Spettroscopia NIR Applicazioni industriali dello SpectraAlyzer

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1 Spettroscopia NIR Applicazioni industriali dello SpectraAlyzer Pubblicazione a cura di Marchioro Gabriele responsabile di prodotto NIR AxFlow S.p.A. Pagina 1 di 31

2 Indice 1 LA SPETTROSCOPIA NIR - teoria e principio del metodo Cenni storici Teoria e principio del metodo Funzionamento di uno spettrometro NIR Spettrofotometro NIR a filtri SpectraAlyzer Calibrazione Manipolazione del campione Mercati ed applicazione dello SpectraAlyzer Zootecnia Mercato ed esigenze analitiche Soluzioni Axflow Italia per l industria zootecnica Grano, molini, pastifici Mercato ed esigenze analitiche Soluzioni Axflow Italia per l industria molitoria Latte e derivati Mercato ed esigenze analitiche Soluzioni Axflow Italia per l industria lattiero casearia Industria dei grassi Mercato ed esigenze analitiche Soluzioni Axflow Italia per l industria dei grassi Industria della carne Mercato ed esigenze analitiche Soluzioni Axflow Italia per l industria della carne Industria delle bevande alcooliche Mercato ed esigenze analitiche Soluzioni Axflow Italia per l industria delle bevande alcooliche Industria olivicola Mercato ed esigenze analitiche Soluzioni Axflow Italia per l industria olivicola Industria alimentare Mercato ed esigenze analitiche Soluzioni Axflow Italia per l industria alimentare...31 Pagina 2 di 31

3 Astratto 1 LA SPETTROSCOPIA NIR - teoria e principio del metodo I fenomeni legati all'interazione luce-materia sono ben noti e tutti e fanno parte della vita quotidiana di ognuno di noi; l'occhio, infatti, sfrutta questi fenomeni per darci informazioni sul mondo circostante. Quando un oggetto viene investito da un fascio luminoso è in grado di assorbire una parte della luce, la frazione non assorbita viene normalmente riflessa o trasmessa. Perché la luce venga assorbita è necessario che le sue lunghezze d'onda siano uguali a quelle dei moti vibrazionali dei legami che compongono atomi e molecole. La quantità di luce assorbita dipende perciò, dalla composizione dell'oggetto e una misura della luce assorbita può, quindi, dare informazioni sulle caratteristiche degli oggetti. Si parla di misure in riflessione quando il detector si trova dalla stessa parte della sorgente luminosa, di misure in trasmissione quando il detector è dalla parte opposta alla fonte luminosa. La quantità di luce assorbita dal campione è data dalla differenza tra quantità di luce inviata e la quantità di luce emessa (riflessa o trasmessa). Ripetendo la misura per diverse lunghezze d'onda si ottiene quello che viene chiamato spettro del campione e che corrisponde alla sua impronta digitale tanto è caratteristico di ogni prodotto; da uno spettro quindi si possono ottenere informazioni sulla composizione chimica di matrici anche molto complesse. Le informazioni non sono solo sulla composizione, ma anche sull'aspetto fisico superficiale del campione, a seconda della superficie che viene investita si possono, infatti, avere risposte diverse. Questo è un fenomeno da tenere sempre presente quando si compiono determinazioni NIR in quanto la granulometria del campione può influenzare la risposta. Esiste una legge che, per ogni lunghezza d'onda lega la concentrazione di un parametro: la legge di Lambert-Beer. Tale legge è però lineare solo per intervalli limitati di concentrazione. A seconda dell'intervallo di lunghezze d'onda che si utilizza le informazioni che si ottengono possono essere diverse, perché diversi sono i legami in grado di interagire. Le lunghezze d'onda del VICINO INFRAROSSO vanno da 1100 a 2500 nm e hanno energie corrispondenti alle energie di vibrazione dei gruppi caratteristici delle molecole organiche, risulta quindi particolarmente utile quando si vuole analizzare sia qualitativamente che quantitativamente la sostanza organica. In questa zona spettrale, inoltre, il materiale in vetro presenta assorbimenti particolarmente bassi ed è perciò conveniente per analisi routinarie in quanto si possono utilizzare materiali a basso costo. Caratteristica saliente è inoltre la possibilità di analizzare i campioni senza alcuna preparazione e lo spettro risultante presenta comunque un buon rapporto segnale/rumore. Per utilizzare questi strumenti è perciò necessario individuare quali sono le lunghezze d'onda che contengono le informazioni utili ai fini analitici e qual è la relazione matematica che lega l'informazione spettrale al dato chimico. Questa procedura si chiama taratura o calibrazione e prevede la registrazione di un gran numero si spettri e l'ausilio di computer per i calcoli. Una volta tarato lo strumento è però in grado di compiere analisi indipendentemente dalla presenza del calcolatore. Pagina 3 di 31

