БИК
Спектроскопия в ближней инфракрасной области
БИК-спектроскопия регулярно используется для анализа входящего сырья или непосредственно в процессе производства. Этот метод позволяет быстрым и неразрушающим способом определять различные параметры одновременно.
Что такое спектроскопия в ближней инфракрасной области?
Спектроскопия в ближней инфракрасной области (БИК) основана на реакции молекулярных связей внутри образца на БИК-излучение (от 800 нм до 2500 нм). При воздействии БИК-излучения на образец свет либо поглощается, либо рассеивается, либо отражается. В результате воздействия света на образец формируется спектр, который является прямым отображением состава и физических свойств образца.
Поглощения (пики) относятся к различным функциональным группам в зависимости от волнового числа/длины волн/энергии поглощаемого света. Например, БИК-спектр продукта, содержащего влагу, демонстрирует пики функциональных групп O-H в диапазоне от 1400 до 1500 нм (от 7100 до 6500 см-1) и от 1900 до 2000 нм (от 5200 до 5000 см-1).
Рисунок 1. Пример БИК-спектра одного типа образца
Рисунок 2. Области поглощения различных функциональных групп
■ составные полосы
■ 1-е обертоны
■ 2-е обертоны
■ 3-и обертоны
Пики в БИК-спектре широкие и, как правило, перекрывают друг друга. В большинстве случаев невозможно получить информацию непосредственно из спектра. Вместо этого необходима калибровка на основе эталонных данных, полученных стандартными методами (жидкостная химическая обработка). По этой причине БИК является так называемым вторичным методом, где измерения — это прогнозы, основанные на хемометрических калибровочных моделях.
Хотя сама калибровка может быть ресурсоемкой, текущий анализ проводится очень быстро и эффективно. Простота использования метода БИК позволяет операторам любого уровня квалификации добиваться хороших результатов измерений. Чтобы ускорить внедрение БИК, можно использовать предварительно откалиброванные приложения, включающие множество образцов различного состава и происхождения.
Какие параметры можно измерять с помощью спектроскопии в ближней инфракрасной области?
После калибровки системы можно измерять множество различных параметров, если какой-либо составной элемент оказывает влияние на БИК-спектр. В связи с этим БИК-анализ в первую очередь является методом для работы с органическими веществами (неорганические вещества слабо взаимодействуют с БИК-светом). Наиболее часто анализируемые параметры приведены в таблице, но существуют и многие другие, такие как лактоза, соль, глютен, кислоты, спирт и т. д.
- влага
- белок
- жир (или масло)
- зола
- клетчатка
- сахар
Для работы с пищевой продукцией обратитесь к бесплатному Полному руководству по анализу пищи.
Как разработать калибровочную модель для БИК
Независимо от типа применения, количественного анализа или идентификации, прибор необходимо «обучить» матрицам и составам.
Для построения количественной калибровки образцы должны быть измерены с помощью БИК-прибора, а затем проанализированы эталонным методом, таким как метод Кьельдаля, экстракция жира, сушильная камера, ВЭЖХ, титрование и т. д. После этого будет выстроена калибровочная модель на основе БИК-спектров совместно с присвоенными эталонными значениями. Поскольку каждая матрица (тип продукта) дает свой спектр, необходима одна калибровка для каждой матрицы и параметра. Например, калибровка для влаги в сыре не может быть использована для определения влаги в муке.
Рисунок 3. Процесс разработки количественных БИК-калибровок
Ⓐ измерение с помощью БИК-прибора
Ⓑ эталонный анализ (например, экстракция)
Ⓒ добавление эталонных значений к спектрам
Ⓓ разработка или обновление калибровки
Рисунок 4. Калибровочная кривая БИК, показывающая соотношение прогнозируемых и эталонных значений
Следуя этой процедуре, можно создавать калибровки для множества продуктов и параметров. В целом спектроскопия в ближней инфракрасной области может применяться для измерения параметров в процентном диапазоне; определения в более низких диапазонах менее точны или даже невозможны. Различение двух отличающихся параметров с похожими химическими структурами также может быть сложной задачей.
В случае идентификации сырья создаются так называемые кластерные калибровки: БИК-спектры для различных продуктов регистрируются и затем присваиваются различным веществам. Если спектр материала вписывается в один из этих кластеров, он распознается как соответствующее вещество.
