Quang Phổ Cận Hồng Ngoại: Nguyên Lý & Ứng Dụng

Quang phổ NIR hoặc phép đo quang phổ cận hồng ngoại (NIRS) là phương pháp quang phổ hấp thụ giúp xác định thành phần hóa học của hợp chất hoặc dung dịch bằng cách đo lượng bức xạ cận hồng ngoại mà hợp chất hoặc dung dịch đó hấp thụ. Đúng như tên gọi, quang phổ NIR hoạt động ở phổ điện từ cận hồng ngoại. Sóng bức xạ cận hồng ngoại dài hơn một chút so với ánh sáng khả kiến ​​và bao phủ phổ từ 700nm đến 2500nm.

Nguyên Lý Hoạt Động Quang Phổ Cận Hồng Ngoại

Quang phổ cận hồng ngoại là một kỹ thuật quan trọng trong kiểm soát chất lượng công nghiệp thực phẩm. Thiết bị ứng dụng kỹ thuật này có thể phân tích cả mẫu lỏng và mẫu rắn một cách nhanh chóng và không cần phá mẫu. Công nghệ FT-NIR giúp phân tích nhanh chóng, tiết kiệm chi phí, loại bỏ bước phá mẫu và an toàn vì không sử dụng hóa chất, dung môi hay khí. Thiết bị sẽ đo độ hấp thụ ánh sáng cận hồng ngoại của mẫu ở các bước sóng khác nhau, và ghi lại sự rung động phân tử của tất cả các phân tử chứa nhóm C-H, N-H hoặc O-H.

Quang phổ NIR sử dụng dải phổ từ 12.500 – 4.000 cm^-1 và cung cấp thông tin cấu trúc liên quan đến sự rung động của các tổ hợp liên kết. Việc ghi lại vùng NIR của phổ điện từ liên quan đến phản ứng của các liên kết phân tử O-H, C-H, C-O và N-H. Các liên kết này chịu sự thay đổi năng lượng dao động khi được chiếu xạ bởi tần số NIR và hai kiểu rung, gồm dao động kéo dài và dao động uốn cong. Sự hấp thụ năng lượng của các phân tử hữu cơ trong vùng NIR xảy ra khi các phân tử dao động hoặc được chuyển thành phổ hấp thụ.

Vùng NIR được chia thành NIR sóng ngắn (SW-NIR) và NIR chung ở bước sóng 1300 nm. Vùng SW-NIR được coi là dải hấp thụ của âm bội cao, trong khi vùng sau thuộc về âm bội thứ nhất hoặc âm bội thứ hai. Cường độ hấp thụ sẽ giảm khi âm bội tăng. Vì vậy, SW-NIR thường được áp dụng trong phân tích đường truyền có chiều dài đường truyền dài và NIR thông thường được sử dụng trong phân tích phản xạ khuếch tán.

Các liên kết hydro này có các đặc tính đặc biệt về tần số hấp thụ với ảnh hưởng nhỏ từ các điều kiện bên trong và bên ngoài và độ ổn định quang phổ ở vùng NIR cao hơn vùng phản xạ hồng ngoại trung bình (MIR).

Các liên kết đặc biệt này đóng vai trò quan trọng trong phân tích hóa học thực phẩm và có thể trích xuất thông tin để phân tích cấu trúc hóa học. Sữa và các sản phẩm từ sữa luôn được nhiều nhà nghiên cứu thực phẩm quan tâm và các báo cáo liên quan cho thấy ứng dụng rộng rãi của kỹ thuật NIR. Dải ở bước sóng 880 nm đến từ âm bội thứ ba của dao động kéo giãn C-H của chất béo trong sữa, và dải ở bước sóng 890 và 840 nm được cho từ tương tác béo-nước hữu ích cho hiệu chuẩn chất béo. Shorten with AI

Rượu vang trắng có dải hấp thụ ở bước sóng 1450 nm liên quan đến âm bội thứ hai O-H của nước và etanol, ở bước sóng 1690 nm liên quan đến âm bội thứ nhất của C-H hoặc các hợp chất chứa nhóm thơm O-H. Các dải hấp thụ ở bước sóng 1450, 1790 và 2266 nm cũng được báo cáo là có liên quan đến sucrose, fructose và glucose trong nước ép trái cây. α-tocopherol là dạng vitamin E hoạt động mạnh nhất và là chất chống oxy hóa tự nhiên quan trọng của lipid có trong dầu thực vật.