4 1.1 Cenni storici I primi strumenti commerciali e le prime applicazioni su generi alimentari della spettroscopia NIR risalgono alla metà degli anni 70 con la determinazione del contenuto in proteine e grasso del mais (Hymowitz, et al. 1974), della soia (Rinne, et al. 1975), e la determinazione dell umidità e del contenuto in proteine di campioni di grano (Williams 1975). A metà degli anni 80 negli Stati Uniti d America divenne il metodo di riferimento per l analisi del contenuto in proteine del grano. Fu il primo passo per una tecnologia fino allora confinata ad impieghi militari (valutazione materiali). Tuttavia visto l elevato costo della strumentazione e la difficoltà nella gestione degli spettri risultanti, questa tecnica rimase confinata ad una ristretta cerchia d utilizzatori. Questo confinamento elitario costò diversi anni di stagnazione nella messa a punto di nuove applicazioni. Un cambiamento si ebbe quando lo sviluppo dell elettronica e la conseguente disponibilità di calcolatori veloci ed economici portarono il costo della strumentazione a livelli di mercato accettabili e la gestione degli spettri a livello più accessibile. Aumentando la disponibilità di strumenti sul mercato anche lo sviluppo di nuove applicazioni nei campi più disparati si fece più solerte. Attualmente la tecnica NIR è accettata in diversi metodi ufficiali e permette analisi veloci ed economiche nei campi più vari, dal settore agroalimentare alla farmaceutica, dall industria petrolchimica a quella dei cosmetici. Le tecniche analitiche che fanno riferimento alla spettroscopia d assorbimento coprono il campo delle lunghezze d onda che vanno da 1nm a nm. All interno di quest intervallo sono compresi dunque i raggi X (tecniche di diffrazione a raggi X o XRF) il visibile e l ultravioletto (spettrofotometri UV-Vis) e la vasta regione degli infrarossi (medio infrarosso (MIR), lontano infrarosso (FIR) e vicino infrarosso (NIR)). Spettro radiazioni elettromagnetiche Pagina 4 di 31

5 1.2 Teoria e principio del metodo Vediamo ora come interagisce la radiazione NIR con la materia. Secondo i dettami della teoria quantistica ciascun atomo o molecola possiede un proprio stato energetico detto stato fondamentale in cui la struttura ha la più bassa energia possibile. Se quest atomo, o molecola, è colpito da radiazioni si osserva un assorbimento delle stesse solo se l energia portata dalla radiazione corrisponde ad un salto di stato energetico della struttura. L interazione che coinvolge la radiazione NIR è la transazione vibrazionale ovvero muta l ampiezza delle vibrazioni tra gli atomi della molecola in esame. Le variazioni dell energia vibrazionale all interno della molecola sono quindi quantizzate, ciascuna coppia d atomi assorbe le lunghezze d onda specifiche della radiazione in base alla loro massa atomica e alla forza del legame che li tiene uniti (nel caso della molecola d acqua è interessato il legame H-O). Nell ambito delle transazioni vibrazionale possiamo individuare due sottogruppi della modalità principale: l elongazione ( o stretching ) e la flessione (o bending ). Nel caso dell elongazione assistiamo ad una vibrazione che implica un continuo cambiamento della distanza interatomica lungo l asse di un legame dipolare. La flessione riguarda il continuo cambiamento dell angolo tra due legami aventi in comune un atomo. Il fenomeno della flessione ha poi quattro modalità d espressione, per così dire, in altre parole i cosiddetti scissoring, rocking, wagging e twisting. Questi quattro modi di vibrazione sono corrispondenti ai diversi piani in cui si trovano i legami e secondo le direzioni delle vibrazioni che possono essere concordi od opposte. In conseguenza di queste possibilità di vibrazioni si verificano quattro bande d assorbimento nel vicino infrarosso ovvero Bande fondamentali Bande armoniche Bande di combinazione Bande di differenza Le bande fondamentali corrispondono all assorbimento d energia sufficiente alla transazione da un livello vibrazionale fondamentale ad un primo stadio d eccitazione. Generalmente avvengono nella regione spettrale che va da 4000 a 400 cm-1. Sono bande poco indicative per l indagine NIR poiché sono ai limiti dello spettro, rivestono importanza nelle analisi eseguite con spettrometri MIR o FIR. Le bande armoniche, fondamentali nell analisi con spettrometri NIR, sono derivate dall assorbimento d energia multipla a quella necessaria per la banda fondamentale, una sorta di risonanza di frequenze (armonica) multiple. Sono definite spesso Overtones nella letteratura riguardante il vicino infrarosso. Le bande di combinazione e le bande di differenza si producono solo quando i fotoni assorbiti modificano nello stesso tempo il livello d energia di due o più legami interatomici. Esse non appaiono se non a frequenze uguali alla somma o alla differenza delle frequenze della vibrazione. Sono sicuramente osservabili nel campo del vicino infrarosso ed hanno le stesse intensità delle bande armoniche. Come abbiamo visto le vibrazioni fondamentali dei legami molecolari si osservano nello spettro sotto ai 1.100nm e interessano quindi la sezione dello spettro del medio e lontano infrarosso (MIR e FIR), ma sono però utili per capire il meccanismo che sta alla base dell utilizzo delle radiazione nel vicino infrarosso ( NIR ). Prendiamo in esame il caso di una molecola d acqua, queste vibrazioni fondamentali si osservano alla lunghezza d onda 2734nm con una vibrazione simmetrica della molecola, alla lunghezza d onda di 6270 nm si osserva una vibrazione asimmetrica ed infine alla lunghezza d onda di 2662 nm si registra un ennesima vibrazione simmetrica della molecola. Nelle figure sotto sono rappresentati i gradi delle vibrazioni fondamentali della molecola. Pagina 5 di 31

