Métodos Rápidos de Análisis de Leche mediante Instrumentos Infrarrojos Bienvenidos FOSS S.A. [email protected]

Métodos Rápidos de Análisis de Leche mediante Instrumentos Infrarrojos

BienvenidosFOSS S.A.

[email protected]

MilkoScan 4000 -CombiFoss 5000 2 - 17

Teoría NIR


Descubrimiento de NIR por

William Herschel en abril de 1800

Ref. J. Near Infrared Spectrosc. 8, 75-86. 2000.


¿ Por qué Infrarrojo Cercano ?

Poca o ninguna preparación de muestra.

No destructivo No se utilizan reactivos Operación simple Rápido

menos de un minuto para parámetros múltiples

Confiable Preciso


Espectroscopía Infrarroja

El espectro Infrarrojo Cercano (NIR) se encuentra justo sobre la región visible del espectro electromagnético 800 to 2500 m

Incrementa Frecuencia

200nm 380nm 800nm 2500nm 25,000nm

Ray-X UV Visible NIR MIRFIR, Microondas

Incrementa Longitud de Onda

50,000 cm-1 12,500 cm-1 4,000 cm-1 400 cm-1

• Frequencia = 1 / longitud de onda


Efectos de la Energía Electromágnética en las Moléculas

Microondas Rotación de moléculas IR Vibraciones Moleculares

Fundamentales NIR Sobretonos y combinaciones de

IR UV / Visible Transiciones electrónicas, energía de

los electrones llevada a un estado de excitación

X-Ray Transiciones a nivel del núcleo del átomo


Vibraciones Moleculares

Cuando la Energía Electromagnética encuentra una substancia, la misma será absorbida o transmitida dependiendo de su frecuencia y la estructrura molecular de la substancia.

Las moléculas vibran naturalmente. Estiramiento

Estiramiento Simétrico Estiramiento asimétrico

Flexión



Cuando existe una coincidencia entre la frecuencia de la energía excitante y la frecuencia de vibración natural de la molécula, entonces esta molécula absorbe esta energía.



Coincidencia entre la vibración natural y la vibración de la energía exitante.

La energía es absorbida, se incrementa la amplitud de vibración de la molécula

= un pico de absorbancia

No hay coincidencia

No hay absorbancia

No hay pico


Ejemplo de Absorbancia


Absorbancia Molecular


P0P

b

Solución absorbente de concentración ”c”

-log10T =A = P

P0log

P0

P T =

A = a b c

Ab

sorb

anci

a

Concentración

Ley de Lambert Beer


Bandas de Absorción

Las bandas de absorción observadas en la región del Infrarrojo Cercano (NIR), provienen principalmente de vibraciones de moléculas con enlaces de átomos de hidrógeno.

- CH

- OH

- NH

- CH

- OH

- NH

H - C - O - C - R

H O

H - C - O - C - R

O

H - C - O - C - R

O

Grasa

H O

N-CH-C

CH3

Proteína

Grasa

Humedad

Proteína


NH

CH NC

H R2

=

O

=

C

O

N

H

=

C

O

HC

R1

CH

R3

ProteínaAminoácido

C

COOH

H

R

H2N

H2C OH

OH

HO

H

H OH

H

O

HO

H2C OH

OH

H

H OH

H

O

H

OHHH

Lactosa

C O

9.5 m

Alcoholes

N - H

6.5 m

Amidos

Absorción Molecular


5.7 m

C = O

Grasa A

CH-OH

CH2-OH

CH2-OH

Glicerol

+

CH3(CH2)7CH=CH(CH2)7COOH

CH3CH2CH2COOH

Ácido butírico

Ácido oleico

CH3(CH2)14COOH

Ácido palmítico

C H

3.5 m

Grasa B

HC

H2C

=O

O C C

=O

O C

H

HC

H

H

CC

HCC

H

H

H

H

CH

C R2

R1

Grasa A

H2C O

H=

C

O

C

H

H

H

CH

H

CC

H

HR3

Grasa B

Absorción Molecular


Descomposición de la luz

Tecnología IR


Transmitancia / Reflectancia

Transmitancia (NIT) Reflectancia (NIR)

ITEC169AITEC168A

Fuente de energía

Fuente de energía

DetectorDetector


Transflectancia

Fuente de Energía

Detector

Reflector

Detector


Car

b.

TS

Carb

. re

f

Ci Ure

a P

Fat

A

Fat A

re

f

Fat

BFa

t B

ref

P

ref

Hom

og.

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

1.4

1.6

1.8

2

200 400 600 800 1000 1200Pin number

Abso

rbance

Espectro completo Infrarojo de la leche


Monocromador


Interferómetro


Fuente Infraroja

Rueda de filtros

Cubeta

Sensor Infrarojo

Espejo

Instrumento de filtros

Sistema Óptico



MilkoScan S50B Sistema de Flujo


Fuente IR Filtro óptico Cubeta Detector Procesador

Los enlaces moleculares absorben energía en longitudes de onda específicas. En este caso, tenemos 4 filtros IR que proveen esas longitudes de onda específicas 3.5 (Grasa B),correspondiente a vibraciones en el enlace C-H de las moléculas de GRASA 6.5 , correspondiente a las vibraciones en los enlaces péptidos en las moléculas de PROTEINA 9.5 , correspondiente a vibraciones en los enlaces hidroxilos en las moléculas de lactosa Longitud de onda de refencia, donde no hay absorbancia de ningún componente