Các liên kết trong cấu trúc hóa học của nó liên kết chặt chẽ với một số dải trong vùng NIR. Có ý kiến cho rằng các thành phần hóa học cụ thể, chẳng hạn như ethanol, nước, đường (glucose và fructose), axit hữu cơ (axit citric, lactic, tartaric và malic), các hợp chất phenolic và quá trình oxy hóa trong các sản phẩm thực phẩm, dù kết hợp hay đơn độc, đều góp phần gây ra những ảnh hưởng mạnh nhất đánh giá chất lượng và phân tích thực phẩm.

Xác Định Độ Ẩm

Các phương pháp xác định độ ẩm là ví dụ đầu tiên về ứng dụng quang phổ NIR vào phân tích sản phẩm nông nghiệp. Những phương pháp này được đề xuất và phát triển sau đầu những năm 1960. Chúng dựa trên phép đo mật độ quang học của nước ở một trong những cực đại hấp thụ của nó, sau khi chiết bằng phương pháp chưng cất đẳng phí sử dụng dioxane, metanol hoặc dimethylformamide.

Các phương pháp này tỏ ra nhanh chóng, cụ thể và có thể tái sử dụng đến mức một trong số chúng đã được A.O.A.C. chấp nhận là phương pháp chính thức để xác định độ ẩm trong rau khô.

Có thể xác định trực tiếp hàm lượng nước của các chất rắn như bột mì và tinh bột bằng phương pháp quang phổ phản xạ khuếch tán NIR. Phổ hấp thụ của lúa mì, đậu nành, bột mì và cám lúa mì ghi lại bằng cách sử dụng các lớp mỏng mẫu nguyên hạt hoặc mẫu nghiền. Quang phổ của đậu phộng được đo trong khoảng từ 0.7 đến 1.1 µm trực tiếp trên từng hạt. Bước sóng cực đại ở mức 1.94 µm là sự lựa chọn tốt vì nó nhạy cảm nhất với sự chênh lệch nồng độ nước và không bị nhiễu do các dải hấp thụ từ các chất khác.Shorten with AI

Phổ phản xạ và truyền qua trong khoảng từ 0.7 đến 2.0 µm đối với bảy loại lúa mì, ngô, yến mạch, gạo (nguyên hạt và xay), đậu tương và ba giống cỏ linh lăng khô để nghiên cứu quá trình sấy hạt bằng tia hồng ngoại sự bức xạ. Họ chỉ ra rằng các đặc điểm quang phổ phụ thuộc cả vào loài và giống.

Xác Định Chất Béo Và Protein

Nghiên cứu quang phổ của nhũ tương thịt ở các lớp mỏng cho thấy mối tương quan tốt giữa AOD (1.725 đến 1.650 µm) và hàm lượng chất béo được xác định bằng các phương pháp chính thức A.O.A.C. và thông qua AOD (1.800 đến 1.725 µm) và độ ẩm được xác định bởi các phương pháp chính thức A.O.A.C.

Trong cùng một dải phổ, sự hấp thụ của protein dường như không ảnh hưởng đáng kể đến sự hấp thụ ở mức 1.725 µm, và do đó, bước sóng này dường như là đặc trưng của lipid. Điều đó đã được xác nhận bởi mối tương quan thấp giữa AOD (1.725 đến 1.650) và hàm lượng protein được xác định bằng phân tích Kjeldahl. Hai bước sóng (2.06 và 2.18 µm) phù hợp nhất để xác định protein khi được đo về mặt hóa học bằng phương pháp Kjeldahl.

