси с цилюлозой или графитом. Для гомогенизации пробы используют плавление, сплавляют с натрием или литием до стеклообразной массы. Металлические образцы анализируют как есть.

Основное достоинство метода РПА – возможность не разрушающего контроля, удобен для анализа приповерхностного слоя материалов и произведений искусств. Выпускаются прототивные спектрометры, которые легко доставить к анализируемому объекту.

Источники излучения

В качестве источников излучения в ИК области используется раскалённые твёрдые тела. Для таких источников распределение интенсивности излучения по длин. Волн зависит от температуры и описывается законом Планка. Это распределение не равномерно и имеет чётко выраженный максимум. Для ИКС необходимо отсечь интенсивное кратковременное излучение в видимой области и оставить более длинноволновое и менее интенсивное излучение в ИК области.

Наиболее распространённые источники ИК излучения это штифты Нерста, изготовленные из оксидов иттрия и циркония, а так же из корбида кремния.

Их нагревают до высоких температур с помощью электрического тока (800-1900 ^oC).

Для дальней ИК области используют специальные источники излучения – ртутные разрядные лампы высокого давления. В ближнем можно использовать лампы накаливания с вольфрамовой нитью.

Подготовка проб

Пробоподготовка трудоёмка относительно других спектральных методов. Для газообразных проб используют специальное вакуумирование (толщина от мм до м). Чаще всего анализируются жидкие пробы, при этом в качестве растворителя ни вода, ни спирт не подходят. Применяют органические растворители, очищенные от воды. В качестве растворителей применяют: нуйол, ацетон, бензол. Чтобы собственное поглощение растворителя было, как можно меньше используют тонкие кюветы (до 1 мм).

Твёрдые образцы анализируют непосредственно, если из материала можно приготовить тонкий слой

Измельчённую в порошок пробу смешивают с нуйолом до однородной смеси, которая помещается между двумя окошками кюветы. Окошки прижимают друг к другу, избавляясь от пузырьков воздуха.

Монохроматоры

В ИКС в качестве монохраматоров можно применять как призмы, так дифракционные решётки. В зависимости от исследуемого спектрального диапазона, применяют призмы из кварца, LiF, NaCl, KBr, CsI. В настоящее время преобладают решётчатые монохраматоры. Достоинства:

- высокая равномерная разрешающая способность,

- механическая и химическая устойчивость,

- широкий рабочий диапазон спектра.

Детекторы

В качестве детекторов используют термопары. Термопара преобразует энергию ИК излучения в тепловую, а затем в электрическую. Возникающая при этом разность потенциалов регистрируют обычным способом.

Балометр работает по принципу термометра сопротивления. Рабочим материалом является металл или сплав (платина, никель и т.д.), электрическое сопротивление сильно изменяется с изменением температуры.

Общей проблемой измерения интенсивности ИК излучения является наличие значительного теплового шума окружающей среды при небольшом полезном сигнале. Поэтому детекторы ИК излучения максимально изолируют от окружающей среды.

Устройство ИК спектрометра

Как правило, Ик-спектрометр работает по 2-х лучевой схеме: 2 параллельных световых потока пропускают через кювету с анализируемым образцом и кювету сравнения – это позволяет уменьшить погрешности, связанные с рассеянием, отражением и поглощением света, материалом кюветы и растворителем. Свет, испускаемый источником, делится на 2 потока: один из которых проходит через измерительную кювету, а второй через кювету сравнения. Затем оба потока падают на зеркало, вращающееся с определенной частотой, это зеркало разделено на 4 равных сектора (по 90), 2 из них прозрачные, а 2 других отражающие. Световые потоки поочередно попадают на монохроматы (по схеме Литтрова). Световой луч отражается зеркалом Литтрова и дважды проходит через призму. Затем с помощи системы зеркал направляется на детектор. Сканирование спектра осуществляется при помощи поворота зеркала Литтрова или призм. В качестве детектора применяют высокочувствительную термопару. Электрическая схема усилителя собрана так, чтобы при одинаковых интенсивностях измеряемого светового потока и потока сравнения, результирующий ток был нулевой. При поглощении света в измеряемой кювете интенсивность, соответствующего светового потока уменьшается. Это вызывает появление в цепи электрического тока, который приводит в действие мотор. Мотор перемещает клин-ослабитель в световой поток сравнения на столько, чтобы снова выровнять интенсивность обоих сигналов, таким образом, положение клина характеризует степень поглощения света. Одновременно информация о положении клина подается на регистрирующее устройство. Данные о текущей длине волны определяется по положению зеркала Литтрова.

ИК-спектрометр с Фурье преобразованием (самостоятельно, на экзамене не будет).

