Применение флуоресцентного метода для контроля качества молока

ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ

УДК 637.12.05.008.6:535.37

Применение флуоресцентного метода для контроля качества молока

Лукашенко Елена Ивановна, студентка

e-mail: elenalukaschenko@mail.ru

ФГБОУ ВПО «Вологодский государственный университет»

Аннотация: разработан флуоресцентный метод диагностики молекулярной структуры и состава биологических препаратов, на примере молока. Метод основан на волоконно-оптической регистрации спектров флуоресценции при лазерном ультрафиолетовом возбуждении. Построены корреляционные спектры флуоресценции, позволяющие устанавливать различия в составе и структуре молочных продуктов.

Ключевые слова: флуоресценция, биологические препараты, лазер, ультрафиолетовое излучение, спектр, корреляционная функция.

Флуоресцентная спектроскопия является важнейшим инструментом при изучении сложных молекулярных объектов и систем, включая молочные продукты, биологические мембраны, протеины, ДНК и др. Этот экспериментальный метод позволяет получать детальную информацию о структуре и динамических свойствах молекулярных систем. Ключевым моментом успешного применения флуоресцентной спектроскопии является адекватный анализ получаемых экспериментальных данных.

Методы флуоресцентной спектроскопии широко применяются в биофизических, медицинских и химических исследованиях. Причиной этого служат присущая этим методам высокая чувствительность, а также удобный временной диапазон: испускание флуоресценции происходит через 10 нс после поглощения света. За этот промежуток времени может произойти множество различных молекулярных процессов, которые способны повлиять на спектральные характеристики флуоресцирующего соединения. Такое сочетание чувствительности с подходящим временным диапазоном способствует тому, что флуоресцентные методы обычно используют для изучения биологических препаратов [1].

В качестве исследуемых объектов нами были выбраны молочные продукты с различной массовой долей жирности, которые указаны в таблице 1.

Таблица 1. Исследуемые молочные продукты

Продукт Массовая доля жира № образца

Пахта 0,1-0,7% 1

Молоко 1,5% 2

Молоко 2,5% 3

Молоко 3,2% 4

Молоко отборное 4% 5

Для анализа исследуемых веществ, нами была использована спектральная установка с применением схем «на отражение» (рис. 1). Наиболее эффективным для решения такого рода задачи оказалось использование четвертой гармоники (266 нм) импульсно-периодического лазера YAG , генерирующего коротковолновое ультрафиолетовое излучение со средней мощностью 10 мВт при частоте следования наносекундных импульсов генерации 5-10 кГц. В схеме "на отражение" полезный сигнал собирается из канала с веществом практически из той же точки, из которой выходит возбуждающее излучение из смежного световода. Преимуществом данного метода является сильное ослабление возбуждающего излучения, проходящего "вперед", в то время как вторичное излучение собирается вторым световодом "назад".

Рисунок 1. Схема экспериментальной установки для анализа малых количеств веществ «на отражение»: 1,2,7 - зеркала; 3 - активный элемент; 4 - накачка; 5 - нелинейный кристалл; 6 - линза; 8 - конденсатор;

9 - фиксатор световода; 10,11 - световод; 12 - спектрограф; 13 - зонд; 14 - измеряемый образец;

15 - компьютер.

Для возбуждения и регистрации спектров флуоресценции использовалась волоконно-оптическая методика (см. работы [2-4]). Схема используемой экспериментальной установки приведена на рис. 1. При этом в качестве источника возбуждающего ультрафиолетового излучения использовалась четвертая гармоника(266 нм) лазера на алюмоиттриевом гранате, генерирующего импульсно-периодическое излучение с длиной волны 1064 нм. Средняя мощность возбуждающего ультрафиолетового излучения на поверхности анализируемого препарата составляла 10 мВт, что позволяло осуществлять анализ объекта без какой-либо его деструкции. Небольшое количество анализируемого вещества помещалось в кювету (14) (см. рис. 1).

Кварцевые световоды (10,11) использовались для подведения ультрафиолетового излучения к веществу и для отведения, возникающего в анализируемой пробе флуоресцентного излучения к малогабаритному спектрографу (12) типа FSD8. При этом пространственное разрешение на поверхности анализируемой пробы составляло 0,1мм. Используемый тип малогабаритного спектрографа позволял осуществлять регистрацию спектров флуоресценции исследуемых молочных продуктов в диапазоне 200 - 1200 нм при экспозициях 0,01-0,1с. От миниспектрометра цифровая информация о спектре вторичного излучения передавалась на компьютер. После компьютерной обработки нами были построены нормированные спектры флуоресценции молочных продуктов.