So Sánh Quang Phổ Cận Hồng Ngoại NIR Và Quang Phổ Hồng Ngoại MIR

Các điều kiện kích thích khác nhau của quang phổ MIR và NIR dẫn đến cường độ tín hiệu khác nhau của các kỹ thuật này đối với cùng một rung động của một nhóm chức cụ thể.

Quang phổ NIR bao phủ phạm vi số sóng liền kề với MIR và mở rộng đến vùng VIS (4.000 đến 12.500 cm⁻¹). Sự hấp thụ NIR dựa trên các rung động âm bội và kết hợp của phân tử được nghiên cứu và do xác suất chuyển tiếp thấp hơn nên cường độ thường giảm theo hệ số từ 10 đến 100 cho mỗi bước từ âm bội cơ bản đến âm bội tiếp theo. Do đó, cường độ của dải hấp thụ giảm dần theo hướng từ MIR đến vùng khả kiến, do đó cho phép điều chỉnh độ dày mẫu (từ milimet đến centimet), tùy thuộc vào cấp độ của âm bội.

Cường độ tín hiệu của các dao động cơ bản thay đổi không đều trên toàn bộ dải tần và phụ thuộc hoàn toàn vào các điều kiện kích thích của các dao động phân tử riêng lẻ. Sự hấp thụ MIR mạnh nhất có thể bắt nguồn từ các nhóm cực (như C-F, C=O hay C-O-C). Đối với phân tích phổ NIR, các dải âm bội và dải kết hợp của các nhóm chức CH, OH và NH chiếm ưu thế trong phổ, trong khi các âm bội tương ứng của sự hấp thụ cơ bản MIR mạnh nhất hiếm khi được biểu hiện.

Hầu hết các nguyên tố cơ bản X−H hấp thụ ở số sóng > 2000 cm⁻¹ sao cho các âm bội đầu tiên của chúng đã xuất hiện trong dải tần số NIR. Mặt khác, các nhóm cực dẫn đến sự hấp thụ cơ bản mạnh nhất trong MIR hấp thụ ở số sóng < 2000 cm⁻¹.

Tính không điều hòa ảnh hưởng đến cường độ dao động cơ bản và dao động âm bội của nhóm chức, như ν(O−H) và ν(N−H). Ví dụ, tính không điều hòa có thể tăng cường cường độ hấp thụ âm bội của v(N-H)_free, đặc biệt đối với nhóm N-H liên quan. Liên kết hydro làm tăng khối lượng nguyên tử H đang dao động, giảm tính điều hòa của dao động ν(N−H)_assoc và giảm cường độ hấp thụ của nó.

Sự chồng chất của nhiều dải âm bội và dải kết hợp trong vùng NIR gây ra độ chọn lọc cấu trúc thấp cho phổ NIR so với MIR. Việc gán các âm bội và dải kết hợp trong NIR với số sóng thay vì thang đo bước sóng là lựa chọn hữu ích, mặc dù vị trí số sóng có thể sai lệch với bội số ngày càng tăng do tính không điều hòa của dao động.

Về mặt chuẩn bị mẫu, kỹ thuật NIR cho phép thực hiện quy trình đơn giản mà không cần phá mẫu so với quang phổ MIR thông thường. Chỉ có kỹ thuật phản xạ toàn phần suy giảm ATR mới cho phép rút ngắn thời gian của quy trình lấy mẫu cho quang phổ MIR.

