ProFoss™

Technologie NIR pro rutinní analýzu potravin a zemědělských produktů

Near Infrared (NIR) analýza je spektroskopická technika, která využívá přirozeně se vyskytujícího elektromagnetického spektra.
NIR je oblast spektra definovaná vlnovými délkami mezi 700 nm a 2 500 nm. Blízká infračervená technologie je přesná a rychlá analytická metoda, která je vhodná pro kvantitativní stanovení hlavních složek ve většině druhů potravin a zemědělských produktů.

Výhoda NIR
Celkovou výhodou použití analýzy NIR je to, že poskytuje rychlou analýzu pro lepší rozhodování v potravinářských a zemědělských výrobních procesech. Ve srovnání s tradičními analytickými metodami vyžaduje malou nebo žádnou přípravu vzorku a žádné chemikálie nebo spotřební materiál. Je nedestruktivní, uživatelsky příjemná, rychlá (30-60 sekund), spolehlivá a přesná.

Princip fungování lze definovat takto:
• Světlo blízké infračervené oblasti je nasměrováno na vzorek
• Světlo je modifikováno podle složení vzorku a toto modifikované světlo je detekováno (viz propustnost a odrazivost níže)
• Spektrální modifikace jsou převedeny na informace týkající se složení vzorku
• Tyto konverzní algoritmy se nazývají „kalibrace“

Propustnost a odrazivost (transmitance a reflektance)
Infračervené spektru se získá průchodem infračerveného světla přes vzorek a určením, která část světla byla vzorkem absorbována (propustnost). Alternativně, světlo se může od vzorku odrazit a absorpční vlastnosti lze získat z odraženého světla (odrazivost). NIR reflektance je téma, kterému se tento článek nevěnuje.
Metody odrazivosti a propustnosti NIR lze zvolit podle typu analyzovaného vzorku, například propustnost je dobrá pro měření sýra k získání reprezentativního měření v celém vzorku. Pro homogenní vzorky, jako je sušené mléko, je odrazivost ideální.
Pro obě metody je důležitým hlediskem rozsah vlnových délek NIR. Například rozsah krátkých vlnových délek NIR (850 - 1050nm) poskytuje dobrý prostup vzorkem pomocí NIR transmitance.

Infračervené spektrum lze získat průchodem infračerveného světla vzorkem (propustnost) nebose může světlo od vzorku odrazit (odrazivost).

Jaká je vaše vlnová délka?
Jakákoli diskuse o NIR vlnové délce musí začít spektrometrem, který přeměňuje infračervené světlo na použitelný signál. Společným hlediskem všech technologií spektrometrů je rozsah vlnových délek měřený v nanometrech (nm) nebo recipročních centimetrech (cm^-1).
Aniž bychom zacházeli příliš hluboko do technické diskuse, lze říci, že určité vlnové délky jsou pro měření určitých vzorků a parametrů lepší než jiné. Vlnová délka potřebná k měření proteinu v zrnu se například liší od vlnové délky potřebné k měření aminokyselin v krmných přísadách atd. Dalším hlediskem je poměr signálu k šumu nabízený různými přístroji při určitých vlnových délkách, protože to ukazuje na kvalitu generovaného signálu.

 Vzrůstající frekvence 

Vzrůstající vlnová délka 

Frekvence=1/vlnová délka

Elektromagnetické spektrum je rozděleno do několika oblastí, kde každá oblast představuje určitý druh molekulárního přechodu. Například Xrays má vlnové délky jen několik nm a jsou velmi škodlivé, protože narušují chemické vazby a ionizují molekuly. Pro srovnání, (blízké) infračervené záření (780 a 2500 nm) není škodlivé. Molekuly jednoduše absorbují infračervené světlo podle povahy vzorku.

