Tiểu luận phân tích thực phẩm phương pháp Quang phổ cận hồng ngoại NIR và ứng dụng trong thực phẩm

Trong các ứng dụng đầu tiên, NIR chỉ sử dụng như là một phần của các thiết bị quang học khác sử dụng các bước sóng như tia cực tím UV, ánh sáng có thể nhìn thấy Vis, hoặc giữa hồng ngoại

do đó nó là một phần của quang phổ mà tồn tại giữa cuối đỏ trong quang phổ nhìn thấy

và bắt đầu của vùng hồng ngoại giữa ứng dụng điển hình bao gồm dược phẩm, chẩn đoán y tế (kể cả đường máu và phương pháp đo oxy), thực phẩm và kiểm soát chất lượng nông hoá, và nghiên cứu quá trình đốt cháy, cũng như nghiên cứu khoa học thần kinh nhận thức

I).2 LỊCH SỬ

Herschel phát hiện ra năng lượng cận hồng ngoại vào thế kỷ 19, nhưng nó được ứng dụng trong công nghiệp lần đầu tiên vào những năm 1950 Trong các ứng dụng đầu tiên, NIR chỉ sử dụng như là một phần của các thiết bị quang học khác sử dụng các bước sóng như tia cực tím (UV), ánh sáng có thể nhìn thấy (Vis), hoặc giữa hồng ngoại (MIR) Trong những năm 1980, NIR đựơc sử dụng độc lập, việc áp dụng các NIR đã được tập trung hơn vào phân tích hóa học Với việc ra đời sợi quang ánh sáng vào giữa năm 1980 và ứng dụng ánh sáng đơn sắc, vào đầu những năm 1990 phương pháp NIR đã trở thành một công cụ mạnh mẽ cho nghiên cứu khoa học

vùng bước sóng cận hồng ngoại đựoc chia thành hai khu vực: nm 780-1100 và 1.100-2.500 nm mặc dù được phát hiện khoảng 200 năm trước đây, nhưng tiềm năng của nó chỉ được khai thác khoảng 30 năm gần đây để phân tích chất lượng của các mẫu rắn, quang phổ NIR được đo bằng cách phản xạ phổ thường phức tạp với nhiều đỉnh chồng chéo

I).3 LÝ THUYẾT

Quang phổ học có thể được định nghĩa là nghiên cứu sự tương tác của ánh sáng với chất cần xác định

Khu vực của quang phổ cận hồng ngoại là một phần của phổ rung động và bao gồm một phần quang phổ giữa hồng ngoại

Quang phổ cận hồng ngoại là một kỹ thuật phân tích cho phép biết được thành phần hóa học của thực phẩm và nguyên liệu nhanh hơn nhiều so với xét nghiệm sinh hóa thông thường phát triển hiện tại của kỹ thuật này đang di chuyển theo hướng trực tiếp

dự báo về giá trị dinh dưỡng của thực phẩm

Quang phổ cận hồng ngoại được dựa trên sự rung động phân tử và kết hợp quá trình chuyển đổi như vậy bị loại bỏ bởi các quy tắc lựa chọn của cơ học lượng tử Kết quả

là, các sự hấp thụ phân tử trong vùng cận hồng ngoại thường khá nhỏ

Một lợi thế là NIR thường có khả năng đâm xuyên vào một mẫu hơn so với bức xạ hong ngoại giữa

Các rung động của phân tử và bước sóng kết hợp trong các cận hồng ngoại thường rất rộng, dẫn đến phổ của nó phức tạp, nên khó để xác định các tính năng cụ thể các

thường được sử dụng để lấy các thông tin hóa chất mong muốn

NIR không phải là một phương pháp kỹ thuật phân tích chung, nó không phù hợp với việc xác định các thành phần trong hỗn hợp phức tạp vì nó cho kết qủa không chính xác Phương pháp này đựợc áp dụng nhiều trong việc phân tích các mẫu tương đối tinh khiết sẽ cho kết quả nhanh chóng hoặc để xác định một hỗn hợp chứa các thành phần gần như cố định, chẳng hạn như: gỗ, kẹo chocolate…

Một mặt, lực đẩy giữa các hạt nhân tích điện dương và các đám mây các điện tử mang điện tích âm Ở đó, một lực hấp dẫn thứ hai là giữa hạt nhân của một nguyên tử và các điện tử của nguyên tử khác và ngược lại