Качественный анализ

Качественный анализ используется для решения задач различного типа. Ик-спектр позволяет установить природу вещества, сравнивают экспериментальный спектр неизвестного вещества со спектрами, имеющимися в спектральной библиотеке. Ик-спектр позволяет выяснить отвечает ли строение вещества предлагаемой формуле, а также выбрать среди нескольких структур наиболее вероятную. Можно предположить структуру вещества. При исследовании структуры веществ методом ИК-спектроскопии необходимо придерживаться следующих основных положений:

1) Для регистрации ИК-спектра следует использовать чистое вещество;

2) Необходимо знать дополнительную информацию о веществе (какой класс веществ и т.п.)

3) Отсутствие полосы в некоторой области частот – надежное доказательство того, что соответствующий структурный фрагмент в молекуле отсутствует. Однако, наличие полосы еще не свидетельствует, что в молекуле имеется данная группа.

4) Для рассматриваемой группы следует найти все её характеристические спектральные полосы

5) В первую очередь необходимо исследовать полосы в тех областях спектра, где их мало.

6) Достоверное отнесение структуры возможно лишь тогда, когда все характеристические полосы проидентифицированы и имеется спектр аналогичного построенного соединения для сравнения.

Данный метод чаще всего используют совместно или в сочетании других методов.

Количественный анализ

Для количественного анализа, средняя ИК-область не столь пригодна как УФ или видимая. Интенсивность источников излучений здесь невелика. Чувствительность детекторов невелика. Сложность создает очень малая толщина кювет, которую трудно воспроизвести или измерить. Уровень рассеянного излучения в ИК-области значительно выше чем в УФ и видимой. Тщательная градуировка с использованием стандартных образцов, а также применение современной аппаратуры позволяют в какой-то степени преодолеть эти трудности и использовать ИК-спектроскопию для количественного анализа. С помощью данного метода определяют отдельные ароматические углеводороды, глюкозу в сыворотках крови, загрязнители воздуха (СО, ацетон, атилен-оксид, хлороформ). Большое значение для Ик-анализа имеет ближняя ИК-область. Методом спектроскопии в ближней ИК-области можно непосредственно определять октановое число бензина.

Оптическая микроскопия

Микроскоп – это оптический прибор для получения увеличенных изображений объектов.

Микроскоп состоит из двух систем из окуляра и объектива. Объектив расположен близко к образцу (эпсилон). Создает первое увеличенное изображение объекта (эпсилон ’). Это изображение увеличивается в 2 или более раз для глаза смотрящего эпсилон''. На сетчатке формируется изображение эпсилон''' под значительно большим углом, что и определяет большое увеличение микроскопа.

1677 год изобретен микроскоп, Ливенгук впервые увидел простейшие организмы, просматривал пробу воды из канавки. В современных микроскопах применяются сложные оптические системы, а также создаются специальные условия освещения объектов. В результате такой микроскоп может увеличивать в несколько тысяч раз. N_оптприблизительно равно 10*10*10.

Если объект освещается обычным белым светом, то изображение объекта получается не резким. В системе линз оптические пучки лучей разного цвета не совпадают, они имеют разный путь, в результате изображение для каждой длинны волны получается сдвинутым, так как оптическая система разлагает белый свет в спектр. В результате мелкие детали становятся не различимы, чтобы организовать монохроматическое освещение в микроскопах используют специальные лампы и оптические фильтры, наиболее приближенные к монохроматическому свету одной длинны волны является излучения некоторых лазеров. Даже в случае монохроматического освещения существует предел разрешающей способности микроскопа, этот предел обусловлен волновой природой света, которая проявляется в дифракции световой волны на краях линз оптической системы.

Рисунок. А – общий вид дифракционной картины при наблюдении двух мелких объектов на небольшом угловом расстоянии. Б – предел разрешения двух точек по Реллею.

В оптической микроскопии для характеристики возможности увеличения фактической микроскопии используют понятия предельный угол разрешения и разрешающая способность. Предельный угол разрешения это угол при котором первое тёмноё дифракционной картины проходит через светлый центр второго, зависит от ƛ освещающего объекта, при этом минимальное разрешаемое микроскопом расстояние определяется по формуле:

E_min=ƛ/2А

A – числовая опертура. A≤1, зависит от материала и материала линзы.

Разрешающая способность микроскопа это величина обратная предельному углу разрешения. Правило Реллея – предельное разрешение оптического микроскопа не может быть больше половины длинны волны освещающего объект света.

Электронная микроскопия.

Был придуман в 1930 годы, чтобы увеличить разрешающую способность предложили вместо светового излучения использовать излучение фотонов (поток электронов) длинна волны которых определяется по формуле:

ƛ=h/mv – длинна волны Дебройля.

h – 6.624*10^-24 Дж*м

m – 0.9*10^-27

v – скорость электрона.