6 Prendiamo adesso in considerazione le vibrazioni combinate (armoniche) dell acqua ottenibili con spettroscopia NIR. Con l utilizzo delle radiazioni NIR abbiamo quindi disposizione una lunghezza d onda in più per verificare la presenza d acqua in una matrice. Quest insieme di vibrazioni caratterizza la molecola dell acqua e sono estremamente specifiche per essa. Vi sono poi delle bande che non possono essere rilevate per la bassa energia che trasportano e non sono quindi utili al fine del riconoscimento della molecola. Il discorso vale anche per molecole più grandi dove il numero di vibrazioni armoniche è tanto più grande quanto più complessa è la molecola. Nel caso del saccarosio (formula bruta C12 H22 O11) che possiede quarantacinque atomi coinvolti che danno luogo a ben centoventinove vibrazioni fondamentali e ad un numero notevolmente alto di vibrazioni armoniche. Pagina 6 di 31

7 In questo caso l utilizzo della regione del vicino infrarosso ci permette di verificare con estrema esattezza la presenza di saccarosio nel campione in esame discriminandolo da altri elementi contenuti nella matrice. Riassumendo possiamo affermare che le radiazioni NIR benché d intensità più debole rispetto alla regione del MIR o del FIR ci offrono uno strumento d indagine molto versatile e flessibile che trova applicazione in molti campi d analisi. Inoltre l indagine NIR è in grado di dare in pochi minuti un analisi completa di diversi parametri su di una matrice senza preparazione del campione e senza distruggere il campione. La regione dello spettro NIR, come già anticipato, è caratterizzata da deboli assorbimenti e da una forte sovrapposizione delle bande che però risultano di semplice assegnazione a strutture chimiche. Nella regione NIR si osservano solo le bande che contengono legami molecolari forti e atomi relativamente leggeri ovvero i legami C-H, O-H e N-H. Poiché nell analisi NIR si associano le bande delle armoniche superiori e delle loro combinazioni, gli spettri risultanti sono caratterizzati da grosse sovrapposizioni di bande e danno come risultato picchi molto allargati. Questo inficia la possibilità di un interpretazione visiva degli spettri come invece avviene nell analisi IR classica (il termine FIR non è comunemente utilizzato). Viene di norma utilizzato un software chemiometrico per interpretare gli spettri ottenuti e dare risultati sia qualitativi sia quantitativi. Anche nel caso dell analisi nella regione spettrale NIR si applica la legge di Lambert-Beer che, ad ogni lunghezza d onda, lega la concentrazione di un parametro. Tale legge è però lineare solo per intervalli limitati di concentrazione. Questo è dovuto alla relativa debolezza delle sorgenti luminose e dei sensori utilizzati nella strumentazione NIR che spesso provocano deviazioni da questa legge. Ciò porta a relazioni non lineari tra energia diffusa o trasmessa e concentrazione dei diversi composti del campione in esame. In effetti, in questi casi, la parte di radiazione riflessa diviene non trascurabile, questo obbliga a legare l assorbanza e la concentrazione a curve di calibrazione. Pagina 7 di 31

8 La deviazione alla legge ha sostanzialmente due cause, alla prima è legata alla capacità del dispositivo di selezione delle lunghezze d onda ( filtri, monocromatore e interferometro) la seconda dipende dalla luce dispersa. Questa è generata sia dalla radiazione che arriva al detector senza interagire con il campione o alla radiazione che subisce riflessione speculare. Le informazioni ottenibili con uno spettrofotometro NIR sono quindi diverse, esse non riguardano solo la composizione del campione, ma anche il suo aspetto fisico superficiale, in alcuni casi è possibile verificare la granulometria di campioni o la loro viscosità. Infine sostanze che non presentano assorbimenti nella regione NIR possono essere riconosciute in maniera indiretta. Si osservano gli spostamenti delle bande d assorbimento dei composti che sono causate dalla presenza per esempio di sali inorganici o materiali NIR opachi. Un caso su tutti, la determinazione del sale (NaCl) nel prosciutto è eseguita osservando gli spostamenti delle bande d assorbimento dell acqua. Un ulteriore vantaggio dell utilizzo delle radiazioni NIR è che queste non sono assorbite dal vetro, si può quindi utilizzare questo materiale (robusto ed economico) per le parti ottiche con conseguente diminuzione dei costi di produzione. L utilizzo delle fibre di vetro è utile nelle misurazioni in situ (sonde a fibre ottiche per riconoscimento materie prime ecc..) e permette di effettuare analisi sul campo o di creare dei sistemi di misura in continuo a più punti di lettura. Alle frequenze delle armoniche superiori i valori d assorbanza sono da 10 a 100 volte più bassi che alle frequenze della regione del MIR, ne consegue che i campioni da sottoporre all analisi NIR non richiedono diluizioni, questo rappresenta un vantaggio notevole della tecnica; l analisi può essere eseguita su campioni tal quali senza nessun tipo di preparazione. Essendo poi un analisi non distruttiva il campione può essere completamente recuperato sia per successive analisi con altre tecniche sia per utilizzarlo per sintesi o per lavorazioni successive. Spettro NIR di Polistirene Pagina 8 di 31

