Valorizzazione delle produzioni vitifrutticole valtellinesi mediante metodi innovativi INNOVI Attività 1 Sistemi portatili per misure rapide e non distruttive di parametri ottici di mirtillo, uva e mela in pianta Obiettivo 1.1 Messa a punto e ottimizzazione di un sistema spettrofotometrico sperimentale per la misura in campo della riflettanza spettrale nella regione del visibile e dell infrarosso vicino Unità Istituto di Ingegneria Agraria Risultato 1.1 Un sistema spettrofotometrico sperimentale per la misura in pianta della riflettanza spettrale Vis-NIR 1
Nel periodo aprile giugno 2005 l Istituto di Ingegneria Agraria ha realizzato un prototipo di un sistema spettrofotometrico per la misura in pianta della riflettanza spettrale Vis-NIR nell intervallo di lunghezze d onda 360 1000 nm. I campioni vengono investiti dalla radiazione luminosa prodotta da un sistema di illuminazione e la componente riflessa viene misurata da uno spettrofotometro e registrata tramite un software di gestione dello strumento. Il sistema è composto da cinque elementi: 1- Sistema di illuminazione dei campioni 2- Cavo a fibre ottiche 3- Spettrofotometro portatile 4- PC per l acquisizione e la gestione dei dati 5- Sistema di alimentazione 1 Sistema di illuminazione Il sistema di illuminazione è costituito da una lampada alogena da 50 W e da un portalampada che permette alla sorgente luminosa di affacciarsi in modo stabile alla fibra ottica che, a sua volta, veicola la radiazione luminosa sui frutti. La lampada utilizzata è un faretto alogeno OSRAM modello DECOSTAR COOLBLUE con riflettore dicroico, potenza nominale di 50 W e tensione nominale di 12 V. Fig 1.1 Lampada alogena con riflettore dicroico Osram Decostar Coolblue (4500 K). Il diametro del riflettore (d) è di 50 mm. 2
E stato scelto questo modello di lampada in funzione della sua temperatura di colore elevata (4500 K) che permette di avere un picco massimo di emissione intorno ai 500 nm, utile per massimizzare l intensità della radiazione luminosa nella regione di assorbimento degli antociani. Spettro di emissione Osram Coolblue 4500K 1800 1600 1400 Counts 1200 1000 800 600 400 Osram Coolblue 4500K 200 0 380 480 580 680 780 880 980 Lunghezze d'onda (nm) Fig. 1.2 Spettro di emissione del faretto alogeno Osram Coolblue 4500 K utilizzato come sorgente luminosa del sistema. E stato appositamente realizzato un portalampada metallico che permette di fissare ad una estremità il faretto alogeno mentre all altra viene connessa la fibra ottica che veicola la radiazione luminosa sui campioni. In questo modo la lampada si trova ad essere affacciata in modo rigido alla fibra ottica, evitando quindi fluttuazioni nell intensità della radiazione luminosa che investe i campioni. Fig. 1.3 Immagine del portalampada utilizzato per alloggiare il faretto alogeno e il cavo a fibre ottiche. 3
2 Cavo a fibre ottiche Il cavo a fibre ottiche utilizzato (fig. 2.1) è il modello FCR-19IR200-2--ME-S1 prodotto dall azienda olandese Avantes. Si tratta di un cavo a fibre in silicio con indice a gradino (step index). E un cavo biforcato che consente di raccogliere la radiazione luminosa prodotta dalla lampada alogena, di portarla sul frutto e contemporaneamente di raccogliere la radiazione proveniente dal campione e di trasferirla allo spettrofotometro. Il cavo è costituito da 19 fibre in totale, ognuna del diametro di 200 µm. Di queste 17 fibre vengono utilizzate per l illuminazione mentre 2 fibre portano la radiazione di ritorno dopo l interazione con i frutti allo spettrofotometro. Una estremità (a in fig. 2.1) quindi viene connessa al portalampada mentre l altra estremità (b in fig. 2.1) è connessa allo spettrofotometro. All altra estremità del cavo (c in fig. 2.1) è presente un puntale in acciaio inox con il quale effettuare la misura a contatto con il frutto in esame. Il cavo è rivestito interamente con una guaina metallica di protezione allo scopo di evitare torsioni eccessive. Fig. 2.1 Schema del cavo a fibre ottiche FCR-19IR200-2--ME-S1 utilizzato per questo strumento. Estremità a: connessione con il portalampada (17 fibre); estremità b: connessione con lo spettrofotometro (2 fibre); estremità c: terminale in acciaio inox (19 fibre). 4