Для установления количественного отличия флуоресцентных спектров, полученных от молочных продуктов с различной жирностью, нами были построены корреляционные функции с использованием следующего соотношения:

КАХ

Здесь г'ж (Л)’1 (Л)| - нормированные спектры флуоресценции анализируемого препарата (х) и пахты (А). Соответствующие спектры приведены на рис. 2. Корреляционные спектры строились в диапазоне длин волн ^Л = 369-468 нм с интервалом разбиенияЛЛ “0,26 нм. Кроме того, были вычислены соответствующие коэффициенты корреляции анализируемых препаратов по отношению к пахте по формуле:

1 і = N

кх = А А А Л)

Близость вида спектров флуоресценции молока с различным процентным содержанием жира и пахты обусловлена присутствием в них одного и того же компонента.

Рисунок 2. Флуоресцентные спектры молочных продуктов (1 - пахта; 2 - молоко с жирностью 1,5 %; 3 - молоко с жирностью 2,5 %; 4 - молоко с жирностью 3,2 %; 5 - молоко отборное с жирностью 4,0 %; * -

вторая и третья гармоники лазерного излучения)

В таблице 2 приводятся коэффициенты корреляции молочных продуктов с разной долей жира. Нами установлено, что коэффициенты корреляции исследуемых молочных продуктов каждой исследуемой массовой доле жира различны.

Таблица 2. Коэффициенты корреляции молочных продуктов

название продукта № образца Коэффициент Коррейа А ЛЯЦИИ X

Пахта 1 эталон

Молоко 2 0,26

Молоко 3 0,38

Молоко 4 0,57

Молоко отборное 5 0,73

Таким образом, разработанный нами метод позволяет неразрушающим способом по флуоресцентным спектрам контролировать молекулярный состав и струк-

туры молочных продуктов. Возбуждение спектров флуоресценции осуществлялось четвертой гармоникой лазера на алюмоиттриевом гранате с использованием волоконно-оптического зонда и малогабаритного светосильного спектрографа.

Построены корреляционные спектры флуоресценции, позволяющие устанавливать различия в составе и структуре даже при близости вида их спектров флуоресценции. Обнаружено, что коэффициенты корреляции исследуемых молочных продуктов каждой исследуемой массовой долей жира различны. В связи с этим, предложенная нами методика позволяет также идентифицировать молочные продукты по процентному содержанию жира.

Разработанный метод может быть использован не только для контроля качества молока, но и фармацевтических препаратов, и для большого класса биоактивных структур, люминесцирующих под действием ультрафиолетового излучения.

список литературных источников:

1. Лакович, Д. Основы флуоресцентной спектроскопии / Д. Лакович. - М. : Мир, 1986. - 496 с.

2. Войнов, Ю. П. Разностная флуоресцентная спектроскопия структуры и состава биоактивных препаратов / Ю. П. Войнов, В. С. Горелик, М. Ф. Умаров, С. В. Морозова // Краткие сообщения по физике ФИАН 38 (11), 2011. - С. 13-19 .

3. Горелик, В. С. Программный пакет для анализа и математической обработки флуоресцентных спектров биоактивных препаратов / В. С. Горелик, М. Ф. Умаров, Е. И. Лукашенко // Материалы седьмой Международной научнотехнической конференции ИНФОС-2013, Вологда: ВоГТУ, 2013. - С. 49-54.

4. Пат. 2488097 Российская Федерация. Способ анализа биологических препаратов / Войнов Ю. П., Горелик В. С., Умаров М. ., Юрин М. Е.; опубл. 20.07.2013.

Application of fluorescence method for the milk quality control

Lukashenko Elena Ivanovna, a student

e-mail: elenalukaschenko@mail.ru

FSBEI HPE the Vologda State Technical University

Abstract: fluorescent diagnostic method of molecular structure and composition of biological products was developed on the example of milk. The method is based on the fiber-optical registration of the fluorescence spectra in the ultraviolet laser excitation. Correlation fluorescence spectra were constructed allowing to establish differences in the composition and structure of dairy products.

Keywords: fluorescence, biological products, lasers, ultraviolet light, the spectrum, the correlation function.