Предельная разрешающая способность электронных микроскопов в 1000 раз больше чем у оптических микроскопов. Для того чтобы получить изображение в микроскопе используется поток электронов испускаемых раскалённым катодом. Управляются электроны с помощью внешних электромагнитных полей. Электронное изображение формируется электрическими и магнитными полями так же как световое оптическими линзами. Устройство фокусировки и рассеяния электронного пучка называют электронными линзами. Поскольку глаз не может непосредственно воспринимать электронные пучки, то они направляются на люминисцетные экраны мониторов. Можно увидеть отдельные атомы. Наибольшее распространение получил растровый микроскоп (РЭМ). В таком микроскопе тонкий луч электронов диаметром 10нм сканирует образец по горизонтальным строчкам и синхронно передаёт сигнал на монитор, аналогичен работе телевизора. Источник электронов металл (вольфрам), из которого при нагревании испускаются электроны – термоэлектронные эмиссии. Необходимость работы в полном вакууме, поскольку наличие газов внутри камеры может привести к его ионизации и исказить результаты. Электроны оказывают разрушительное воздействие на некоторые вещи. Позволяет увидеть атомную решётку, различить атом, однако его разрешения недостаточно, чтобы увидеть атомную структуру или наличие химических связей в молекуле. Для этой цели используют нейтронные микроскопы.

Нейтронные микроскопы. Нейтроны входят вместе с протонами, входят в состав атомных ядер и имеют массу в 2000 раз больше чем электроны. Разрешающая способность в 1000 раз выше, чем у электронных микроскопов. Основной недостаток нейтроны не могут управляться электромагнитными полями, поэтому соорудить их очень трудно.

Атомно-силовой микроскоп

Атомно-силовой микроскоп (1986 г.), сходен с принципом действия туннельного микроскопа. Измеряет силу связи атомов. Приближение иглы приводит к тому, что атомы иглы всё сильнее притягиваются к атомам образца, сила притяжения будет возрастать пока игла и поверхность не сблизятся настолько, что их электронные облака начнут электростатически отталкиваться, при дальнейшем сближении электростатическое отталкивание экспоненциально ослаблсяет силу притяжения. Эти силы уравновешиваются на расстоянии между атомами 0.2 нм. В качестве зонда АСМ обычно используется алмазная игла с радиусом закругления менее 10 нм, закреплённая вертикально на конце горизонтальной пластинки – консоли.

Острие сканирующей иглы называется tip, а консоль – cantilever. При изменении силы действующей между поверхностью и остриём консоль откланяется и это регистрируется датчиком (лазерный луч). Лазерный луч отражается на фотодиот, показания затем передаются на компьютер. Преимущество – возможность исследовать структуру электропроводящих образцов и не электропроводящих материалов.

Разновидности АСМ:

1) Магнитносиловой микроскоп, в качестве зонда используется намагниченное остриё. Его взаимодействие с поверхностью образца позволяет регистрировать магнитные микрополя и представлять их в виде карты намагниченности.

2) Электросиловой микроскоп, остриё и образец рассматриваются как конденсатор, и измеряется изменение ёмкости вдоль поверхности образца.

3) Сканирующий тепловой микроскоп. Регистрирует распределение температуры по поверхности образца, разрешение достигает 50 нм.

4) Сканирующий фрикционный микроскоп. Зонд скребётся по поверхности, оставляя карту сил трение.

5) Магнитно резонансный микроскоп.

6) Атомносиловой акустический микроскоп.

 

№4 Физические методы исследований.

Разделяют электрофизические и термические методы.

Двухзондовый метод

Используется для определения удельного сопротивления образцов правильной геометрической формы с известным поперечным сечением, например: используется для контроля распределения ρ (удельное сопротивление) по длине слитков полупроводникового материала. Диапазон измеряемых значений 10^-3 до 10⁴ ом*см.

При использовании двухзондового метода на торцевых гранях образца изготавливают омические контакты, через которые пропускают электрический ток вдоль образца, на одной из поверхностей вдоль линии тока устанавливают два контакта в виде металлических иголок-зондов, имеющих малую площадь соприкосновения с поверхностью, между ними измеряется разность потенциалов. Если образец однородный, то его удельное сопротивление определяют по формуле:

ρ =U₁₂A/I*S

S – расстояние между зондами.

А – площадь поперечного сечения.

I – сила тока.

Ток через образец подаётся от регулируемого источника постоянного тока. Сила тока измеряется миллиамперметром, а разность потенциалов электронным цифровым вольтметром с высоким входным сопротивлением. Условие применения двухзондового метода для количественного определения Ро – одномерность пространственного распределения эквипотенциальных линий тока (наличие градиента сопротивления по образцу и неточное соблюдение геометрических размеров приводит к возрастанию погрешности измерения).

 

Четырёхзондовый метод.