Mỗi rung động mang một tần số riêng phụ thuộc vào nhóm hóa chất tham gia vào cấu tạo Năng lượng của một tia sáng có thể được hấp thụ khi tần số của ánh sáng trùng với tần số tự nhiên của liên kết giữa các phân tử Với: tốc độ của ánh sáng là một phổ liên tục: C

tần số: ν

Các bước sóng: λ

trong đó: λ= c / ν

phổ thu được bằng cách ghi lại cường độ của ánh sáng hấp thụ tần số (hoặc chiều dài bước sóng) của ánh sáng tới Trình bày phổ NIR đơn giản là bắt đầu bởi

mô hình cơ bản nhất của một phân tử dao động

I).3.1 phân tử phân tử

I).3.1.1 Các bộ dao động điều hòa

Trong mô hình này rất đơn giản, chúng ta xem xét hai khối m1 và m2 nối với nhau bằng một liên kết có lực không đổi bằng k

 Chúng ta tiếp tục giả định rằng liên kết theo định luật của Hooke, cho bởi:

f = - k (r - req)

Với: f : lực tác dụng lên hạt

r: vị trí ban đầu

req: vị trí cân bằng

Trong điều kiện này, đường cong năng lượng là parabol và đối xứng về vị trí req cân bằng

Năng lượng này được cho bởi:

E = k (r - req) 2 / 2

Các tần số dao động tự nhiên của liên kết được cho bởi phương trình:

n = (k / μ) ) 1 / 2 / 2π

với: μ) khối lượng hao hụt: μ) = m1m2 / (m1 + m2)

Phương trình này rất đơn giản có thể được sử dụng để tính toán vị trí gần đúng một phổ cơ bản (trong giữa vùng hồng ngoại) khi biết k là lực liên tục giữa hai nguyên tử

I).3.1.2 dao động phi điều hòa:

Các liên kết nguyên tử không theo đúng định luật được mô tả bởi những giản đồ dao động

ví dụ: nếu liên kết là mạnh,nén thì năng lượng tăng theo định luật của Hooke

Ngược lại, nếu lực liên kết được kéo dài, sức mạnh liên kết có xung hướng đến một điểm, mà tại đó các phân tử phân ly, giải phóng các nguyên tử cấu thành của nó Năng lượng của mô hình phi điều hòa được cho bởi:

E =De [1 - exp(a (req - r))] 2

với De là năng lượng phân ly và có một hằng số đặc trưng cho liên kết giữa nguyên tử

1.3.2 đa nguyên tử phân tử

Theo lý thuyết, một phân tử có chứa N nguyên tử 3N-6 độ dao động tự do (3N-5 cho các phân tử tuyến tính)

Tuy nhiên, tất cả các liên kết nguyên tử không có khả năng hấp thụ năng lượng ánh sáng hồng ngoại, ngay cả khi tần số của ánh sáng là giống tần số của liên kết

Chỉ có kết nối đó là thời điểm điện dao động lưỡng cực là "hoạt động trong vùng hồng ngoại "

Ví dụ về dao động nguyên tử: các chuỗi hydrocarbon (hình)

mỗi chế độ tương ứng với tần số riêng và tần số cơ bản, một số khác liên kết với các sóng âm

Một phần của một chuỗi các chế độ rung động và những liên kết khác Những kết quả tương tác bởi sự xuất hiện của các sóng kết hợp Các sóng như vậy xuất hiện ở tần số

mà chính nó là sự kết hợp tuyến tính cơ bản của một dải tần

Ví dụ: nếu các tần số hai chế độ đang hình thành một sự kết hợp đại diện bởi ν1và ν2 là tần số sóng kết hợp được cho bởi:

νcomb αν1 + = βν2

Trong đó α và β là các số nguyên (thường là 1, 2 hoặc 3)

Vì vậy, khi sóng, kết hợp các dao động xuất hiện ở tần số cao hơn các sóng cơ bản Các vùng quang phổ NIR là tên miền dao động và dao động của sóng kết hợp(hình 3) Các nhóm chất hóa học có một sự hấp thụ trong khu vực NIR chủ yếu H- X, trong đó