Ứng Dụng Quang Phổ NIR Trong Phân Tích Thực Phẩm 

Sữa Và Các Sản Phẩm Từ Sữa

Sữa, điểm khởi đầu của bất kỳ sản phẩm sữa nào, là một trong những sản phẩm thực phẩm được quản lý tốt nhất trên toàn cầu. Thành phần sữa nguyên liệu thay đổi theo vùng, mùa và thậm chí tùy theo từng con bò, nên bước tiêu chuẩn hóa là cần thiết để duy trì chất lượng sữa ổn định trong các bước chế biến.

Máy quang phổ FT-NIR hiện đại cung cấp một số tùy chọn để giám sát dễ dàng và nhanh chóng sữa nguyên liệu, sản phẩm trung gian và thành phẩm. Ví dụ, MPA II mới nhất của Bruker kết hợp với Mô-đun lấy mẫu chất lỏng (LSM) kiểm tra tất cả các loại mẫu sữa (như dạng nhão, dạng lỏng và dạng rắn) chỉ bằng một hệ thống duy nhất.

Do đó, tất cả các bước của quy trình và sản phẩm của chúng, ví dụ như sữa, váng sữa, sữa chua, phô mai, bơ, kem và bột protein, đều có thể được kiểm soát liền mạch. Một phân tích như thế này cũng có thể được chuyển từ giai đoạn phòng thí nghiệm sang giai đoạn xử lý.

Một ví dụ về điều này là việc phân tích trực tiếp bột whey protein và sữa trong quá trình sấy khô. Điều này không chỉ tối ưu hóa tính nhất quán của sản phẩm mà còn giúp tiết kiệm năng lượng và giảm bớt căng thẳng cho phòng thử nghiệm.

Bột Mì Và Ngũ Cốc

Đối với đa số người dân trên thế giới, các sản phẩm ngũ cốc là nền tảng trong chế độ ăn uống hàng ngày của họ. Lĩnh vực bột mì và xay xát có vai trò quan trọng trong việc chế biến các sản phẩm ngũ cốc thành bột cho nhiều loại bánh nướng.

Do các yêu cầu về chất lượng bột mì và lúa mì (ví dụ: DIN 10355), thường cần có các quy trình kiểm tra đặc biệt và tốn nhiều thời gian để xác định đặc tính của bột trong quá trình chế biến. Kiểm soát chuyên sâu này là phương pháp duy nhất để đảm bảo chất lượng bột phù hợp và năng suất cao nhất.

Đối với các nhà xay xát, điều quan trọng là phải biết độ ẩm để họ có thể điều chỉnh lúa mì về mức tiêu chuẩn trước quá trình xay xát. Đối với nhà sản xuất bột mì, hàm lượng protein là một yếu tố quan trọng vì nó ảnh hưởng đến nhiều đặc tính chế biến, như chất lượng gluten hoặc lượng nước hấp thụ. Hàm lượng tro có trong lúa mì đóng vai trò là thước đo cho năng suất dự kiến ​​tại thời điểm xay xát.

Một số thử nghiệm vật lý/hóa học và lưu biến thường được áp dụng cho bột thành phẩm để đảm bảo rằng bột mì thích hợp để nướng hoặc liệu có cần điều chỉnh trong quy trình sản xuất hay không.

Các thông số như vậy có thể được kiểm tra nhanh chóng bằng quang phổ FT-NIR, giúp tối ưu hóa quy trình và tiết kiệm chi phí đáng kể. Với mục đích này, mẫu có thể dễ dàng được chuyển vào cốc đựng mẫu có đế bằng thủy tinh thạch anh và được định lượng bằng phản xạ khuếch tán. Tốc độ phân tích FT-NIR đảm bảo năng suất mẫu cao.

Thịt Và Xúc Xích

Việc phân tích liên tục thịt tươi và các thành phần khác trong lĩnh vực thịt là điều cần thiết để điều chỉnh công thức nấu ăn nhằm đảm bảo chất lượng ổn định của từng mẻ xúc xích, xúc xích và nhiều loại sản phẩm thịt khác nhau.