Monochromátor, FTIR a DDA
Pro kvantitativní měření posuvu/parametrů krmiva je osvědčenou volbou takzvaný skenovací mřížkový monochromátor. Je ideální pro kvantitativní měření v širokém spektru aplikací se širokým rozsahem vlnových délek pro širokou škálu parametrů, včetně takových, jako jsou barviva v krmivu pro ryby apod., vyžadující kromě oblasti NIR také viditelnou oblast. Alternativně, při použití propustnosti NIR pro měření nehomogenních vzorků, jako je zrno, je výhodné použít rozsah NIR s krátkými vlnovými délkami (850 - 1050nm), kde světlo dobře prostupuje a kde je nezbytný mřížkový monochromátor, protože nabízí špičkový poměr signál/šum.
Mínusem je, že pro dosažení dobré přesnosti je vyžadován vnitřní standard vlnové délky. Nicméně, stejně jako všechny ostatní aspekty technologie NIR se však i skenovací mřížky přístrojů neustále vyvíjejí a mnoho z nich používá tento vnitřní standard vlnové délky k prokázání dobré přesnosti vlnové délky.
Pro kvalitativní měření v laboratoři, kde je vyžadována úzká šířka pásma přístroje, má větší výhody technologie FTIR . Je ideální pro špičkové kvalitativní měření látek s úzkými absorpčními pásy nebo pro některé kvantitativní měřicí aplikace pro vzorky, které mají úzce rozložené absorpční pásy. Navíc je možné upravit rozlišení tak, aby bylo dosaženo co nejlepšího kompromisu mezi rozlišením vlnové délky a poměrem signál/šum.
V oblasti výroby se stále rozšiřuje používání analytických přístrojů NIR v těsné blízkosti výrobní linky nebo dokonce pro nepřetržité měření produktu ve výrobní lince. Pro tato měření je nejlepší volbou detektor diodového pole s pevnou mřížkou (DDA). Je ideální pro robustní přístroje odolné vůči vibracím a současně díky měření celého spektra také snese pohyb vzorků. Na druhou stranu je třeba udělat kompromis mezi rozsahem vlnových délek, rozlišením a poměrem signál/šum.

NIR nebo FTIR?
NIR a FTIR jsou si v zásadě velmi podobné. Hlavní rozdíl spočívá v tom, že FTIR pracuje napříč delšími vlnovými délkami. Navíc se u FTIR používá mnoho speciálních optických komponent a materiálů. Výhodou delších vlnových délek je to, že ze vzorků se obvykle získají konkrétnější chemické informace.
Porovnání NIR a FTIR je uvedeno v tomto videu ve vztahu k aplikacím v mlékárenském průmyslu. Video s názvem „Směry v analýze mléka“ zahrnuje rozhovory s odborníky z FOSS, kteří vysvětlují technologii a důvody, které je třeba vzít v úvahu při výběru infračerveného analytického přístroje.
Nevýhody zahrnují nižší poměr signál/šum oproti přístroji s monochromátorem, zejména při krátkých vlnových délkách a vynechaném rozsahu viditelných vlnových délek (pod 850 nm). FT NIR je také technologie citlivá na vibrace a návrh musí tuto skutečnost zohlednit pro aplikace ve výrobním prostředí.

Šest základních ukazatelů přístroje NIR
1. Optický výkon přes požadovanou vlnovou délku
Široký rozsah vlnové délky vám umožní testovat mnoho věcí od vlhkosti, tuku a bílkovin po náročnější parametry, jako jsou aminokyseliny, popel nebo vláknina. Je důležité mít stejně vysoký výkon ve všech vlnových délkách pro zaručení spolehlivých výsledků.

2. Flexibilní a snadno použitelný.
Stále častěji se NIR používá ve výrobním prostředí, kde pracovníci výroby potřebují provádět testy rychle a snadno s nízkým rizikem lidské chyby. Správné možnosti prezentace vzorků, například bez přípravy vzorku nebo s malou přípravou, a funkce, jako je ovládání přes dotykovou obrazovku, jsou základními vlastnostmi moderního řešení NIR.

