Digitale camera als colorimeter
(zetmeelgehalte in patat colorimetrisch bepalen)

Datum :  maart 2008

Inleiding:

Veel van de "gadgets" die we tegenwoordig tot onze beschikking hebben zijn ook geschikt om als analytisch meetinstrument te gebruiken. Een van die gadgets is de digitale camera die geschikt is om spectrofotometrisch gehaltes te bepalen.

Principe:

Het zetmeelgehalte in patat bepalen mbv jood en een digitale camera spectroscopisch bepalen.

Benodigd:

  • Aardappelzetmeel
  • Filtreerpapier
  • Betadine
  • Water
  • Patat
  • Reageerbuizen met stop
  • Reageerbuisrekje.
  • Bekerglaasje
  • Spiritusbrander
  • Digitale camera
  • PC
  • Mortier met vijzel of blender
  • Pipetten
  • Centrifugebuis

Werkwijze:

Bereiding van de zetmeel stock oplossing (10.0 g/l):

  • Weeg 1.0 g zetmeel nauwkeurig af en maak er een slurry van met een klein beetje vers gekookt water

  • Spoel deze slurry over in een maatkolf van 100 ml en vul aan.

Gebruik deze stockoplossing om een verdunningsreeks te maken.
 

Bereiding van de Jood indicator oplossing:
 Neem 2 ml Betadine (= 100mg/ml povidonjood) en verdun deze met water tot 100 ml.
 
Bereiding ijklijn:
Schud de stockoplossing goed voordat men gaat overbrengen in de buizen.
  • 10 g/l zetmeel:
    8 ml stock + 0 ml water
  • 5 g/l zetmeel:
    4 ml stock + 4 ml water
  • 2.5 g/l zetmeel:
    2 ml stock + 6 ml water
  • 1.25 g/l zetmeel:
    1 ml stock + 7 ml water
  • 0 g/l zetmeel -->  Blanco:
    0 ml stock + 8 ml water

Voeg aan elke buis 8 ml joodoplossing toe.
 
Bereiding meetoplossing:
  • Neem 3 ontdooide patatjes en weeg deze.
  • Plaats ze in mortier met vijzel en maal de patatjes fijn.
  • Breng 2.0 g van deze pasta over in de centrifugebuis en voeg 40 ml water toe.
  • Schud zeer goed en laat enige tijd staat.
  • Neem 8 ml oplossing en breng deze over in een reageerbuis.
  • Voeg 8 ml joodoplossing toe en schud goed.
Meting:
  • Schud de reageerbuizen goed.
  • Plaats ze in het rekje.
  • Plaats ze voor een witte achtergrond.
  • Neem een foto.
  • Analyseer de foto.

Resultaten:

  • Om er zeker van te zijn dat er inderdaad zetmeel in mijn patatjes zit heb ik er een genomen en er een druppetje Betadine opgedaan. Zoals op nevenstaande foto te zien is was het resultaat positief, de patat kleurde donkerblauw.

  • Inweeg zetmeel stockoplossing:
    1.01 g/100 ml

  • Patat:
    2.0 g pasta in centrifugebuis.
    40.1 g water toegevoegd

Onderstaande foto is voor de analyse gebruikt.

  • Laad de foto in Paint Shop Pro 9 (Het programma dat ik gebruik).

  • Activeer het histogram en selecteer daarbinnen Display Channel: Greyscale, "selection only" (zodat we de geselecteerde waarde te zien krijgen en "greyscale" (grijstinten). deactiveer alle andere opties.

  • Selecteer een vakje op een buis en lees de bijbehorende waarde af op het histogram.
10 g/l = 9
5 g/l = 25
2.5 g/l = 50
1.25 g/l = 79
blanco = 107
monster = 85

Zetten we nu de meetresultaten uit als functie van de concentratie dan verkrijgen we nevenstaande grafiek. We kunnen een paar conclusies trekken. De correlatie tussen meetwaarde en concentratie is niet lineair. Leggen  we er een trendlijn over dan zien we dat we een goede correlatie krijgen mbv een logaritmische vergelijking. Voor concentratiebepalingen hebben we echter liever een lineaire vergelijking. Het gegeven dat we hier met een logaritmische vergelijking te maken hebben zou bij elke chemicus een lampje moeten laten branden nl dat van de Wet van Lambert-Beer.

De hoeveelheid licht die een oplossing doorlaat (transmitteert) wordt uitgedrukt in de grootheid transmissie (T). Onder de transmissie (T) wordt verstaan het quotiënt - eventueel uitgedrukt in procenten - van de doorgelaten hoeveelheid licht (It) en de opvallende hoeveelheid licht (Io):

Transmissie: T = It/Io ( * 100 = %T)

Absorptie: A = 1-T = Ia/Io

In de absorptiespectrometrie wordt, in plaats van met transmissie of met absorptie, met de grootheid extinctie (E, uitdoving) gewerkt (de negatieve logaritme van de transmissie).

