Métodos Rápidos de Análisis de Leche mediante Instrumentos Infrarrojos
BienvenidosFOSS S.A.
MilkoScan 4000 -CombiFoss 5000 2 - 17
Teoría NIR
MilkoScan 4000 -CombiFoss 5000 3 - 17
Descubrimiento de NIR por
William Herschel en abril de 1800
Ref. J. Near Infrared Spectrosc. 8, 75-86. 2000.
MilkoScan 4000 -CombiFoss 5000 4 - 17
¿ 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
MilkoScan 4000 -CombiFoss 5000 5 - 17
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
MilkoScan 4000 -CombiFoss 5000 6 - 17
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
MilkoScan 4000 -CombiFoss 5000 7 - 17
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
MilkoScan 4000 -CombiFoss 5000 8 - 17
Vibraciones Moleculares
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.
MilkoScan 4000 -CombiFoss 5000 9 - 17
Vibraciones Moleculares
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
MilkoScan 4000 -CombiFoss 5000 10 - 17
Ejemplo de Absorbancia
MilkoScan 4000 -CombiFoss 5000 11 - 17
Absorbancia Molecular
MilkoScan 4000 -CombiFoss 5000 12 - 17
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
MilkoScan 4000 -CombiFoss 5000 13 - 17
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
MilkoScan 4000 -CombiFoss 5000 14 - 17
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
MilkoScan 4000 -CombiFoss 5000 15 - 17
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
MilkoScan 4000 -CombiFoss 5000 16 - 17
Descomposición de la luz
Tecnología IR
MilkoScan 4000 -CombiFoss 5000 17 - 17
Transmitancia / Reflectancia
Transmitancia (NIT) Reflectancia (NIR)
ITEC169AITEC168A
Fuente de energía
Fuente de energía
DetectorDetector
MilkoScan 4000 -CombiFoss 5000 18 - 17
Transflectancia
Fuente de Energía
Detector
Reflector
Detector
MilkoScan 4000 -CombiFoss 5000 19 - 17
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
MilkoScan 4000 -CombiFoss 5000 20 - 17
Monocromador
MilkoScan 4000 -CombiFoss 5000 21 - 17
Interferómetro
MilkoScan 4000 -CombiFoss 5000 22 - 17
Fuente Infraroja
Rueda de filtros
Cubeta
Sensor Infrarojo
Espejo
Instrumento de filtros
Sistema Óptico
MilkoScan 4000 -CombiFoss 5000 23 - 17
MilkoScan 4000 -CombiFoss 5000 24 - 17
MilkoScan S50B Sistema de Flujo
MilkoScan 4000 -CombiFoss 5000 25 - 17
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
MilkoScan 4000 -CombiFoss 5000 26 - 17
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
MilkoScan 4000 -CombiFoss 5000 27 - 17
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
MilkoScan 4000 -CombiFoss 5000 28 - 17
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
MilkoScan 4000 -CombiFoss 5000 29 - 17
Datos fuente y detector IR
Fuente IR: trabaja a una temperatura de 1150 °K Detector IR: termocupla
MilkoScan 4000 -CombiFoss 5000 30 - 17
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)
MilkoScan 4000 -CombiFoss 5000 31 - 17
Descomposición de la luz
Tecnología FTIR
MilkoScan 4000 -CombiFoss 5000 32 - 17
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
MilkoScan 4000 -CombiFoss 5000 33 - 17
Monocromador
MilkoScan 4000 -CombiFoss 5000 34 - 17
Red holográfica
Líneas finas producidas con un Laser (400/mm) separan la luz blanca en todas las longitudes de onda que la componen.
MilkoScan 4000 -CombiFoss 5000 35 - 17
Interferómetro
MilkoScan 4000 -CombiFoss 5000 36 - 17
MilkoScan 4000 -CombiFoss 5000 37 - 17
MilkoScan 4000 -CombiFoss 5000 38 - 17
MilkoScan 4000 -CombiFoss 5000 39 - 17
MilkoScan 4000 -CombiFoss 5000 40 - 17
Algunas diferencias de parámetros entre Filtros y FTIR
MilkoScan 4000 -CombiFoss 5000 41 - 17
Maestro
Esclavo 1
Esclavo 3 Esclavo 4
Esclavo 2
Laboratorio central
Fábrica A
Fábrica B
Fábrica C
Fábrica D
Configuración Maestro y Esclavo
MilkoScan 4000 -CombiFoss 5000 42 - 17
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
MilkoScan 4000 -CombiFoss 5000 43 - 17
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
MilkoScan 4000 -CombiFoss 5000 44 - 17
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
MilkoScan 4000 -CombiFoss 5000 45 - 17
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
MilkoScan 4000 -CombiFoss 5000 46 - 17
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
MilkoScan 4000 -CombiFoss 5000 47 - 17
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
MilkoScan 4000 -CombiFoss 5000 48 - 17
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
MilkoScan 4000 -CombiFoss 5000 49 - 17
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
MilkoScan 4000 -CombiFoss 5000 50 - 17
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
MilkoScan 4000 -CombiFoss 5000 51 - 17
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
MilkoScan 4000 -CombiFoss 5000 52 - 17
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
MilkoScan 4000 -CombiFoss 5000 53 - 17
Ejemplo de Calibración de Pendiente y Ordenada
MilkoScan 4000 -CombiFoss 5000 54 - 17
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