3. 100% kalibrační kompatibilita.
Nové řešení by mělo být 100% zpětně kompatibilní s předchozími přístroji, aby bylo snadné využít stávající kalibrační data a převést je bez ztráty funkčnosti kalibrace.

4. Tovární standardizace.
U každého přístroje, který opouští výrobní závod, by měla být standardizována: intenzita světla, šířka pásma a přesnost vlnové délky, aby byla zajištěna úplná konzistence mezi přístroji. Navíc, jakmile je přístroj v provozu, jsou k řízení jeho výkonu a zajištění toho, aby se v průběhu času nevyskytovaly žádné odchylky, potřebné vestavěné měřící standardy. Tím se udržuje nepřetržitá kontrola konzistence mezi přístroji a usnadňuje přidávání nových přístrojů do vaší výroby. Více přístrojů může snadno používat stejné kalibrace bez jakýchkoli modifikací.

5. Robustnost prostředí analýzy.
Přístroj NIR by měl být navržen pro uživatelské prostředí, například pokud je určen pro použití ve výrobě krmiv, měl by být schopen odolat náročným výrobním podmínkám. Certifikace IP65 znamená, že je odolný vůči vlhkosti, prachu, vibracím a kolísání teploty.

6. Možnost síťového připojení pro efektivní správu přístrojů
Síťové připojení je mnohem víc než připojení k internetu. Mělo by vám umožnit nahlédnout do přístroje a zkontrolovat jeho výkon a provést úpravy nebo aktualizace kalibrací. Toto je nutnost pro umožnění vzdálené správy a dohled nad více přístroji z jednoho místa. Všechny aktualizace a kalibrace mohou být prováděny centrálně pro lepší výkon přístroje a pohodlí. To nejen šetří váš čas, ale také se ukázalo, že významně snižuje náklady.

Typická platforma NIR pro řadu aplikací v potravinářské a zemědělské výrobě
Skenovací monochromátor
Rozsah vlnových délek - 400-2500 nm
Provozní teplota a vlhkost: 5-40 ° C (41-104 ° F) a <93% RH

In-line NIR, nová hranice
Nejnovějším trendem je použití NIR přímo in-line ve výrobní lince pro kontinuální měření každých pár sekund. To poskytuje operátorům mnohem ostřejší obraz kolísání v průběhu procesu než u stolních přístrojů, které se použijípouze jednou za hodinu a podobně. Operátoři pak mohou zaznamenat trendy v obsahu bílkovin, vlhkosti a dalších parametrech a podle toho podniknout včasná opatření, aby splnili cíle výroby. Inline NIR je již zavedeným konceptem v mlékárenském průmyslu pro výrobu produktů, jako je máslo a měkké sýry, kde je nezbytná přísná kontrola vlhkosti jak z hlediska kvality, tak z hlediska ekonomiky produkce. Podívejte se ve videu na rozhovor s uživatelem inline NIR zde.

Produkty FOSS využívající NIR - některé příklady:
FoodScan ™ 2 Dairy Analyzer pro analýzu sýrů, sušené syrovátky, másla a jogurtu. Měří různé parametry s minimem přípravy vzorku a poskytuje výsledky za pouhých 15 sekund.

NIRS ™ DS2500 pro blízkou infračervenou analýzu, poskytující špičkový výkon a přesnost v širokém rozsahu vlnových délek 400 až 2500 nm.

Infratec ™ NOVA testuje několik parametrů (vlhkost, bílkoviny, oleje, škrob atd.) V široké škále komodit zrnin a olejnin. Síťové propojení a sjednocené přístroje zmenšují práci se správou přístrojů potřebnou pro testování a zisk konzistentních výsledků testů při výkupu zrna.

Řešení pro výrobního procesu ProFoss ™ nabízí řadu aplikací pro přesné sledování produkce v mlékárenství, od másla po sýr a sušené mléčné výrobky.

Zdroj: FOSS