9 2 Funzionamento di uno spettrofotometro NIR Lo spettrografo consiste, in linea generale, in una sorgente di luce infrarossa, generalmente una lampada alogena con filamento di tungsteno, questo è riscaldato fino a 2600 C. Risulta un emissione di radiazioni che copre la regione dell ultravioletto fino a quella dell infrarosso. La luce è divisa in due raggi d uguale intensità, uno dei quali è fatto passare attraverso il campione della sostanza da esaminare. Se la frequenza di una vibrazione della molecola della sostanza cade nell intervallo compreso dallo strumento, la molecola assorbe energia di tale frequenza dal raggio di luce. Un detector ne registra l intensità. I detector sono generalmente al solfuro di piombo, poiché è molto sensibile è protetto da un vetro che ne limita la suscettibilità agli sbalzi termici. Sono però disponibili anche i fototubi, questi sono formati da una cella sotto vuoto nella quale sono collegati un catodo concavo di materiale foto-emissivo che emette elettroni quando irradiato con protoni e un anodo positivo. Gli elettroni passano dal catodo all anodo attraversando lo spazio vuoto dove sono amplificati da un sorgente di d.d.p. esterna. Il numero d elettroni espulsi è direttamente proporzionale alla radiazione incidente. Infine è possibile utilizzare i rivelatori fotovoltaici. Un materiale semiconduttore (selenio e silicio) è depositato in film sottile su un supporto d acciaio. Quando la radiazione luminosa raggiunge il semiconduttore si ha la produzione di una corrente proporzionale alla radiazione incidente. Si registrerà quindi il cambiamento di tensione, questo rivelatore, per le caratteristiche del raggio incidente si usa normalmente nella tecnica a trasmissione ed in quella a riflessione tra 700 e 1100 nm. Negli strumenti in commercio sono usate tre diverse geometrie per catturare le radiazioni riflesse, classificabili nel modo seguente: Sfera integratrice Detector ad angolo solido largo Detector piccolo Delle tre soluzioni la sfera integratrice (nella figura) offre la più completa rappresentazione della riflettanza di un campione, oltre ad un facile metodo per ottenere le operazioni in doppio raggio che minimizzano i problemi di stabilità delle lampade e dei detector. 11. sfera integratrice 12. detectors 13. campione Il detector ad angolo offre buona efficacia di rappresentazione, semplicità di costruzione e minima interferenza da riflettanza speculare. Il detector piccolo infine, offre semplicità di costruzione, il più basso rumore di fondo ed i costi più bassi. Le tre geometrie sono utilizzabili su strumenti a filtri, per i sistemi a scansione si utilizzano i detectors a sfera ed ad angolo per la loro capacità de seguire la scansione dell intero spettro. Un sistema di calcolo associa queste informazioni con le curve di riferimento dando un risultato matematico. Risulta indispensabile l ausilio di un sistema di calcolo basato su calcolatori che consentono di ottenere dati in tempi ridottissimi con accuratezza e precisione molto elevate. Esistono differenti tipologie di spettrometri che si differenziano sostanzialmente nel sistema adottato per generare la luce NIR. Abbiamo quindi cinque differenti sistemi, spettrometri a filtri, a monocromatore, Trasformata di Fourier, cristalli bifrangenti detti AOTS e i sistemi basati su diodi. Nella prossima sezione viene descritta il sistema a filtri interferenziali. Pagina 9 di 31

