la spectrométrie dans le proche infrarouge appliquée au

50
Centre wallon de Recherches agronomiques Centre wallon de Recherches agronomiques - Département Qualité des productions agricoles Chaussée de Namur, 24 - B – 5030 GEMBLOUX - Tél : ++ 32 (0)81 62 03 50 - Fax : ++ 32 (0)81 62 03 88 [email protected] - http://cra.wallonie.be «Un autre regard sur votre process » La spectrométrie dans le proche infrarouge appliquée au suivi de processus de transformation CRA-W – Gembloux Département Qualité des Productions agricoles Laboratoire de Spectrométrie Après-midi d’étude Jeudi 16 mars 2006 asbl Ministère de la Région Wallonne. Centre wallon de Recherches agronomiques

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[email protected] - http://cra.wallonie.be

«Un autre regard sur votre process »

La spectrométrie dans le proche infrarouge appliquée au suivi de processus de transformation

CRA-W – GemblouxDépartement Qualité des Productions agricoles

Laboratoire de Spectrométrie

Après-midi d’étude

Jeudi 16 mars 2006

asbl

Ministère de la Région Wallonne.

Centre wallon de Recherches agronomiques

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PRESENTATION OF CRA-W

NIR theory

HISTORY & NIRS APPLICATIONS AT CRA-W

NETWORKING

CHEMOMETRICS

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[email protected] - http://cra.wallonie.be

Walloon Agricultural Research Centre(Gembloux)

Founded in 1872

Public Interest Organisation (OIP)

Under the Regional Government of Wallonia.

http://www.cra.wallonie.be/

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Walloon Agricultural Research Centre

7 Departments: 1. Biotechnology2. Crop production3. Biological Control and Plant Genetic Resources4. Pesticide research 5. Agricultural Engineering 6. Animal Production and Nutrition 7. Quality of Agricultural Products

+ 2 units1. Agricultural Systems (in Libramont) 2. Biometry, Data Management and Agrometeorology

Personnel: ~450, Scientists: ~120

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Quality of Agricultural Products Department3 laboratories :

• Microbiology & Molecular biologyDr Gilbert Berben

• Analytical chemistry & TechnologyDr Georges Sinnaeve

• Physical methodsDr Vincent Baeten

50 employees - 15 scientists

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Quality of Agricultural ProductsDepartment

Physical methods

•Near Infrared Spectroscopy Near Infrared Micro-spectroscopyHyperspectral Imaging Spectroscopy

• Mid Infrared Spectroscopy

• Raman Spectroscopy

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Near Infrared Spectroscopy

Why NIR ?

- Fast- < 2 min/spl ( sec) - multiple analyses (cheap)

- Simple to operate- short training - on-line- no sample prep. or reduced

- Simple to maintain- lamps, …

Drawbacks: - Need of calibrations

- Lack of accuracy

- LOD >>

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Near Infrared Spectroscopy

How does it work?

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Discovery of Near InfraRed Radiation

• 17 March 1800

• William Herschel,Astronomer Royal attemptsto find out the spectralregion responsible for heatformation in his telescope.

•The NIR is discovered.

•Philosophical Transactionsof the Royal Society 90:255-83

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The Electromagnetic Spectrum

Micro- Far Mid NIR Visible Ultra- Vacuum X-Ray

10 5000 2500 800 400 170 20 nm

10 200 4000 12500 25000 60000

6

5*10 5 cm -1

Overtonesof

Molecularvibrations

Electronic transitions

rotation vibrations Inner shellelectrons

wave IR IR violet UV

λ

stretchbend

v

Valenceelectrons ionisation

Molecular bond

HIGHPHOTONENERGY

LOWPHOTONENERGY

λν = c = 3 x 108 m s-1 Ephoton = hν h=6.6 x 10-34Js

ENERGY- +

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WAVENUMBER (cm-1) = FREQUENCY (Hz)/100.C

λν=c

Wavelength(nm)=10,000,000/wavenumber(cm-1)

1 000 nm = 10 000 cm-1

2 500 nm = 4 000 cm-1

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NATURE OF THE COVALENT BOND

C H

•Covalent bonds SHARE electrons between atoms in a molecule1.09 Å•Bonds have length, strength & direction unique to each pair of atoms•Bonds act like springs joining atoms•Bonds vibrate at unique frequencies due to atomic masses & ‘stiffness’

+_

•If vibration changes the dipole momentthen bond can absorb INFRARED photons•A photon of EXACTLY the right frequency is absorbed & excites the bond to a higher vibrational state

•Frequency = qualitative analysis:IDENTITY

•Amplitude = quantitative analysis:AMOUNT Courtesy Ian Murray

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[email protected] - http://cra.wallonie.beCourtesy Ian Murray

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Spectres de produits purs

1928

2100

2055 21

82

1722

2306

2342

1 200 1 400 1 600 1 800 2 000 2 200 2 4000

0.2

0.4

0.6

0.8

1

Longueurs d ’onde (nm)

Den

sité

opt

ique

: LO

G(1

/R)

Amidon

Gluten

Huile

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Instruments

Source Detector

Grating

Sample

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Instruments

SAMPLE PRESENTATION MODE

INTERACTANCEFibre optic probe

T R I

I0 It

I0

TRANSMISSION REFLECTANCEor transflectance0-45°optics or integrating sphere

Ir+

-

I0

It=0

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Instruments Ir

R=I0

Ia

I0

It

Ir

REFLECTIONREFLECTION

ItT=

I0

TRANSMISSIONTRANSMISSION

ABSORBANCE or OPTICAL DENSITYABSORBANCE or OPTICAL DENSITY

=

=

T1Log

R1LogA

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LOG(1/R)

