الأشعة تحت الحمراء القريبة أداةً تحليلية
يُستخدم التحليل الطيفي بالأشعة تحت الحمراء القريبة (NIR) على نطاق واسع في تحليل التركيب في صناعة الأغذية والأعلاف. ويعرّف Pasquini منطقة NIR بأنها من 750 إلى 2,500 nm (من 13,300 إلى 4,000 cm−1)، ويصف التقنية بأنها سريعة وغير إتلافية وغير اجتياحية، مع حد أدنى من تحضير العينات وقابلية تطبيق شبه شاملة على الجزيئات التي تحتوي روابط C–H أو N–H أو S–H أو O–H [1]. وترد مقدمة أساسية في التقنية في ما التحليل الطيفي بالأشعة تحت الحمراء القريبة؟؛ أما هذا الدليل فيركّز على صيغة تحويل فورييه (FT) وعلى ما تستطيع أطيافها إخبار منتج الأغذية أو الأعلاف به وما لا تستطيعه.
كيف يسجّل مطياف FT-NIR الطيف
تقاربت مطيافات NIR المخبرية المكتبية نحو تصميم موحّد إلى حد كبير يُستخدم فيه مقياس تداخل Michelson أو مقياس تداخل استقطابي، ويُحصل على الطيف بمبدأ تحويل فورييه [2]. وفي مقياس تداخل Michelson يُقسَم الشعاع بواسطة مقسّم أشعة بين مرآة ثابتة ومرآة متحركة؛ وحين يلتقي الشعاعان مجدداً يتوقف تداخلهما على فرق المسار البصري الذي يحدده موضع المرآة، وتُعالَج بالتفصيل في المرجع القياسي لـ Griffiths وde Haseth النظريةُ التي تشرح كيف ينتج ذلك مخطط تداخل (interferogram)، وكيف يحدّ المشوار المحدود للمرآة من الاستبانة [3].
والنقطة الجوهرية لغير المتخصص هي أن الشعاع العريض النطاق بأكمله يصل إلى الكاشف دفعة واحدة. وكما يعبّر Beć وآخرون، يسجّل الكاشف مخطط تداخل، وهو إشارة في المجال الزمني، ويُعاد بناء الطيف — أي الإشارة في مجال التردد — منه بتحويل فورييه [2]. بعبارة أخرى، لا يقيس الجهاز طولاً موجياً تلو آخر؛ بل يقيس مزيجاً منها جميعاً ويستعيد الشدّات المنفردة رياضياً [1][2]. ويذكر Beć وآخرون الكسب في الإنتاجية البصرية ومحور الأطوال الموجية المضبوط بدقة بوصفهما الميزتين الرئيسيتين لهذا النهج [2]، وينسب Pasquini إلى أجهزة FT أفضل دقة وضبط للأطوال الموجية بين تصاميم NIR، وكسباً في الإنتاجية (كسب Jacquinot) ناتجاً عن غياب شقوق الدخول والخروج [1].
وتأتي هذه المزايا مع مقايضات. إذ يشير Pasquini إلى أن الاستبانة دون النانومتر تُنال على حساب سرعة المسح، وأن مقياس التداخل ذا المرآة المتحركة ليس بمتانة التصاميم الخالية من الأجزاء المتحركة [1]؛ ويبيّن Beć وآخرون أن مقياس تداخل Michelson حين يُصغَّر لا يعود متفوقاً كثيراً على الحلول الأخرى [2]. لذا فإن FT-NIR واحدة من عدة بنى صالحة للأجهزة، لا بنية أفضل في كل الأحوال؛ وتتناول المقارنة مع أجهزة المحزوز ومصفوفة الثنائيات مقالةُ NIR مقابل FT-NIR.
ما الذي تكشفه النطاقات عن الماء والبروتين والدهن والكربوهيدرات
امتصاصات NIR هي نغمات توافقية عليا وتراكيب للاهتزازات الجزيئية الأساسية، ولا سيما لمجموعات C–H وO–H وN–H؛ وهي عريضة ومتراكبة وضعيفة، أقل شدة بنحو 10 إلى 1,000 مرة من الامتصاصات الأساسية المقابلة [1]. ويقترن الامتصاص الضعيف بالنفاذية العالية لشعاع الفحص التي يعدّها Pasquini من خصائص التقنية، لكن التراكب يعني أن المكوّنات المنفردة نادراً ما تظهر قمماً معزولة [1][2]. ويسرد الجدول المواضع النموذجية للنطاقات الخاصة بالمكوّنات الغذائية الرئيسية.