10 3 Spettrofotometro NIR a filtri SpectraAlyzer La luce di una sorgente è fatta passare attraverso una prima lente che polarizza la luce policromatica, il raggio di luce passa poi attraverso un chopper (elemento del sistema ottico) che determina tre possibili stati del raggio per ogni punto di lettura: Campione, riferimento e dark (buio). Nella posizione dark non vi è luce inviata al sistema, i detector misurano il segnale di fondo, o rumore elettronico, e automaticamente compiono un autozero elettronico sulla base di queste informazioni. La posizione campione è quella in cui il raggio di luce è inviato sui filtri rotanti del sistema che selezionano una singola lunghezza d onda che è utilizzata per l analisi. La posizione riferimento è utilizzata, ovviamente, per creare il raggio di riferimento. La lettura dell'assorbimento del campione sarà quindi la differenza tra la luce inviata (riferimento) e la somma di quella che arriva al detector dopo il passaggio sul campione (campione) e del segnale che si ha sul detector in assenza di luce (dark); questa procedura consente un'altissima precisione di scansione anche se le condizioni ambientali variano per umidità e temperatura. Lo SpectraAlyzer è il capostipite di una nuova linea di spettrofotometri NIR a filtri da laboratorio prodotta dalla società Tedesca Zeutec GmbH, che per funzionalità, applicazioni e prestazioni si candida come naturale successore della serie InfraAlyzer Bran+Luebbe, Queste sono le caratteristiche salienti dello SpectraAlyzer: Lo SpectraAlyzer ZEUTEC è un nuovo analizzatore NIR con soluzioni tecniche hardware moderne che è stato reingegnerizzato ed evoluto partendo dai più conosciuti strumenti prodotti da Technicon e da Bran+Luebbe la famiglia InfraAlyzer TM Grazie alla sua completa compatibilità lo SpectraAlyzer offre le migliori prestazioni ottiche possibili basate sul concetto Sample and Reference già utilizzati con successo sugli InfraAlyzer TM L identico disegno dell ottica permette il trasferimento diretto delle calibrazioni dai vecchi InfraAlyzer TM allo SpectraAlyzer, potendo pertanto attingere da un ricco database di calibrazioni e dati sviluppato in decenni di applicazioni nei più svariati settori industriali, evitando costosi e lunghi tempi di raccolta dati per sviluppare nuove calibrazioni, velocizzando così la messa in servizio; Lo strumento utilizza le stesse tazzine e moduli di presentazione campione utilizzati dalla serie InfraAlyzer TM Pagina 10 di 31

11 Lo SpectraAlyzer è disponibile in due versioni: il modello Basic versione base ed economica a 6 filtri interferenziali, ed il modello Premium a 19 filtri interferenziali, di cui segue tabella elencante le lunghezze d onda tipiche; entrambi i modelli permettono un buon grado d affidabilità su analisi di routine. Il vantaggio di un sistema a filtri come lo SpectraAlyzer risiede, oltre che ad un evidente vantaggio economico se confrontato con sistemi utilizzanti altre costruzioni più complesse, nell accuratezza delle lunghezze d onda prodotte (i filtri sono costruiti in materiali che non degradano nel tempo) che consente un elevata riproducibilità analisi dopo analisi. Il sistema a filtri ha, inoltre, meno parti in movimento di un sistema a scansione ed è conseguentemente più semplice e meno soggetto a rotture meccaniche. Facili da utilizzare non richiedono personale particolarmente tecnico. Trova largo utilizzo in analisi di routine su matrici non troppo complesse (grassi, proteine, umidità, grado alcolico ecc.. su matrici come cioccolato, grano e farine, bevande alcoliche ecc..). Pagina 11 di 31

12 4 Calibrazione Cos è la Calibrazione e perché è necessaria? Quando sono stati collezioni abbastanza Spettri rappresentativi delle loro proprietà, si può calcolare una Calibrazione, cioè sviluppare un modello matematico che descriva la varianza degli Spettri e metta in relazione questa varianza con i valori delle proprietà. Sono perciò necessari diversi campioni di cui si conoscano bene le concentrazioni o le identità. Scegliere i Campioni per una Calibrazione La selezione di campioni rappresentativi e di Spettri per una calibrazione è uno dei punti critici per l impostazione di una Applicazione NIRA. Questa selezione influenza fortemente la qualità e l affidabilità di una Calibrazione e di una Applicazione nel complesso. Un solo campione di un certo prodotto non può essere rappresentativo di tutto il prodotto. Perciò un set di campioni che sia il più rappresentativo possibile (e i loro Spettri) deve essere raccolto per una Calibrazione. Questa processo di selezione può essere paragonato all usare gli exit-polls per prevedere i risultati delle elezioni, cioè, se il campione di popolazione è grande abbastanza e rappresentativo dei votanti, ci si può aspettare che la previsione sia accurata. Per ottenere un set di campioni rappresentativi bisogna attenersi alle seguenti regole: coprire l intero intervallo di concentrazione che ci si aspetta per quella determinata proprietà La scelta dei campioni per una Calibrazione dovrebbe essere fatta in modo da includere l intero intervallo di concentrazione che avranno i campioni analizzati in routine per la proprietà in oggetto. Idealmente, bisognerebbe includere anche alcuni campioni che abbiano concentrazione più alta e più bassa per rendere la Calibrazione più stabile. La Calibrazione dovrebbe essere impostata in modo che i campioni che ci si aspetta di analizzare in routine abbiano valori, per tutte le proprietà, tali da essere sempre entro l intervallo considerato. includere abbastanza campioni Il numero dei campioni da usarsi in Calibrazione dipende dal tipo di prodotto da analizzare e dal numero di proprietà da determinare. Come regola generale si prendano 30 campioni per proprietà, p.e. 30 campioni per una proprietà, 60 campioni per due proprietà, ecc. Se à difficile ottenere così tanti campioni (con sufficiente varianza nelle loro proprietà), può essere necessario raccogliere campioni per un lungo periodo di tempo, al fine di ottenere il set prefissato. Si può cominciare con piccolo numero di campioni ed espandere il set di Calibrazione in seguito per avere una Calibrazione più robusta. Si consideri inoltre la necessità di extra campioni per un set di verifica per la convalida delle prestazioni della Calibrazione. si scelga una uniforme distribuzione di campioni all interno dell intervallo di concentrazione della proprietà La distribuzione dei valori delle proprietà entro l intervallo di calibrazione dovrebbe essere uniforme, cioè per ogni valore di proprietà lo stesso numero di campioni dovrebbe essere disponibile. Pagina 12 di 31

