5. NIR-NIT spektroszkópia, alapelvek, mérési módszerek, alkalmazási példák Flashcards
(18 cards)
NIR-NIT spektroszkópia tulajdonságok
- gyors, roncsolásmentes
- élelmiszeralapanyagok, adalékok, intermedierek és végtermékek
- összetett biológiai rendszerek minősítése: búza, árpa - nedvesség, fehérje tart., technikai keménység
- NIR: reflexiós –> (1100-2500 nm)
NIT: transzmissziós –> (800-1100 nm)
közeli infravörös tartomány
Kialakulása
Sir Isaac Newton –> fény útjába prizmát helyezett (1704)
Sir Frederic William Herschel –> az elektromágneses tartomány látható régión kívüli (vörös utáni) –> infravörös, hőmérővel érzékelte (1800)
közeli infravörös spektroszkópia alapja
(fotonok) fénykvantum hatására a (minta) molekulák rezgési és forgási állapotai gerjesztődnek (az egész molekula rezeg vagy forog) –> eközben fotonok különböző utakat járnak be
fotonok által bejárt út
- abszorpció
- transzmisszió
- diffúz- és spekuláris reflexió
- elhajlás
- szóródás
Infravörös spektrum létrejötte
szerves molekulák kötéseinek különböző hullámhosszoknál való fényabszorpciója
Hooke rugómodell
nű = (1/2pí)*gyök(k/mű)
nű: rezgési frekvencia
k: klasszikus erőállandó
mű: atom redukált tömege –> m1*m2/m1 + m2
Rezgési energiaszintekre igaz–>
- 2 atomnál: rezgési energiaszintek végesek
- többatom: energiaszintek sorozat
- Alaprezgés: 0. energiaszintről 1.re lép a rendszer/molekula
- Felhang: nem az első, hanem a 2. 3., azaz fentebb lévő energiaszintre lép a rendszer
- Kombinációs- vagy differencia sáv: két normálrezgés megközelítő összegénél vagy különbségénél jelennek meg
–> felhang, kombinációs és differencia sáv is gyenge intenzitást hoz létre, tiltottak spektroszkópiai kiválasztási szabályok szerint
- nagyobb energiaszinten az energiaszintek távolsága kisebb
- Gátlásienergia: két atom közeledésének az elektronfelhő szab határt
NIR és NIT készülékek különböző elemeinek fajtái
- Mérési elrendezés: NIR vagy NIT vagy NIR és NIT
- Detektor: infravörös termikus (termoelem)
vagy infravörös foton (félvezetők pl.: PbS) - Fényforrás:
Közeli infravörös (pl.: wolfram-halogén izzó)
Középső infravörös (pl.: Globar, Nerst izzó) - Optikai konfiguráció:
– interferencia szűrő
– mozgó diffrakciós rács
– közeli infrában emittáló diódák
– interferométer (pl.: Michelson)
– akuszto-optikusan hangolt szűrők
NIR és NIT készülék felépítés
fényforrás –> Optikai konfiguráció –> minta –> detektor
NIT készülék
- transzmittancia: fény áthatol a mintán
- -> nagy szemcsméretnél jobban, mint a kicsinél, kicsinél a fény nagy hányada visszaverődik (lecsökken a jel/zaj arány), nem jut elég a detektorba
2. optimálni kell a minta rétegvastagságát
3. nagyobb frekvencia –> kisebb hullámhossz (800-1100 nm) - -> kisebb frekvenciájú em. sugárzás nem tud áthatolni
I0: beeső sugárzás
I(T): a mintát elhagyó sugárzás
T = I(T)/I0
Lambert-Beer tv.: A = - lg T = lg 1/T = epsilonlc
A: abszorbancia
epsilon: abszorpciós koefficiens
l: minta rétegvastagság
NIR készülék
- Diffúz reflektancia
- zavaros, átlátszatlan, nagy mértékben abszorbeáló minta
- behatol 1-4mm-t
R = I(R) / I(st)
I(R): mintáról visszavert fényintenzitás
I(st): nem abszorbeáló standard felületről visszavert fényintenzitás (pl.: fehér kerámia, BaSO4, Al2O3, MgO lap)
A = -lgR = lg 1/R
Előnyök
- Komplex információt hordoznak a spektrumok, több összetevő meghatározása egy időben: fő kémiai komponensek + minor komponensek (klorofill, pigment, rost) + fizikai jellemzők mérése (részecskeméret, keménység)
- gyors –> gabonabetakarítás idejére adhat információt
- Egyszerű mintaelőkészítés helyszínen is
- Roncsolásmentes - nincs beavatkozás
Hátrány
- A mennyiségi meghatározás kalibrációt igényel, a pontosság ennek függvénye (statisztikai adatokra épít)
- Sokkomponensű mintáknál zsúfolt spektrum –> fedés –> számítógép kell
- Reflexiós mérésnél: inhomogén felszín, felületi nedvesség ronthat a mérési eredményeken
Spektrum-transzformációk
Deriválás:
- átlapoló csúcsok
- alapvonal-eltolódás kiküszöbölésére
első derivált:
- -> eredeti felfelé vagy lefelé irányuló meredekség max –> 1. derivált lokális maximuma, minimuma
- -> eredeti lokális min. és max. –> 1. derivált 0
második derivált:
- -> eredeti spektrum: csúcs –> 2. derivált: völgy
- -> átlapoló csúcsok szétválnak
Mire ad megoldást, előny vagy hátrány a spektrum-transzformáció?
Megoldás:
1. átlapoló csúcsok szétválnak –> azok a csúcsok, inflexiós pontok, amik észrevehetetlenek voltak –> kiértékelhetők
–> Reflexiónál szemcseméret-eloszlás hatására bekövetkező alapvonal-eltolódás kiküszöbölésére
Hátrány: felnagyítja a zajt, fokozza a spektrum összetettségét –> jel/zaj arány romlik
–> zaj növekedés miatt: deriválás + simítás (pontatlanabb lesz, finom információk vesznek el)
Második derivált képzése
kapu (segment): Azon pontok száma, amiket a deriválás előtt átlagolni kell
rés (gap): azon pontok száma, amiket a deriválás során a kapuk között ki kell hagyni
3 kaput jelölünk ki és köztük 2 rést
A kapuk pontjait, abszorbancia értékeit átlagoljuk, majd –> A + C - 2B-t kiszámoljuk, ezt az értéket a középső ponthoz rendeljük
majd egy ponttal eltolódik a 3 kapu és 2 rés, utolsó pontig ismételjük
Főkomponens analízis - PCA
Principal Component Analysis
- -> minták közti változékonyságot vizsgálja
- -> eredeti változókból újabb korrelálatlan változókat hoz létre: ezek a főkomponensek
- -> elől állnak az eredeti változók együttes varianciájának legnagyobb részéért felelősek
a cél a variancia minél nagyobb százalékának leírása
Élelmiszeripari példák
ipar: gabonafeldolgozás, tej, hús, növényi olaj, édesség, élvezeti cikk
gabona: betakarítás: nedvesség és fehérje tartalom
zsír, nedvesség, fehérje tartalom mérés
