FT-NIR Spektroskopi Nedir? Gıda ve Yem Üreticileri için Sade Dilde Kılavuz

Analitik bir araç olarak yakın kızılötesi ışık

Yakın kızılötesi (NIR) spektroskopisi gıda ve yem sektöründe bileşim analizi için yaygın olarak kullanılır. Pasquini NIR bölgesini 750 ila 2.500 nm (13.300 ila 4.000 cm⁻¹) olarak tanımlar ve tekniği hızlı, tahribatsız ve invaziv olmayan, minimum numune hazırlığı gerektiren ve C–H, N–H, S–H veya O–H bağları içeren moleküllere neredeyse evrensel olarak uygulanabilen bir teknik olarak tanımlar [1]. Tekniğe temel bir giriş NIR Spektroskopisi Nedir? yazısında verilmektedir; bu rehber Fourier dönüşümlü (FT) türe ve spektrumlarının bir gıda veya yem üreticisine neyi söyleyip neyi söyleyemeyeceğine odaklanır.

Bir FT-NIR spektrometresi spektrumu nasıl kaydeder

Masaüstü laboratuvar NIR spektrometreleri, bir Michelson veya polarizasyon interferometresinin kullanıldığı ve spektrumun Fourier dönüşümü ilkesiyle elde edildiği oldukça tek tip bir tasarımda birleşmiştir [2]. Bir Michelson interferometresinde ışın demeti, bir ışın bölücü tarafından sabit bir ayna ile hareketli bir ayna arasında bölünür; iki demet yeniden birleştiğinde girişimleri ayna konumunun belirlediği optik yol farkına bağlıdır. Bunun nasıl bir interferogram oluşturduğuna ve sınırlı ayna hareketinin çözünürlüğü nasıl sınırladığına ilişkin teori, Griffiths ve de Haseth'in standart kitabında ayrıntılı olarak ele alınır [3].

Uzman olmayan biri için kilit nokta, geniş bantlı ışın demetinin tamamının dedektöre aynı anda ulaşmasıdır. Beć ve ark.'nın ifadesiyle dedektör, zaman alanındaki bir sinyal olan bir interferogram kaydeder ve spektrum — frekans alanındaki sinyal — bundan bir Fourier dönüşümüyle yeniden oluşturulur [2]. Başka bir deyişle cihaz dalga boylarını birbiri ardına ölçmez; hepsinin bir karışımını ölçer ve tek tek yoğunlukları matematiksel olarak geri elde eder [1][2]. Beć ve ark. optik geçirgenlikteki (throughput) kazancı ve hassas olarak kontrol edilen bir dalga boyu eksenini bu yaklaşımın başlıca yararları olarak sayar [2]; Pasquini ise FT cihazlarına NIR tasarımları arasında en iyi dalga boyu kesinliğini ve doğruluğunu ve giriş ve çıkış yarıklarının bulunmamasından kaynaklanan bir geçirgenlik (Jacquinot) kazancını atfeder [1].

Bu yararlar ödünleşimlerle birlikte gelir. Pasquini, nanometre altı çözünürlüğün tarama hızı pahasına elde edildiğini ve hareketli aynalı bir interferometrenin hareketli parçası olmayan tasarımlar kadar dayanıklı olmadığını belirtir [1]; Beć ve ark. ise Michelson interferometresi minyatürleştirildiğinde artık diğer çözümlere göre belirgin biçimde üstün olmadığını gösterir [2]. Dolayısıyla FT-NIR, evrensel olarak daha iyi bir mimari değil, birkaç geçerli cihaz mimarisinden biridir; ızgaralı ve diyot dizili cihazlarla karşılaştırma NIR ve FT-NIR yazısında ele alınmaktadır.

Bantlar su, protein, yağ ve karbonhidrat hakkında ne söyler

NIR absorpsiyonları, başta C–H, O–H ve N–H grupları olmak üzere temel molekül titreşimlerinin üst tonları ve kombinasyonlarıdır; geniş, üst üste binmiş ve zayıftırlar ve karşılık gelen temel absorpsiyonlardan yaklaşık 10 ila 1.000 kat daha az şiddetlidirler [1]. Zayıf absorpsiyon, Pasquini'nin tekniğin özellikleri arasında saydığı yoklayıcı ışının yüksek nüfuz derinliğiyle el ele gider; ancak örtüşme, tek tek bileşenlerin nadiren izole tepeler olarak görünmesi anlamına gelir [1][2]. Tablo, başlıca gıda bileşenleri için tipik bant konumlarını listeler.