X tương ứng với các nguyên tử oxy carbon, hoặc nitơ, và H là bắt các nguyên tử hydro

Nhìn chung khó để giải thích quang phổ NIR của chúng trong vùng hồng ngoại

NIR tương đương của họ trong khu vực giữa hồng ngoại Tuy nhiên quang phổ cận hồng ngoại rất phù hợp với sự phát triển ứng dụng phân tích vì 2 lý do chính:

Đầu tiên, những dao động và sóng kết hợp ít dao động hơn so với các sóng tương ứng

ánh sáng hấp thụ it mạnh trong NIR vào giữa hồng ngoại tia sáng có khả năng đâm xuyên vào vài milimet trong sản phẩm nghiên cứu, và mẫu không cần thiết phải pha loãng khi sử dụng quang phổ

Ngoài ra, các song cận hồng ngoại có đỉnh hấp thụ rất rộng (Hình 3) các bước sóng không thay đổi đáng kể cường độ hấp thụ ánh sáng Nó tiện ích cho các ứng dụng phân tích dựa trên việc đo hấp thụ ánh sáng ở bước sóng dữ liệu

I).4 NGUYÊN TẮC

Khi ánh sáng (hoặc cận hồng ngoại) chiếu lên vật liệu, lượng hấp thụ phụ thuộc vào thành phần của vật liệu đó bằng cách đo ánh sáng, do đó, chúng ta có thể tìm hiểu về bản chất và thành phần của vật liệu

Công nghệ này sử dụng một nguồn sáng để phát ra ánh sáng chiếu vào mẫu Ánh sáng được phát ra bởi nguồn là ánh sáng đa sắc sau đó đi qua bội phận tán sắc (lăng kính hoặc cách tử) ,chúng được tách thành các ánh sáng đơn sắc Những ánh sáng có bước sóng giữa 800 và 2500 được phát hiện, ghi nhận, và sử dụng

Cơ sở phân tích NIR là trình bày tập hợp dãy quang phổ của các mẫu Các tín hiệu quang phổ của mẫu được bộ phận xử lý số liệu tính toán bằng những phương pháp phức tạp liên quan đến các phép đo để xác định được thành phần của các mẫu

Bộ phận xử lý só liệu cho phép thiết bị tự động xác định số liệu một mẫu chuẩn và so sánh với các số liệu ghi nhận được từ các mẫu cần xác định quá trình tính toán được thực hiện bởi một máy tính được lập trình sẵn

I).5 MÁY MÓC – THIẾT BỊ

I).5.1 Cấu tạo và nguyên tắc hoạt động:

I).5.1.1 Máy có bộ lọc ánh sáng đơn sắc:

Các quang phổ đã được thu nhận bằng cách sử dụng quang phổ kế bao gồm ít nhất 4 phần chính:

- Nguồn ánh sáng

- Hệ thống phân tách ánh sáng đa sắc theo bước sóng ( lăng kính hay cách tử)

- Hệ thống nhận tín hiệu

- Bộ phận xử lý tín hiệu

Nguyên lý của máy đo quang phổ cận hồng ngoại 2 chùm tia : ngồn sáng(1) phát ra chùm tia cận hồng ngoại với mọi tần số nằm trong vùng khảo sát Chùm tia sáng này được chia thành 2 phần: một phần chiếu vào mẫu, phần còn lại đi qua môi trường đo ( dung môi) Bộ phận tạo đơn sắc(2) sẽ tách từng tần số để đưa qua bộ phận phân tích (detector)(3) Detector sẽ so sánh cường độ hai chùm tia để cho ra những tín hiệu có

cường độ tỷ lệ với phần bức xạ bị hấp thụ bởi mẫu bộ phận ghi(4) sẽ nhận tín hiệu điện do detector cung cấp dưới dạng những đường cong phụ thuộc vào % bức xạ truyền qua vào số song cm-

Nguồn sáng:

Trong quang phổ cận hồng ngoại nguồn sáng thường là đèn Volfram-Halogen, đèn LED

Nguồn sáng volfram thường được gọi là nóng sáng, vì chúng phát ra ánh sáng khi bị đun nóng bởi năng lượng điện Dây tóc của các bóng đèn hiện đại thường làm bằng volfram, một kim loại có hiệu suất phát sáng tương đối hiệu quả khi bị đun nóng điện trở bằng dòng điện Các đèn nóng sáng hiện đại có nguồn gốc từ đèn hồ quang carbon