13 E anche importante che differenti proprietà varino indipendentemente, cioè, che alti valori della proprietà A siano associati a valori sia alti che bassi della proprietà B e vice versa. si scelgano campioni da diversi lotti ed in diversi giorni si analizzino i campioni in diverse condizioni Non si analizzino i campioni solo in condizioni ideali. E importante che le proprietà fisiche che possono interferire, come compressione e temperatura, varino in modo uniforme lungo tutto l intervallo di concentrazione. Questo renderà la Calibrazione resistente alle variazioni di queste caratteristiche. misurare parecchi Spettri di ogni campione Misurando un campione un paio di volte si riduce l errore casuale dovuto ad una non omogenea distribuzione del campione. Si dovrebbe, se lo strumento lo consente, cambiare la posizione del campione rispetto al dispositivo di misura tra una misura e l altra. Per esempio, se si sta misurando con un InfraAlyzer, ruotare la tazzina con il campione nel cassetto prima di cominciare un seconda misura. Ottenere valori di riferimento Per impostare una Calibrazione e per valutarne l affidabilità e la precisione sarà necessario determinare i valori delle proprietà con i metodi ufficiali. I valori ottenuti con questi metodi saranno usati come valori di riferimento. Si consideri quanto segue per la determinazione dei valori di riferimento: Si devono usare solo metodi di laboratorio riconosciuti internazionalmente, se disponibili, come FDA-, EPA- o, per prodotti farmaceutici, metodi approvati dalla Farmacopea. Inoltre si documentino i risultati con cura. Essi influiranno sui risultati della vostra Applicazione. Si analizzi ogni campioni in doppio (o in triplo!), in doppio cieco, per ridurre al minimo l errore casuale. Di preferenza si dovrebbero ripetere le analisi in giorni diversi. Pagina 13 di 31

14 4.1 Manipolazione del campione Le strumentazioni utilizzate nella spettroscopia NIR sono assai sofisticate e sono molto riproducibili ed accurate. Il tallone d'achille è la presentazione del campione, in quanto sia in trasmissione che in riflessione la manipolazione del campione è il passaggio più critico nel processo di analisi. Dal momento che la maggior parte dei campioni analizzati con la tecnica NIR sono solidi si utilizza la riflettanza diffusa. In questo caso il raggio di luce incidente colpisce il campione perpendicolarmente. La luce che non interagisce con il campione viene semplicemente riflessa e ripercorre lo stesso cammino della luce incidente (riflessione speculare). La luce che interagisce, invece, viene riflessa in maniera diffusa, cioè multidirezionale. Essa viene poi ricevuta da una sfera integratrice e focalizzata sui detector al solfuro di piombo. Quando la superficie irregolare di materiali granulari è posizionata sotto il raggio si verificano sia fenomeni di assorbimento che di dispersione. Ci possono anche essere lievi effetti di polarizzazione dovuti a materiali fibrosi. E' quindi imperativo introdurre il campione sempre nello stesso modo o mostrare tutta la variazione possibile allo strumento per consentire ad esso di mediare gli effetti. Queste informazioni portano ad alcuni regole generali per la manipolazione dei campioni solidi: l'uniformità della dimensione delle particelle è importante nelle normali misure d'assorbanza. Se si utilizza uno strumento a scansione continua può essere utile usare l'algoritmo derivata, ma il più semplice accorgimento è naturalmente quello di macinare il campione. la geometria del campione è anche importante nelle misure in riflessione. Se si usa una tazzina aperta per campioni semisolidi o in polvere il livellamento della superficie è critico: è possibile creare un effetto ondulato sulla superficie; in questi casi rileggere il campione ruotando la celletta e mediarne i risultati è molto utile per migliorare la precisione. se il campione ha una spiccata direzionalità, ad esempio fibre o materiali a cristalli grandi, l'analisi con la tazzina chiusa deve essere fatta sia ripreparando il campione sia rileggendolo dopo rotazione. Quando il problema può essere la non omogeneità di miscele solide a causa per esempio della diverse densità dei componenti la miscela sono opportune sia la macinazione che la ripreparazione. Nella sezioni seguenti sono illustrati vari dispositivi di presentazione del campione e le procedure di campionamento in funzione della forma fisica del campione da analizzare. Pagina 14 di 31