Yaklaşık dalga boyu (nm)	Titreşim	Tipik bileşen	Kaynak
1440 ve 1930	O–H (su)	Nem	[4]
1210	C–H ikinci üst ton	Karbonhidratlar, lipitler	[2]
1435, 1500, 1565	N–H birinci üst ton	Proteinler	[2]
1480	O–H birinci üst ton	Karbonhidratlar	[2]
1610–1725	C–H birinci üst ton	Karbonhidratlar, lipitler	[2]
2050, 2155, 2295	N–H ve amit kombinasyonları	Proteinler	[2]
2255	O–H gerilme + deformasyon	Karbonhidratlar	[2]

Su baskındır: Büning-Pfaue neredeyse her NIR spektrumunda 1440 ve 1930 nm civarında iki geniş su tepesi tanımlar ve hidrojen bağlarının ve numune sıcaklığının NIR nem sonuçlarının güvenilirliğini etkilediğini gösterir [4]. Beć ve ark. bu tür tabloların yaklaşık olduğunu ve NIR spektrumlarında belirli işaretleri tanımlamanın orta kızılötesi veya Raman spektroskopisine göre çok daha az kolay olduğunu vurgular [2]. NIR sonuçlarının tek bir tepeden okunmamasının nedeni budur.

Referans yöntemlere karşı kalibrasyon neden gereklidir

Bantlar örtüştüğü için NIR, karmaşık numunelerde bir özelliği veya konsantrasyonu nicelemek için çok değişkenli bir modele dayanır; Pasquini tekniğin iyi referans yöntemlere büyük ölçüde bağımlı olduğunu ve her zaman öyle kalacağını, bir modelin başarısının da eğitim setindeki referans değerlerin kalitesine büyük ölçüde bağlı olduğunu vurgular [1]. Uluslararası kılavuzlar bunu resmileştirir. ISO 12099, hayvan yemleri, tahıllar ve öğütülmüş tahıl ürünlerinde nem, yağ, protein, nişasta ve ham lif gibi bileşenlerin belirlenmesini kapsar [5]; ISO 21543 | IDF 201 ise aynısını transmitans, difüz reflektans veya transflektans ile ölçülen sıvı, yarı katı veya katı haldeki süt ve süt ürünleri için yapar [6]. Pratikte üç nokta önemlidir:

• Tavanı referans yöntem belirler. Bir NIR tahmini, kalibre edildiği laboratuvar değerlerinden daha doğru olamaz; bu nedenle referans analizler resmi prosedürleri izlemelidir [1][5].
• Matris ve sunum önemlidir. Numunenin formu ve ölçüm modu cihaz düzenini belirler [6]; nem için ise sıcaklığın ve hidrojen bağlarının etkileri kalibrasyon setinde temsil edilmelidir [4].
• Kemometri dikkatle kullanılmalıdır. Pasquini'nin 2018 tarihli derlemesi NIR'ı, cihazlar ve kemometri sayesinde yeniden ilgi gören olgun bir teknik olarak tanımlar, ancak matematiksel araçlarının yanlış kullanımını da ele alır [7]; bağımsız validasyon aşırı uyumlu modellere karşı koruma sağlar.

USTECH'in FT-NIR yaklaşımı

USTECH, FT-NIR ilkesini karıştırıcılar, reaktörler ve boru hatları için proses analizörü ProLine2550 ile kullanır; tahıllar, yem hammaddeleri ve kaba yemlerin masaüstü ve hat yanı ölçümü için ise NIR analizörü MasterLine17EC sunulur. Kalibrasyonlar, ISO 12099 ve ISO 21543 | IDF 201 yaklaşımı izlenerek caliX içinde referans analizlere karşı geliştirilir ve valide edilir [5][6]. Bir FT-NIR cihazının belirli bir üründe hangi parametreleri güvenilir biçimde ölçebileceği, kendi numuneleriniz ve referans analizlerinizle yapılan bir fizibilite çalışmasında belirlenir.