Рисунок 5. Как разрабатывать кластерные калибровки для спектроскопии в ближней инфракрасной области
Ⓐ измерение с помощью БИК-прибора
Ⓑ эталонный анализ (например, ВЭЖХ)
Ⓒ присвоение веществ спектру
Ⓓ разработка или обновление калибровки
Рисунок 6. Пример двухмерной проекции кластерной калибровки для БИК
Ⓐ Целлюлоза
Ⓑ Кварц
Ⓒ Глюкоза
Ⓓ Крахмал
Советы по разработке удачных калибровочных моделей для БИК
Точность и правильность измерений с помощью БИК-прибора основаны на калибровочных моделях, которые, в свою очередь, зависят от количества калибровочных образцов, подбора калибровочных образцов, а также от качества эталонных значений, полученных с помощью первичных методов анализа.
Факторы при разработке калибровочной модели для БИК
Калибровочные образцы должны быть репрезентативными для всего диапазона вариативности продуктов (состав, размеры частиц, варианты поставщика/партии, примеси, температурные диапазоны, сезон и т. д.).
Количество образцов, необходимых для построения калибровок, предсказать сложно. Образцы должны быть равномерно распределены по всему диапазону ожидаемых образцов; если рабочий диапазон широк, то для построения калибровки требуется больший объем образцов, чем при узком рабочем диапазоне. Чем больше количество образцов и чем большую вариативность они охватывают, тем более надежной становится калибровочная модель.
Диапазон калибровки должен быть шире рабочего диапазона, чтобы повысить эффективность на его границах. Прогнозы за пределами диапазона калибровки являются чистой экстраполяцией.
Надежная БИК-калибровка требует проверенных эталонных значений. Необходимо учитывать стандартные ошибки и неточность измерений эталонных методов, поскольку они переносятся на калибровочные модели. Чем точнее и правильнее результаты, полученные эталонным методом, тем точнее и правильнее калибровочная модель. Эти методы должны оставаться постоянными на протяжении всего цикла разработки БИК-калибровки, поскольку различные лабораторные методы могут демонстрировать различные результаты, а также иметь различную точность и правильность по сравнению друг с другом.
БИК в сравнении с ИК и рамановской спектроскопией
Все три метода анализа позволяют получить структурный отпечаток и провести измерения за считанные секунды. Вместе с тем между ними имеются некоторые различия.
Таблица 1. Преимущества и недостатки БИК, ИК и рамановской спектроскопии
Преимущества | Ограничения | |
|---|---|---|
БИК | - Проникает внутрь образцов намного лучше, чем ИК-излучение среднего диапазона - Возможность измерения более неоднородных образцов (в отличие от ATR-ИК) - Нет необходимости в подготовке и разбавлении образца - Неразрушающий метод - Возможность измерения параметров с полярными связями (O-H, N-H, S-H, C-O и т. д.) - Простые компоненты системы, включая простые ламповые модули в качестве источника света | - Более низкое разрешение по сравнению с ИК и рамановской спектроскопией - Если образец измеряется через контейнер/пакет, его также необходимо откалибровать - Сложность измерения неорганических веществ или неполярных молекул, таких как гетероциклы |
ИК | - Сильные линии поглощения (фундаментальные колебания в сравнении с обертонами) - Хорошее разделение линий поглощения - Может использоваться для количественного определения отдельных компонентов в смеси по силе линии поглощения - Может использоваться для идентификации веществ на основе библиотек спектров
| - Не может использоваться с образцами, содержащими большое количество воды, так как пики воды могут перекрывать нужные пики - Более сложная подготовка образца (если это не ATR-ИК, который является исключительно поверхностным методом) - Дешевые и легкодоступные держатели для образцов и компоненты приборов (например, оптоволоконные зонды), изготовленные из кварцевого или сапфирового стекла, не могут быть использованы из-за их собственного поглощения |
Рамановская спектроскопия | - Неразрушающий метод - Более узкие пики и лучшее разделение по сравнению с БИК - Быстрые измерения благодаря использованию лазера в качестве источника света - Отсутствие эффектов размера частиц или кристаллической структуры, которые могут представлять собой важную информацию, с другой стороны - Контейнеры/пакеты оказывают незначительное влияние на измерения | - Может использоваться только для обнаружения неполярных связей - Не может использоваться для анализа содержания влаги - Лазер в качестве источника света обуславливает усложнение компонентов прибора и опасность перегрева образцов - Образцы, проявляющие флуоресценцию, с трудом поддаются измерению |
В целом все три метода играют важнейшую роль в контроле качества и производственной технологии, и следует тщательно проанализировать, какой из них оптимально подходит для конкретного случая.