Nguồn sáng là một bóng đèn volfram-halogen Có thể bao gồm 3-20 bộ lọc ánh sáng Phương pháp này được ứng dung nhều trong phân tích, các thiết bị ngày càng đa dạng có thể tạo ra các bộ lọc phù hợp nhất đối với những phân tích cụ thể

Ánh sáng từ các đèn volfram-halogen tạo thành một chùm tia song song chiếu sáng vào mẫu

Một phần chùm tia này được chia làm 2, một phần đi qua mẫu, phần còn lại đi qua môi trường đo (dung môi)

rộng từ khoảng 300nm, trong vùng tử ngoại, tới gần 1400nm, trong vùng hồng ngoại

Nhiệt độ bề mặt của dây tóc volfram lúc hoạt động rất cao, thường trung bình khoảng 2550 độ C Dây tóc của đèn volfram-halogen thường là những sợi xoắn rất chặt gắn trong một vỏ bao thủy tinh borosilicate-halide (thường gọi là thạch anh nấu chảy)

Đèn LED (viết tắt của Light Emitting Diode, có nghĩa là điốt phát quang) là các điốt có khả năng phát ra ánh sáng hay tia hồng ngoại

Một cách khác để tạo ra ánh sáng trắng là dùng đèn LED xanh dương và sử dụng phốt-pho để chuyển hóa thành ánh sáng trắng Phốt-pho hấp thu ánh sáng từ đèn LED và tạo ra ánh sáng phân bố đều ở mọi bước sóng Thông thường, đèn LED không phát xạ tia cực tím Đèn LED không được chế tạo để phát tia hồng ngoại

Đèn LED không chứa thủy ngân như đèn huỳnh quang và halogen, vì vậy hạn chế nguy cơ thải những chất độc hại ra môi trường

Bộ phận tách ánh sáng đơn sắc:

Chùm tia sáng từ nguồn thường là tia đa sắc cho nên phải qua bộ phận lọc tách ánh sáng đơn sắc gồm những lăng kính được chế tạo từ các tinh thể muối làm vật liệu như Lì, CaF2, NaCl, KBr…

Mỗi loại chỉ cho ánh sáng với khoảng bước sóng nhất định đi qua

Tinh thể muối này dể chảy khi ẩm do đó phải bảo quản trong không khí khô

Cách tử là những tấm thủy tinh trên đó vạch những đường song song với nhau

Hệ thống nhận tín hiệu:

Tia sáng sau khi đi qua mẫu đo, bị hấp thụ một phần, phần còn lại được truyền sang bộ phận tín hiệu

Các bức xạ cận hồng ngoại có cường độ năng lượng thấp nên thường được sử dụng detector nhiệt dựa trên hiệu ứng nhiệt để phát hiện tất cả các vùng song cận hồng ngoại ở đây detector đã biến tín hiệu ánh sáng thành tín hiệu điện dòng điện này có cường độ rất nhỏ, đồng thời luôn thay đổi, phụ thuộc và cường độ tia sáng bị hấp thụ nhiều hay ít mà dòng điện có cường độ mạnh hay yếu

Nhờ bộ phận khuyết đại tiếp theo mà dòng điện được mạnh lên nhiều lần để truyền tín hiệu sang bộ phận tự ghi, vẽ lên bản phổ hoặc đưa vào máy tính xử lý số liệu rồi in ra phổ

Bộ phận xử lý số liệu:

Nhận được thông tin tương ứng với bước sóng khác nhau Các tín hiệu được ghi lại bằng cách sử dụng một bộ phận cảm biến Một hệ thống mã hóa được sử dụng để

có được quang phổ từ các tín hiệu khi đo Cuối cùng bộ cảm biến quang của quang phổ kế có thể ghi lại độc lập sự hấp thụ ánh sáng ở bước sóng cụ thể

I).5.1.2 Máy quang phổ cận hồng ngoại biến đổi Fourier:

máy quang phổ cận hồng ngoại biến đổi Fourier gồm các bộ phận chính sau: nguồn sáng

giao thoa kế

detector

bộ phận xử lý dữ liệu

Biến đổi Fourier ngày nay có thể cạnh tranh với các thiết bị tương tự trong các ứng dụng công nghiệp