In formule (T uitgedrukt als quotiënt) : E = - log T = log 1/T = log 1 - log T In formule (T uitgedrukt in procenten) : E = - log T(%) = log 100(%)/T(%) = log 100(%) - log T(%) = 2 - log T(%)

Hoe vertalen we nu bovenstaande theorie naar hetgeen we gemeten hebben. Dat kunnen we doen door gebruik te maken van de manier waarop een computer kleuren definieert nl. in getallen van 0 tot en met  255 (256 = hexadecimaal getal). In onze situatie met grijstinten vertalen we 255 als volkomen helder en 0 als volkomen donker. Dit betekent weer dat we de intensiteit % kunnen uitdrukken als transmissie (T) en deze weer omrekenen naar Extinctie. Op deze manier creëren we een lineaire relatie tussen concentratie en meetwaarde zoals weergegeven in onderstaande tabel en grafiek. We laten de lijn door 0 gaan door overal de blanco meetwaarde vanaf te trekken. Als we een lineaire relatie hebben kunnen we de lijnvergelijking gebruiken om de concentratie van het monster uit te rekenen.

 

De grafiek laat zien dat we een redelijk lineair correlatie hebben.

Discussie en conclusie:

De kleurreactie waarvan we gebruik maken in dit experiment is die van Jood met zetmeel waarbij  een donkerblauwe kleur gevormd wordt. Een donkerblauwe kleur is ook beter te zien tegen een witte achtergrond waardoor dus tevens de gevoeligheid (detectiegrens)van de reactie verbeterd wordt.
Een groot aantal maltose-eenheden door een 1a-4 binding aan elkaar gekoppeld levert zetmeel op volgens:

1/2 n C12H22O11 --> (C6H10O5)n + 1/2 n H2O
 

Er komen echter ook vertakkingen voor en zetmeel is hierdoor colloïdaal oplosbaar in water (en dat heet stijfsel). Röntgen analyse van zetmeel heeft laten zien dat de ketens gedraaid zijn in de vorm van een helix (als een wenteltrap). In die helix is net genoeg plaats voor een jodium-molecuul. De blauwe kleur wordt veroorzaakt door de gevangen jodiummoleculen. Er is dus niet echt sprake van een reactie. Er ontstaat een zetmeel-jodium complex en dat geeft de blauwe kleur.

Deze reactie is niet echt specifiek elke stof die met jodide een redox-reaktie kan aangaan waarbij jood gevormd wordt zal in principe de donkerblauwe kleur veroorzaken.
Ook dient hier opgemerkt te worden dat als jood opgelost wordt in water in aanwezigheid van jodide ionen de tri-jodide en penta-jodide ionen gevormd worden volgens:
I2 + I- --> I3-    
 I2 + I3- --> I5-

De ionen worden lineair gerangschikt in het complex.

 
Met deze methodiek hebben we berekend dat de concentratie zetmeel in de monsteroplossing 0.67 g/l is. Aan de centrifugebuis hadden we 40 ml water toegevoegd hetgeen betekent dat er in de oplossing ca. 27 mg zetmeel zat. We waren uitgegaan van 2 g. pasta hetgeen dan zou overeenkomen met een zetmeelgehalte van 1.3% in de patat. Onmiddellijk moet er een lampje gaan branden. Dit getal is veel te laag. Een aardappel bestaat voor bijna 100% uit zetmeel. Dit betekent dat we de vraag moeten beantwoorden: wat is hier fout gegaan? Op zich is dat niet moeilijk te deduceren. Om de oplossing zo helder mogelijk te houden heb ik alleen maar vloeistof uit de buis in bewerking genomen, m.a.w. ik heb alleen die zetmeel in bewerking genomen die oplosbaar was in water. Het grootste deel (zie ook de foto) was echter niet oplosbaar in water en bleef achter als vaste stof. Goed beschouwd heb ik dus niet het zetmeelgehalte van patat bepaald maar wel hoeveel zetmeel oplosbaar is in water. Dat is toch iets anders. De conclusie is dan ook dat onze voorbewerking niet deugt als we het zetmeelgehalte in aardappel willen bepalen.
Op zich til ik daar niet echt aan in dit experiment. Ik wilde eigenlijk alleen maar weten of ik mijn digitale camera als spectrofotometer kon gebruiken. Dat laatste is dus wel gelukt.

Opmerkingen:

  • De theorie achter colorimetrie en spectrofotometrie heb ik uitgebreid behandeld op een van de info pagina's: Absorptiespectrometrie
  • De meetresulaten en berekeningen kan men vinden in de excel file: meetresultaten.xls

Literatuur:

  • Kurt R. Matthews, James D. Landmark, Douglas F. Stickle; 'Quantitave Assay for Stach by Colorimetry Using a Desktop Scanner'; Journal of Chemical Education; 81 5 2004; p. 702-704.
  • Stephen W. Wright, Wyatt D. Cotton, Vickie G. Hess; 'Chemical Demonstrations with Consumer Chemicals: The Black and White Reaction'; Journal of Chemical Education; 79 1 2002; p. 44-46.

Relevante websites:

Minder relevante websites:

Achtergrondinformatie:

Zetmeel:

Andere naam: 
Poly--D-glucose Amylose 

Formule: 
HO-(C6H10O5)n-H

Zetmeel is opgebouwd uit maltose eenheden die via een 1a-4 binding aan elkaar gekoppeld zijn.

   

Colorimeter

Een Colorimeter gebruiken we om de concentratie van een oplossing te bepalen door analyse van de kleurintensiteit. De Colorimeter meet de doorgelaten hoeveelheid licht door het monster bij een gekozen golflengte. Het licht van de LED passeert een cuvet met de oplossing. Een lichtgevoelige fotocel aan het uiteinde van de lichtweg detecteert de hoeveelheid doorgelaten licht (transmissie). De concentratie van de testsubstantie kan worden bepaald met een curve volgens de wet van Beer, welke zegt dat de concentratie van een stof rechtevenredig is met de absorptie.

18-01-2017