MilkoScan Tecnología IR


A = logPleche

Pagua

Er

E T0 =

Pr

P Ts=

A = logTs

T0 Función lineal

Ab

so

rba

nc

ia

Concentración

CH = -S ln Er P E . Pr

1 - O + I

Ch = Datos de la longitud de ondaO = Desplazamiento

- O

S = PendienteI = Ordenada

A = a b c

Linearidad - Cubeta


Datos cubeta

Material: Fluoruro de Calcio Zafiro

Paso óptico 30 a 50 micrones

Para analizar más de 100 muestras por hora, normalmente se precisa un acumulador (o hacer más ancho el paso óptico) para evitar deformaciones momentáneas de los cristales por la presión de la bomba

Los vidrios no se montan paralelos para que la reflectancia de la cubeta sea igual a la de la leche y evitar errores de medición


Homogeneizador

El concepto es que los glóbulos grasos tengan todos el mismo tamaño para no interferir en la medición.

Normalmente se busca que el diámetro del glóbulo graso no sea mayor a 1/3 de la longitud de onda mínima que se utiliza en la medición (en la práctica para leche: 1 micrón)

La presión normalmente utilizada para esto es 200 bares, aprox. 205 kg / cm2

Se hace siempre a 40°C


Datos fuente y detector IR

Fuente IR: trabaja a una temperatura de 1150 °K Detector IR: termocupla


Factores que afectan la medición

Temperatura: debe ser estable +/- 0,10°C Aire libre en la muestra: mantener la presión estable

en la cubeta Humedad en la caja infraroja Vibraciones (especialmente en los equipos FTIR)


Descomposición de la luz

Tecnología FTIR


Car

b.

TS

Carb

. re

f

Ci Ure

a P

Fat

A

Fat A

re

f

Fat

BFa

t B

ref

P

ref

Hom

og.

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

1.4

1.6

1.8

2

200 400 600 800 1000 1200Pin number

Abso

rbance

Espectro completo vs. Instrumentos de filtros


Monocromador


Red holográfica

Líneas finas producidas con un Laser (400/mm) separan la luz blanca en todas las longitudes de onda que la componen.


Interferómetro






Algunas diferencias de parámetros entre Filtros y FTIR


Maestro

Esclavo 1

Esclavo 3 Esclavo 4

Esclavo 2

Laboratorio central

Fábrica A

Fábrica B

Fábrica C

Fábrica D

Configuración Maestro y Esclavo


Estandarización: Instrumento Maestro

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

1.4

1.6

1.8

2

200 400 600 800 1000 1200

Pin number

Abso

rban

ce


0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

1.4

1.6

1.8

2

200 400 600 800 1000 1200

Pin number

Abso

rban

ceEstandarización: Instrumento Esclavo


Maestro y Esclavo no coinciden

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

1.4

1.6

1.8

2

200 400 600 800 1000 1200

Pin number

Abso

rban

ce


Haciendo coincidir las longitudes de onda

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

1.4

1.6

1.8

2

200 400 600 800 1000 1200

Pin number

Abso

rban

ce


Haciendo coincidir las longitudes de onda

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

1.4

1.6

1.8

2

200 400 600 800 1000 1200

Pin number

Abso

rban

ce


Coincidencia de longitudes de onda

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

1.4

1.6

1.8

2

200 400 600 800 1000 1200

Pin number

Abso

rban

ce


Haciendo coincidir las absorbancias

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

1.4

1.6

1.8

2

200 400 600 800 1000 1200

Pin number

Abso

rban

ce


Haciendo coincidir las absorbancias

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

1.4

1.6

1.8

2

200 400 600 800 1000 1200

Pin number

Abso

rban

ce


Coincidencia Perfecta

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

1.4

1.6

1.8

2

200 400 600 800 1000 1200

Pin number

Abso

rban

ce


Calibración in situ Responsabilidad del cliente

IR

Conductividad

Calibración BásicaViene de fábrica, no se modifica

normalmente

“Tradicional”:Linearización - Intercorrecc - Ganancia“MLR”:Linearización - MLR matrix - GananciaPLS:(“Modelo PLS” - Const & Coef. B

Pendiente y Ordenada(Slope & Bias)

Principio de Calibración


HC O

=

C

O

CH

H

CH

H

CC

H

HR3

FAT B

FAT A

NH

CH C

R2

=

O

=

C

O

HC

R1

Proteína

H2C OH

OH

HO

H

H OH

H

O

HO

H

Lactosa

CX = S (F1 Chlac + F2Chpro + F3Chgra) + B

Ch = Datos del canal XCX = Concentración del componente XS = PendienteB = Ordenada al origen

Calibración básica realizada en fábrica

Calibración Básica


Ejemplo de Calibración de Pendiente y Ordenada


Parámetros Derivados

IR

S/I

Grasa(b)

Proteína

Lactosa

Grasa (a)

S/I

S/I

S/I

S/I

S/I+

+

+

+

Grasa (a)

Grasa(b)

Proteína

Lactosa

Sólidos

Grasa A/B

Sólidos

Grasa A/B

Der

ivad

os (

2)D

eriv

ados

(1)

Calibraciones Calibraciones Básicas Pend. y Ordenada

Documents

Métodos Rápidos de Análisis de Leche mediante Instrumentos Infrarrojos Bienvenidos FOSS S.A. [email protected]