Thịt có thể là một nguyên liệu thô rất phức tạp mà ngay cả một sự thay đổi nhỏ trong các tác động bên ngoài, chẳng hạn như dinh dưỡng động vật, cũng có thể gây ra sự thay đổi lớn về chất lượng của sản phẩm thịt cuối cùng. Sự biến động về hàm lượng chất béo trong thịt được cung cấp có thể trở thành vấn đề lớn đối với các nhà sản xuất xúc xích nếu họ không nhận thức được điều đó. Thông thường, việc định lượng hàm lượng chất béo trong thịt sống cũng là một yếu tố trong việc thanh toán dựa trên giá trị của nhà cung cấp.

Quang phổ FT-NIR đóng vai trò là công cụ hữu ích để đánh giá nguyên liệu thô đầu vào. Các thông số như độ ẩm, protein và chất béo có thể được thiết lập đồng thời chỉ bằng một phép đo duy nhất. Sau khi có kết quả, có thể đưa ra các quyết định liên quan đến quy trình sản xuất bổ sung. Điều này cũng có thể áp dụng cho các sản phẩm xúc xích, trong đó có thể kiểm tra hoạt độ nước (giá trị aW) và hàm lượng muối để cải thiện độ bền của sản phẩm.

Dầu Ăn Và Chất Béo

Dầu và chất béo ăn được đóng góp đáng kể vào việc điều chỉnh các chức năng khác nhau của cơ thể; do đó, chúng được coi là chất dinh dưỡng thiết yếu trong chế độ ăn hàng ngày của con người. Chất lượng của dầu và mỡ ăn được đánh giá bằng Giá trị Iốt, thành phần axit béo, Giá trị Anisidine (AnV), Axit béo chuyển hóa (TFA), Axit béo tự do (FFA) và nhiều thông số khác.

Các quy trình vật lý và hóa học được tiêu chuẩn hóa thường được sử dụng để thực hiện các phân tích thông thường, như phân tích GC, không chỉ tiêu tốn thời gian mà còn liên quan đến chi phí vận hành cao. Hơn nữa, những phân tích như vậy thường cần thuốc thử và dung môi nguy hiểm có thể dẫn đến tăng chi phí xử lý và rủi ro sức khỏe.

Tuy nhiên, phân tích NIR không yêu cầu chuẩn bị mẫu, giúp nó an toàn, nhanh chóng và tiết kiệm chi phí ngay cả đối với những nhân viên chưa được đào tạo. Dầu chỉ được đổ vào lọ thủy tinh đường kính 8 mm và định lượng trong ngăn chứa mẫu của máy quang phổ.

Đối với dầu ô liu, một phân tích chính xác có ý nghĩa đặc biệt quan trọng vì giá trị FFA dưới 0,8% là điều kiện chính để phân loại dầu ô liu là “nguyên chất”. Hàm lượng Pyropheophytin và tỷ lệ 1,2-diacylglycerol trong dầu xác định liệu dầu ô liu đã được bảo quản trong thời gian dài hay thậm chí được kéo giãn bằng dầu tinh chế để đạt được độ axit thấp hơn.

Có những ứng dụng khác cũng liên quan đến việc phân tích dầu chiên để theo dõi sự suy giảm chất lượng của dầu và phân tích dầu cá về trạng thái oxy hóa và mức omega-3 riêng lẻ (Giá trị Peroxide và Giá trị Anisidine).

Công dụng khác

Lĩnh vực thức ăn chăn nuôi là một lĩnh vực ứng dụng chính khác của quang phổ cận hồng ngoại. Quang phổ NIR cung cấp nhiều giải pháp khác nhau để kiểm soát chất lượng, ngay từ nguyên liệu thô đến thức ăn thành phẩm.