| الطول الموجي التقريبي (nm) | الاهتزاز | المكوّن النموذجي | المصدر |
|---|---|---|---|
| 1440 و1930 | O–H (الماء) | الرطوبة | [4] |
| 1210 | النغمة التوافقية الثانية لـ C–H | الكربوهيدرات، الدهون | [2] |
| 1435، 1500، 1565 | النغمة التوافقية الأولى لـ N–H | البروتينات | [2] |
| 1480 | النغمة التوافقية الأولى لـ O–H | الكربوهيدرات | [2] |
| 1610–1725 | النغمة التوافقية الأولى لـ C–H | الكربوهيدرات، الدهون | [2] |
| 2050، 2155، 2295 | تراكيب N–H والأميد | البروتينات | [2] |
| 2255 | شدّ O–H + تشوّه | الكربوهيدرات | [2] |
يهيمن الماء: إذ يصف Büning-Pfaue قمتين عريضتين للماء قرب 1440 و1930 nm في كل طيف NIR تقريباً، ويبيّن أن الروابط الهيدروجينية ودرجة حرارة العينة تؤثران في موثوقية نتائج الرطوبة بـ NIR [4]. ويؤكد Beć وآخرون أن مثل هذه الجداول تقريبية، وأن تحديد علامات بعينها في أطياف NIR أقل يسراً بكثير منه في التحليل الطيفي بالأشعة تحت الحمراء المتوسطة أو بطريقة Raman [2]. ولهذا لا تُقرأ نتائج NIR من قمة واحدة.
لماذا تلزم المعايرة مقابل الطرائق المرجعية
لأن النطاقات متراكبة، يعتمد NIR على نموذج متعدد المتغيرات لتقدير خاصية أو تركيز في العينات المعقدة، ويؤكد Pasquini أن التقنية تعتمد وستظل تعتمد اعتماداً كبيراً على طرائق مرجعية جيدة، وأن نجاح النموذج يتوقف كثيراً على جودة القيم المرجعية في مجموعة التدريب [1]. وتُضفي الإرشادات الدولية طابعاً رسمياً على ذلك. إذ يغطي ISO 12099 تقدير مكوّنات مثل الرطوبة والدهن والبروتين والنشا والألياف الخام في الأعلاف الحيوانية والحبوب ومنتجات الحبوب المطحونة [5]؛ ويفعل ISO 21543 | IDF 201 الشيء نفسه للحليب ومنتجاته في الصورة السائلة أو شبه الصلبة أو الصلبة، مقيسةً بالنفاذية أو الانعكاسية المنتشرة أو الانعكاس النافذ (transflectance) [6]. وعملياً تهم ثلاث نقاط:
- الطريقة المرجعية تحدد السقف. لا يمكن أن يكون تنبؤ NIR أدق من القيم المخبرية التي عويِر عليها، لذا ينبغي أن تتبع التحاليل المرجعية الإجراءات الرسمية [1][5].
- المصفوفة وطريقة تقديم العينة مهمتان. يحدد شكل العينة ونمط القياس إعداد الجهاز [6]، وفي حالة الرطوبة يجب أن تُمثَّل تأثيرات درجة الحرارة والروابط الهيدروجينية في مجموعة المعايرة [4].
- يجب استخدام القياسات الكيميائية بحذر. تصف مراجعة Pasquini لعام 2018 تقنية NIR بأنها تقنية ناضجة تجدّد الاهتمام بها بفعل تطور الأجهزة والقياسات الكيميائية، لكنها تتناول أيضاً إساءة استخدام أدواتها الرياضية [7]؛ والمصادقة المستقلة تحمي من النماذج المفرطة الملاءمة.
كيف تتعامل USTECH مع FT-NIR
تستخدم USTECH مبدأ FT-NIR في محلّل العمليات ProLine2550 للخلاطات والمفاعلات وخطوط الأنابيب؛ أما للحبوب ومكوّنات الأعلاف والعلف الأخضر فتقدّم محلّل NIR المكتبي والعامل بجانب الخط MasterLine17EC. وتُطوَّر المعايرات وتُصادَق مقابل التحاليل المرجعية في caliX، وفق نهج ISO 12099 وISO 21543 | IDF 201 [5][6]. أما المعاملات التي يستطيع جهاز FT-NIR قياسها بموثوقية في منتج معيّن فتُثبَت في دراسة جدوى باستخدام عيناتكم وتحاليلكم المرجعية.
المراجع
- [1] Pasquini, C. (2003). Near infrared spectroscopy: fundamentals, practical aspects and analytical applications. Journal of the Brazilian Chemical Society, 14(2), 198–219. doi:10.1590/S0103-50532003000200006
- [2] Beć, K.B., Grabska, J., Huck, C.W. (2022). Miniaturized NIR Spectroscopy in Food Analysis and Quality Control: Promises, Challenges, and Perspectives. Foods, 11(10), 1465. doi:10.3390/foods11101465
- [3] Griffiths, P.R., de Haseth, J.A. (2007). Fourier Transform Infrared Spectrometry, 2nd ed. Wiley-Interscience, Hoboken. doi:10.1002/047010631X
- [4] Büning-Pfaue, H. (2003). Analysis of water in food by near infrared spectroscopy. Food Chemistry, 82(1), 107–115. doi:10.1016/S0308-8146(02)00583-6
- [5] ISO 12099:2017. Animal feeding stuffs, cereals and milled cereal products — Guidelines for the application of near infrared spectrometry. ISO, Geneva. iso.org/standard/67352.html
- [6] ISO 21543 | IDF 201:2020. Milk and milk products — Guidelines for the application of near infrared spectrometry. ISO, Geneva. iso.org/standard/77606.html
- [7] Pasquini, C. (2018). Near infrared spectroscopy: A mature analytical technique with new perspectives – A review. Analytica Chimica Acta, 1026, 8–36. doi:10.1016/j.aca.2018.04.004
