Skoči na glavni sadržaj

Near Infrared Spectroscopy (NIRS)

Princip analitičke metode i rada uređaja

Osjet boja

 

Za razumijevanju osnovnog principa NIRS-a, potrebno je razumjeti suštinu osjeta boje. Ljudskom oku vidljivi svjetlosni spektar  sastoji se od svih boja duge (plava-zelena-žuta-crvena). Kad taj bijeli svjetlosni spektar dođe na objekt, određene boje ovog spektra objekt apsorbira, dok se ostatak reflektira (tj prenosi dalje). Reflektirano svjetlo može promatrati oko, a njegovu kompozitnu preostalu boju oko tumači kao boju predmeta. Bijela je ona površina koja u jednakoj mjeri odbija (reflektira) sva valna područja bijele (na primjer Sunčeve) svjetlosti. Crna površina potpuno upija takvu svjetlost.

Apsorpcije i refleksije svjetlosti

 

Fizika apsorpcije svjetlosti povezana je s prirodom molekularnih veza i s prirodom svjetlosti. Svjetlost se sastoji od fotona koji svi putuju fiksnom brzinom. Fotoni su elementarne čestice cjelobrojnog spina odnosno kvant elektromagnretskog zračenja koji se u vakumu giba brzinom svjetlosti c. Dok putuju, fotoni oblikuju kretanje "vala" oko osi putovanja. Kretanje vala je specifično za svaku boju svjetlosti, a često se izražava kao frekvencija (broj pređenih valova u sekundi) ili kao valna duljina (prijeđena udaljenost tijekom 1 vala).

Molekularne veze su poveznice između atoma u molekuli. To nisu statičke veze, jer povezani atomi vibriraju jedan prema drugom. Ova vibracija uzrokuje da se molekularna veza rasteže i stišće, što rezultira valnim gibanjem dva atoma jedan prema drugom s specifičnom valnom frekvencijom za povezane atome.

Kada neka svjetlost pogodi takvu vibracijsku vezu, mogu se pojaviti dvije situacije:

  1. Kada se frekvencija ("boja") ove svjetlosti ne podudara s frekvencijom vibracije molekularne veze, tada se ta svjetlost reflektira.
  2. Kada se frekvencija ("boja") ove svjetlosti podudara s frekvencijom vibracije molekularne veze, tada se ta svjetlost apsorbira i njegova energija se koristi za pojačavanje vibracije (predmeti postaju topliji).

 

Fizika apsorpcije svjetlosti u hrani

 

Hrana se sastoji od uglavnom od organskih tvari. Molekularne veze koje su najčešće u sirovinama su veze između vodika, ugljika, kisika, sumpora, fosfora i dušika. Učestalost vibracija između ovih molekula je takva da te veze općenito apsorbiraju svjetlost u bliskom infracrvenom (NIR) području ili regiji koja se proteže tik izvan crvene boje duge (nije vidljivo za ljude).

NIRS KORISTI PRINCIP DA MOLEKULARNE VEZE APSORBIRAJU ODREĐENE FREKVENCIJE SVJETLOSTI ZA DOBIVANJE INFORMACIJA O BROJU I VRSTI ORGANSKIH VEZA PRISUTNIH U SIROVINI, DRUGIM RIJEČIMA, "GLEDANJEM" BOJE HRANE U BLIZINI INFRACRVENOG PODRUČJA.

 

Princip rada NIRS uređaja

 

Princip rada NIRS uređaja je da se hrana za životinje osvijetli specifičnom i poznatom frekvencijom (ili valnom dužinom) u blizini infracrvenog područja. Apsorpcija svjetlosti u sirovini se mjeri kao razlika između količine svjetlosti koju emitira NIRS stroj i količine svjetlosti koju reflektira uzorak. Izgled stroja objašnjen je na slici 1.

Sl. 1. Shematski izgled NIRS uređaja

Svjetlost (1)  je usmjerena na konkavno ogledalo (2) , koje razdvaja svjetlost na svoje sastavne valne duljine (3). Odabrana jedna valna duljina (4) usmjerena je na uzorak hranjive tvari (5). Količina ove svjetlosti koja se odbija u sirovini mjeri se (6) tako da se dobije apsorpcija koja odgovara jednoj valnoj duljini. Promjenom orijentacije zrcala (2) odabiru se različite valne duljine svjetlosti da se dobiju mjere apsorpcije za sve valne duljine koje nas zanimaju. Grafikon koji prikazuje testiranu valnu duljinu prema apsorpciji naziva se spektrom, a primjer spektra za obrok od kokosa prikazan je u gornjem desnom kutu (7).