Công nghệ NIR cũng có thể được sử dụng để sàng lọc các công bố về sức khỏe và dinh dưỡng trên nhãn thực phẩm. Quá trình phân tích thường được thực hiện trong vòng chưa đầy một phút, được sử dụng để quyết định xem sản phẩm có phù hợp hay không và phải được kiểm tra bằng các kỹ thuật tiêu chuẩn hóa để được phê duyệt.

Quang phổ FT-NIR có thể xác định tạp chất hoặc tạp chất trong lĩnh vực an toàn thực phẩm. Điều này có thể là do hàm lượng thông tin cao của phổ NIR cho phép tạo ra dấu vân tay của toàn bộ mẫu. Có thể thực hiện kiểm tra không cụ thể trong giới hạn phát hiện bằng cách so sánh nguyên liệu thô được giao với nguyên liệu thô đã biết chất lượng.

Kiểm soát sản xuất

Hơn nữa, quy trình sản xuất bao gồm một số yêu cầu đảm bảo chất lượng phải đảm bảo rằng hệ thống hoạt động tối ưu và chỉ tạo ra phế liệu tối thiểu. Tại đây, người dùng có thể:

• Cải thiện và giảm thiểu quá trình sấy khô bằng cách xác định nhanh độ ẩm còn lại
• Tìm hiểu liều lượng kiểm soát và chất lượng trộn trong quá trình sản xuất hỗn hợp
• Phân tích trực tuyến các thông số sản phẩm để phản hồi nhanh nhất có thể nếu thông số kỹ thuật gặp rủi ro

Ví dụ, trong quá trình sản xuất bơ, vì lý do kinh tế nên giữ hàm lượng nước trong bơ càng gần với giới hạn tối đa đã thỏa thuận là 16% càng tốt, vì nước rẻ hơn đáng kể khi so sánh với chất béo sữa. Để theo dõi độ ẩm của bơ bằng NIR, một đầu dò phản xạ được lắp vào dòng bơ thông qua một mặt bích.

Độ chính xác tuyệt vời của kỹ thuật đo cho phép người vận hành nhà máy xác định hàm lượng nước xuống khoảng 0,1%.

Với thông lượng cao tương ứng, thậm chí chỉ một phần mười phần trăm cũng tạo ra khoản tiết kiệm đáng kể trong suốt cả năm, nghĩa là khoản đầu tư vào công nghệ nội tuyến rất đáng được xem xét.

Với cảm biến dòng chảy và đầu dò truyền dẫn, các sản phẩm dạng lỏng như đồ uống, dầu ăn hoặc sữa cũng có thể được định lượng nội tuyến. Bằng cách này, các bể chứa, đường ống bơm hoặc các bộ phận khác của hệ thống có thể được theo dõi, điều này nhanh chóng mang lại hiệu quả với thông lượng cao.

Công ty CP Thiết Bị Khoa học H2TECH – Là đơn vị cung cấp các thiết bị khoa học kỹ thuật hàng đầu tại Việt Nam. H2TECH là đối tác của nhiều trường học các viện nghiên cứu và các trung tâm thí nghiệm. Là một trong những nhà phân phối tại Việt Nam, với nhiều hãng nỗi tiếng khác nhau trên thế giới như Pfeuffer, Lumex …. Nếu bạn đang có nhu cầu về các thiết bị phân tích thực phẩm hoặc thiết bị phòng thí nghiệm khác hãy liên hệ với H2TECH để được hỗ trợ cung cấp các thiết bị với mức giá hợp lý nhất.

CÔNG TY CP THIẾT BỊ KHOA HỌC H2TECH
Chuyên cung cấp các thiết bị phòng thí nghiệm – Thiết kế phòng lab
Chúng tôi hợp tác lâu dài dựa trên uy tín, chất lượng và hỗ trợ cho khách hàng một cách tốt nhất
Hotline: 0934.07.54.59
028.2228.3019
Email: thietbi@h2tech.com.vn
Website: https://h2tech.com.vn
https://thietbihoasinh.vn
https://thietbikhoahoch2tech.com