3 Spettrofotometro portatile E stato utilizzato uno spettrofotometro portatile modello AvaSpec-2048 prodotto da Avantes (fig. 3.1). Il cavo a fibre ottiche è collegato al banco ottico dello strumento. Il banco ottico di questo strumento è costituito da cinque componenti, schematicamente rappresentati in figura 3.1: 1- Connettore SMA per il cavo a fibre ottiche: collega la fibra ottica in ingresso nello strumento con il banco ottico. 2- Primo specchio sferico: ha la funzione di collimare la luce e inviarla al reticolo di diffrazione. 3- Reticolo di diffrazione: in questa zona dello strumento la luce viene scomposta in radiazioni dalle lunghezze d onda differenti e inviata al secondo specchio sferico. In funzione dell intervallo di lunghezze d onda di interesse è stato scelto un reticolo (modello VB, risoluzione 600 linee/mm) in grado di acquisire lo spettro dei campioni nell intervallo 360-1000 nm. 4- Secondo specchio sferico: raccoglie le radiazioni diffratte provenienti dal reticolo inviandole verso il sensore CCD. 5- Sensore a matrice CCD 2048 pixel: registra l intensità del segnale a ciascuna lunghezza d onda. Fig. 3.1 Immagine dello spettrofotometro AvaSpec-2048 e schema del banco ottico dello strumento. 1) Connettore cavo a fibre ottiche. 2) 1 specchio collimatore sferico. 3) Reticolo di diffrazione modello VB. 4) 2 specchio collimatore sferico. 5) Sensore a matrice CCD 2048 pixel. 5
4 PC per l acquisizione e la gestione dei dati Lo spettrofotometro è collegato tramite una porta USB a un PC portatile sul quale è installato il software di gestione dello strumento, l Avasoft FULL - version 5. Il segnale registrato dal sensore CCD viene digitalizzato e acquisito da un PC portatile tramite il software di gestione. Il software registra e permette di visualizzare in forma grafica lo spettro Vis-NIR del campione. Il programma di gestione inoltre permette di variare alcuni parametri durante le fasi di acquisizione degli spettri. Le principali funzioni sono quelle di: - regolare il tempo di integrazione, ovvero regolare la quantità di luce che raggiunge il sensore CCD in un intervallo di tempo di lunghezza fissata. - impostare il numero di ripetizioni dell acquisizione: con questa funzione è possibile scegliere il numero di acquisizioni spettrali utilizzate per estrapolare lo spettro medio. Pertanto lo spettro visualizzato e registrato dal software è in realtà uno spettro medio ottenuto sulla base di un dato numero di acquisizioni spettrali. E stato inoltre appositamente realizzato ed installato sul PC un software che permette di controllare automaticamente l accensione e lo spegnimento della lampada durante l acquisizione degli spettri. In questo modo i campioni vengono illuminati in modo uniforme per il tempo strettamente necessario per l acquisizione dello spettro, evitando quindi sprechi di energia per una maggiore autonomia del sistema. E possibile infatti acquisire senza cali nell intensità della radiazione luminosa prodotta dalla lampada gli spettri di più di 300 campioni. 5 Sistema di alimentazione Il dispositivo è alimentato tramite una batteria da 12 V e 7 A che fornisce l energia per l accensione della lampada durante le acquisizioni degli spettri Vis-NIR dei campioni. Il sistema di controllo automatizzato per l accessione e spegnimento della lampada, oltre a consentire un elevata autonomia del sistema, permette di standardizzare le operazioni di misura garantendo il medesimo tempo di illuminazione dei campioni. 6
I vari componenti (portalampada con sorgente luminosa, spettrofotometro e batteria di alimentazione) sono alloggiati in uno zaino per permetterne il trasporto in campo. Esternamente allo zaino rimangono per l utilizzo da parte dell operatore l estremità di misura del cavo a fibre ottiche e il PC portatile. Fig. 5.1 Il sistema spettrofotometrico per la misura in pianta della riflettanza spettrale nella regione Vis-NIR al lavoro in campo. 7