15 5 Mercati ed applicazioni dello SpectraAlyzer Segue una panoramica dei più importanti settori merceologici in cui la strumentazione NIR, dapprima la linea InfraAlyzer Bran+Luebbe, ed ora la linea SpectraAlyzer trovano applicazione. 5.1 ZOOTECNIA - Mercato ed esigenze analitiche La produzione di mangimi consiste nella miscelazione di svariati ingredienti al fine di ottenere un prodotto con le caratteristiche nutrizionali adeguate alla specie animale a cui è destinato. Il prodotto viene commercializzato essiccato e per lo più in forma di pellets. Le specifiche nutrizionali si basano sul contenuto totale dei vari nutrienti (proteine, grassi, fibre, carboidrati, vitamine, oligoelementi, elementi minerali e potere calorico) più che sulla composizione delle materie prime. Nello stesso prodotto finito, infatti la presenza e le percentuali delle varie materie prime può variare a seconda del costo e della disponibilità, quello che conta è che il mangime finito presenti le stesse caratteristiche nutrizionali, cioè abbia gli stessi dati di cartellino. I mangimifici spesso producono mangimi con formulazione personalizzata su richiesta del cliente. I mangimifici hanno l obbligo di dichiarare i contenuti percentuali sul secco dei vari nutrienti, il cartellino appunto. I prodotti finiti di un magimificio sono, quindi composti a matrice assai variabile, pur partendo dalle stesse materie prime, queste ultime sono inoltre grosso modo le stesse per tutti i mangimifici. Le materie prime più utilizzate si possono così riassumere: farine di estrazione da oleaginose (soia, girasole) farine di carne e di pesce sottoprodotti della lavorazione dei cereali (pula, farinacci, crusca) scarti di lavorazione della produzione dello zucchero (melassi) cereali (mais, orzo, avena, grano, sorgo) fieni (medica, trifoglio, prati polifiti) insilati In questa situazione i controlli che interessano il mangimificio sono di due tipi: l analisi delle materie prime, sia per il loro pagamento sia per stabilirne l utilizzo e l analisi del prodotto finito. Normalmente, però i mangimifici, specie se di piccole e medie dimensioni, non hanno laboratori attrezzati per le numerose determinazioni necessarie e si affidano all esperienza, a laboratori esterni, alla fiducia nei fornitori. L analisi con la tecnica NIR si presenta quindi particolarmente interessante per un buon controllo delle materie prime, che consente da un lato l ottimizzazione del loro utilizzo e dall altro una buona previsione dei tenori analitici del mangime finito. L analisi con tecnica NIR è anche applicabile ai controlli sui prodotti finiti sebbene l eccessiva variabilità nelle matrici possa richiedere un lungo periodo di addestramento o calibrazione dello strumento. Pagina 15 di 31

16 5.1.1 SOLUZIONI AXFLOW Italia PER L INDUSTRIA ZOOTECNICA AXFLOW Italia ha in questo settore una solida esperienza, maturata negli anni come BRAN+LUEBBE Italia: questa è infatti una delle prime applicazioni del NIR sia storicamente sia come numero di strumenti venduti in tutto il mondo. Le soluzioni strumentali ed applicative proposte, tra le tante disponibili, sono frutto di una scelta basata su anni di confronti e di lavoro fianco a fianco dei clienti. STRUMENTO: SpectraAlyzer Premium a 19 filtri interferenziali ACCESSORI : tazzina chiusa per polveri. TAZZINA ROTANTE qualora non si voglia affrontare la macinazione del campione che è altrimenti necessaria SOFTWARE : APPLICATION WORX+ SUPPORTO APPLICATIVO: numerose le curve disponibili (vedi elenco seguente) ed inoltre la collaborazione con istituti in grado di sviluppare su richiesta le curve per i parametri non ancora disponibili. Cassetto con tazzina rotante per l analisi di granelle tal quali Pagina 16 di 31

17 Procedura di riempimento della tazzina portacampione con granelle di mais (esempio). Elenco delle curve disponibili: Per curve disponibili si intendono le equazioni di base, queste dovranno essere opportunamente corrette con un set di circa campioni messi a disposizione dal cliente preventivamente analizzati e scelti in modo da coprire l intero intervallo di concentrazione dei parametri di interesse. Prodotto Parametri Range Correlazione Errore Standard Erba Medica Fibre NDF ADF % % % % % % Pagina 17 di 31

18 Prodotto Parametri Range Correlazione Errore Standard Fieno Farina Di Carne Farina Di Girasole Crusca Cruscami Vari Farinaccio Frumento Glutine Di Mais Mais Granella Orzo Soia Normale Soia Proteica Fibre NDF ADF Fibre Ceneri Fibre Ceneri Fibre Fibre Ceneri Fibre Fibre Ceneri Fibre % % % % % % % % % % % % % % % % % % % % % % % % % % % % % % % % % % % % % 4.1-7,3 % % % % % % o,94 0, , Nota: l elenco delle curve di calibrazione è relativo ai prodotti e proprietà più frequentemente richiesti; nel database AxFlow sono disponibili diversi altri prodotti. Pagina 18 di 31