Đặc điểm chính của thiết bị này là sự giao thoa Michelson (Hình)

Trong hệ thống này, chùm ánh sáng có thể đi theo hai đường quang học khác nhau tạo ra giao thoa Ánh sáng trước tiên hướng đến một bộ chia, được thiết kế sao cho một nửa của ánh sáng được phản xạ (đường đi A) và một nửa khác truyền qua (đường đi B) Khoảng cách ứng với đường đi B sau đó đến một gương cố định, nó được trả về để tách và cuối cùng đến các máy dò Khoảng cách kết hợp với đường dẫn

A đến gương động sau đó được truyền tới máy dò thông qua các bộ chùm chia

Người ta có thể thấy rằng di chuyển gương có thể thay đổi chiều dài đường dẫn quang học A Khi gương di chuyển đến một vị trí mà đo dài đường dãn quang A và đường dẫn B bằng nhau

Đối với một chùm tia đơn sắc bước song λ, với δ là bội số của λ là 2λ, 3λ Thay vào đó đối với các tia mà quãng đường A và B không bằng nhau khi δ = λ/2, 3λ/2, 5λ/2 Nếu di chuyển gương với một tốc độ không đổi, một chùm ánh sáng đơn sắc được xác định thông qua việc phát hiện một hình sin tín hiệu điện Tương tự như vậy, cho một ánh sáng đa sắc, tín hiệu thu âm là tổng của các hàm sin

Đối với δ = 0, tất cả các bước sóng ảnh hưởng tích cực, giá trị của nó cao nhất Ngược lại, khi các đường dẫn quang học δ khác biệt lớn, giá trị của nó gần với 0 Như vậy, dao đông sóng là tổng của các hàm sin và biến đổi Fourier của nó cho cường độ

và tần số là quang phổ bình thường

Ưu điểm chính của biến đổi Fourier quang phổ kế là các bước sóng được xác định chính xác

Một số thiết bị sử dụng tinh thể, cách thức của nó cũng như trong biến đổi Fourier quang phổ kế, sóng ở đây thu được từ các tia ánh sáng theo hai đường dẫn quang học có độ dài khác nhau Trong một phân cực phổ kế tinh thể, ánh sáng đi qua một tinh thể lưỡng chiết phân chia thành hai tia được gọi là "bình thường"và "bất thường." Các chỉ số khúc xạ tương ứng với hai tia là khác nhau Khi thay đổi độ dày của tinh thể, nó cũng làm thay đổi sự khác biệt của hai đường dẫn quang học

Fourier quang phổ kế bao gồm một loạt các bước sóng thường ghi lại sự hấp thu ánh sáng của 1100 nm đến 2458 nm với sai lệch ± 2 nm, đôi khi nó cũng quét vùng ánh sáng nhìn thấy được (400nm – 1100nm)

Dardenne và Féménias (1999) đã sử dụng phương pháp này để phân tích hàm lượng chất khô của thức ăn thô, tươi sau thu hoạch, xác định chất khô được khoảng 1%

Nguồn sáng:

Nguồn sáng cho quang phổ cận hồng ngoại biến đổi Fourier cũng là đèn volfram-halogen và đèn LED

Giao thoa kế:

Gồm một gương cố định, một gương di động và bộ tách quang Bộ tách quang được chế tạo từ một số vật liệu khác nhau, mỗi vật liệu được sử dụng cho một vùng giới hạn bước sóng: Si thạch anh, Si/CaF2

Detector:

Nguyên tắc cơ bản của detector là khi một photon đập vào mặt của một chất rắn sẽ làm bật ra các electron, sau đó các electron này chuyển động và đập vào bề mặt chất rắn và làm bật ra electron với số lượng lớn hơn nhiều lần, chất rắn đo phải là những chất bán dẫn

Một số chất bán dẫn làm detector: PbS(N2), Diod Si

Xử lý dữ liệu :

Ghi nhận những thông tin tương ứng với bước sóng khác nhau Các tín hiệu được ghi lại bằng cách sử dụng một bộ phận cảm biến Một hệ thống mã hóa được sử dụng để