 

Kad se zna na kojoj frekvenciji specifične molekularne veze vibriraju, tada se iz spektra može zaključiti sastav molekularnih veza prisutnih u uzorku koji se procjenjuje. Korištenje NIRS-a za prepoznavanje jednostavnih molekula (npr čistih kemijskih spojeva) ne izgleda komplicirano za razliku od složenih smjesa npr različitih hranjivih tvari.

Spektar NIRS prikazan na slici 2 je spektar dobiven iz DL-metionina. Detektirani pikovi u ovom spektru povezani su s C-H vezama, postoje tablice koje se odnose na valnu duljinu na kojoj su ti pikovi pronađeni i na kemijski sastav uzorka. Spektralne informacije se tako mogu koristiti za utvrđivanje identiteta uzoraka.

Sl. 2. NIRS spektar DL - metionina.

Pikovi krivulje odgovaraju C-H vezama u uzorku.

 

Tumačenje spektra hrane za životinje

 

Nažalost, za hraniva za životinje slika je složenija. Veliki broj molekulskih veza prisutan je u sirovinama, a na bilo kojoj duljini valne duljine mnoge će veze apsorbirati svjetlost. Rezultirajući spektar tako je „kompozitni“, gdje se mali pikovi uzrokovani određenom molekularnom vezom ne razlikuju (vidi Sliku 3). Ovaj nedostatak prepoznatljivih vrhova znači da je nemoguće zaključiti sastav uzorka iz spektralnih informacija pomoću tablica koje pokazuju koja valna duljina odgovara kojoj vrsti molekularne veze.

Sl. 3. NIRS spektar sojine sačme

Nisu prisutni specifični pikovi krivulje koji omogućuju izravno kvantificiranje sastava uzorka.

Umjesto toga, za predviđanje sastava hrane za životinje potrebno je izvršiti umjeravanje. Umjeravanje je jednostavno NIRS spektralna informacija povezana s vrijednostima sastava (dobivenim npr. „mokrom“ kemijom). Taj se pojam najlakše može objasniti fiktivnim primjerom (vidi Sliku 4). Zamislimo spektre dobivene za 3 uzorka sojine sačme koji su identični osim sadržaja bjelančevina. Sadržaj proteina u ovim uzorcima bio je ili 44%, 46% ili 48%. U ovom primjeru, spektri iz tih uzoraka odstupaju samo u području od 1900-2000 nanometara (nm; valna duljina svjetlosti), a ta razlika mora biti povezana s razlikama u sadržaju proteina u uzorku, jer se radi o identičnim uzorcima.

Iscrtavanje apsorpcije na 1950 nm za svaki spektar u odnosu na razinu proteina pokazuje da postoji linearni odnos između apsorpcije svjetlosti na 1950 nm i razine proteina.

LAKO JE ZAMISLITI DA SE TAKVA POVEZANOST MOŽE UPOTRIJEBITI ZA PREDVIĐANJE SADRŽAJA PROTEINA U ČETVRTOM UZORKU SOJE.

U stvarnosti su spektri mnogo složeniji. Protein ne apsorbira u samo jednoj regiji spektra (kao što je vidljivo za metionin na slici 2). Uz to, kada se razina proteina poveća u uzorku, drugi spojevi, npr. ugljikohidrati, moraju se smanjiti, a time se moraju promijeniti i druge regije spektra. Stoga bi se spektri triju uzoraka trebali razlikovati u nekoliko regija, pa nije lako odrediti regiju spektra u kojoj apsorpcija korespondira sa sadržajem proteina u uzorcima. Ipak, ovaj je pristup u osnovi ocrtani postupak koji se koristi za utvrđivanje povezanosti između spektralnih informacija i kemijskog sastava, koji se potom koriste kao kalibracije za predviđanje nepoznatih uzoraka.

Sl. 4. Fiktivni primjer koji ilustrira princip umjeravanja

Spektralne informacije su u korelaciji s analitičkim podacima

Takve kalibracije uspješno se primjenjuju u industriji stočne hrane za predviđanje parametara poput bjelančevina, vlage, NDF, ADF itd.

 

20.08.2019. Branko Stuburić                                                                    

Vaš izravni kontakt

Sano - Suvremena hranidba životinja d.o.o.
044/568-000
044/670-816
Industrijska cesta 1, Potok
44317 Popovača
Hrvatska
Near Infrared Spectroscopy (NIRS) | Sano Hrvatska

Greška

Došlo je do neočekivane greške. Molimo pokušajte ponovno.