19 5.2 GRANO, MOLINI E PASTIFICI Mercato ed esigenze analitiche L industria legata al grano prevede tre distinti passaggi che sono normalmente rappresentati da figure diverse: lo stoccaggio dei grani, il molino e l industria alimentare che utilizza le farine o le semole; ognuna di queste figure ha esigenze di controlli analitici A. Stoccaggio del grano: esistono vari tipi di grano con caratteristiche diverse, che dipendono dalla sua provenienza, dalla varietà, da variabili climatiche e stagionali. Il pagamento del grano avviene in base alla sua qualità ed esistono dei limiti di legge per quanto riguarda il tenore in acqua. Le caratteristiche del grano dipendono in larga misura del contenuto e dalla qualità delle proteine che definiscono le cosiddette caratteristiche reologiche, cioè il comportamento degli impasti durante la lavorazione (viscosità, elasticità, tenacia, capacità di inglobare aria, friabilità, ecc.). Per questo settore è di grande interesse poter disporre dei dati analitici di proteine ed umidità in tempi rapidi allo scarico dei camion. B. Molini: esistono due tipi di molini quelli che lavorano grano duro e quelli che lavorano grano tenero. I primi producono le semole per la produzione di pasta i secondi le farine. In entrambi casi i parametri tecnologici del molino possono essere variati in funzione della materia prima e del tipo di prodotto che si intende ottenere. E quindi assai interessante conoscere le caratteristiche chimiche del prodotto trattato: in questo caso i parametri da controllare sono proteine,glutine, umidità e ceneri, molto importanti queste ultime soprattutto per le semole perché esistono dei limiti legge da rispettare. Sono inoltre richieste le analisi dei sottoprodotti (crusca, cruschello, farinaccio, ecc.) da destinare ad uso zootecnico (vedi). C. Industria alimentare: farine e semole entrano in quasi tutte le preparazioni alimentari in quantità considerevoli, in ogni caso disporre dei dati di proteine ed umidità è considerato fondamentale per controllare sia la qualità della produzione sia, in molti casi i parametri della processo produttivo. Per i pastifici in particolare l analisi delle ceneri è, come per i molini, molto importante. Nei molini a tenero è assai utile il riconoscimento qualitativo dei vari tipi di farina (da biscotti, da crackers, da pizza p.e.) l analisi NIR è in grado di discriminare efficacemente le varie tipologie di sfarinato SOLUZIONI AXFLOW Italia PER L INDUSTRIA MOLITORIA AXFLOW Italia ha in questo settore una solida esperienza, maturata negli anni come BRAN+LUEBBE Italia: le soluzioni strumentali ed applicative proposte, tra le tante disponibili, sono frutto di una scelta basata su anni di confronti e di lavoro fianco a fianco dei clienti. Settore A Stoccaggio del grano In questo caso è di grande interesse la possibilità di analizzare il prodotto senza doverlo macinare, a questo scopo lo SpectraAlyzer può essere equipaggiato con il cassetto con tazzina rotante, che permette di analizzare i grani senza macinazione. STRUMENTO: SpectraAlyzer Premium a 19 filtri interferenziali ACCESSORI : TAZZINA ROTANTE qualora non si voglia affrontare la macinazione del campione che è altrimenti necessaria (vedi) SOFTWARE : APPLICATION WORX+ SUPPORTO APPLICATIVO: curve standard disponibili (vedi elenco seguente) Prodotto Parametri Range Correlazione Errore Standard Grano intero % % 0.17 Pagina 19 di 31

20 Settori B e C Molini ed industria alimentare STRUMENTO: SpectraAlyzer Premium a 19 filtri interferenziali ACCESSORI : tazzina chiusa per polveri e tazzina di acciaio con cammino ottico da 3mm per liquidi SOFTWARE : APPLICATION WORX+ SUPPORTO APPLICATIVO: curve standard disponibili (vedi elenco seguente) Elenco delle curve disponibili: Per curve disponibili si intendono le equazioni di base, queste dovranno essere opportunamente corrette con un set di circa campioni messi a disposizione dal cliente preventivamente analizzati e scelti in modo da coprire l intero intervallo di concentrazione dei parametri di interesse. Prodotto Parametri Range Correlazione Errore Standard Farina di tenero Glutine Ceneri % % s.s % s.s % s.s Semola Misto d Uovo Tuorlo Albume Ceneri Residuo Secco Steroli Residuo Secco Steroli Residuo Secco % % % % % % % % % % % % % % Fioretto di mais Grassi % 0, Gritz di mais Grassi % Sono inoltre disponibili calibrazioni su prodotti finiti, es. pasta di semola e pasta all uovo da personalizzarsi in base alla produzione specifica del cliente. Pagina 20 di 31