00.511.522.533.54

00.10.20.30.40.50.60.70.80.91

R EFLEC T ION

OPT

ICA

L D

ENSI

TY o

r A

BSO

RB

AN

CE

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Instruments

- Filters (interferential filters)

- Monochromator : dispersive system (tilting grating)

- AOTF (Acoustic Optical Tunable Filter)

- LCTF (Liquid Crystal Tunable Filter)

- Interferometers (Michelson or polarization) --------------------- - -

- Diode Array (fixed grating)

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INSTRUMENT IMPROVEMENTS:

- Sources- Optical components (laser)- Detectors- Electronics (communication)

Sample presentation:- large cups- slurries- liquids- on-line (belts, pipes, …)

- fibre optics- remote scanning

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THE PAST

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NIR INSTRUMENTS – CRA-W

•1976 R.Biston au CRA – Station de Haute Belgique

•1979 Neotec FQA51 (Feed Quality Analyser)

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NIR INSTRUMENTS – CRA-W

•1981 Neotec 6350 (Research Analyser) + Nova III

New Instrumentations>65 companiesBetter noise, More flexible, Better sample presentation…Portable (miniaturization)

But Almost the same spectral information as 25 years ago

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APPLICATIONS

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APPLICATIONS developed at CRA-W

•Fertilizers (N, P, K, Humic acids)•Soils (N, C, CEC, …)•Seeds & Phyto-sanitary Protection (seed/seed)•Crop monitoring (N) •Precision Agriculture •Nutritive value (feed & forages) •Technology (flour, baking quality,…) •Authenticity (orange juice, wine, olive oil, meat, honey,…)•Fruits •Bio-fermentation monitoring

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•NUTRITIVE VALUE OF FEED CHEMICAL COMPOSITION & DIGESTIBILITY

Forages:Fresh grass HayGrass Silage Fresh corn silageCorn silage

Tropical Forages

Cereals

High-protein crops(soya, pea, …

High fat crops (rape, sunflower,..)

Feed IngredientsCereals & by-productsWheat branSoyameal Sugarbeet pulpAnimal protein (MBM)……

Complete feed CattleSwinePoultryPet food

•Moisture – DM •Ashes – OM

+ P, Ca, K, Mg•Fat

+ FA profile •Proteins (N)

+ AA profile •Fibres

(cellulose, NDF,ADF,ADL)•Starch

+ amylose - amylopectin•Total Sugar

+ sugar profile •OMD

in vivo, in vitro, enzymatic

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NIRS MICROSCOPY &

IMAGING

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•NIR INFRARED MICROSCOPE

Meat and Bone Meal DETECTION

PerkinElmer FT-NIR

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- Camera InGaAs

- 900 - 1700 / 10 nm

- 240 x 320 pixels

- Each pixel: 70 µm*70 µm

- Analyzed surface : 5 cm²

- 76 800 spectra 24 MB

- 300 - 350 particles

- Analysis time : +/- 5 min

NIR Camera

(x)

(y)

(Wavelength nm)

Matrix NIR,Spectral Dimensions, Inc.

CRA-W – DQPA 23-02-2006Community Reference Laboratoryfor Animal Proteins

ISO 17025

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NETWORKING STANDARDISATION OF INSTRUMENTS

Same models on all the instruments Make the instruments alike

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Asbl REQUASUDCellule de coordinationChaussée de Namur, 245030 GEMBLOUX

081/[email protected]

Michamps

CRA

La HulpeAth

SoigniesTinlot

Libramont

Waremme

CineyFUSAGx

19879 laboratoires interconnectés

en région wallonne

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ABERDEENDUBLINCAMPDENLELYSTADARNHEMETTELBRUCKLILLEREIMSNANCY

NAMSHEIMPARISNANTESCLERMONT-FRODEZMONTPELLIERTOULOUSEPAUPADOVACORDOBAMADRID

EUROPEAN CRAGx CONTACTS

ROTTERDAMVARSOVIEBUCARESTPARISRENNESFRAGAMADRIDLISBONNE

EUROPEAN PROVIMI NETWORK

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WORLD NIRS CONTACTS

ARGENTINEAFRIQUE DU SUDAUSTRALIEARGENTINEBRESILCHILIETATS-UNISSENEGALTUNISIEINDONESIEVIETNAMNouvelle ZELANDE

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0.3

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500

600

700

800

900

1000

1100

1200

1300

1400

1500

1600

1700

1800

1900

2000

2100

2200

2300

2400

2500

NIRSystems 5000

FT-Buchi NF 500

FT-Antaris Nicolet

FT-Brucker MPA

Unity SpectrastarFoss – Infraxact

Perten DA7200

CALIBRATION TRANSFER

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•Networks of instruments (2000)

RINA® : Remote Instrument Near Analysis(Foss ISI)

NIRS

400-2500nm

INTERNET

NIRS

400-2500nm

CRA SERVER:-equations -data bases

Spectra

Values

User 1

User 2

Page 36: La spectrométrie dans le proche infrarouge appliquée au

Cen

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Centre wallon de Recherches agronomiques - Département Qualité des productions agricolesChaussée de Namur, 24 - B – 5030 GEMBLOUX - Tél : ++ 32 (0)81 62 03 50 - Fax : ++ 32 (0)81 62 03 88

[email protected] - http://cra.wallonie.be

CHEMOMETRICS

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Calibration : Multiple Linear Regression

Y X

∑+= ii xbbY 0ˆ

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Xthe wet chemistry cost

YMinimising

Spectral variabilityVarieties, Years, Locations,Origins, ….Samples prep., Grinders,Temperatures, Operators, …Batches, …

Experimental Designs

Reference Wet ChemistrySEL ?? r (repeatability)

R (reproducibility)

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CHEMOMETRICS

Many Packages (manufacturers)+ MatLab

QuantitativeMLR, PCR, PLS, ANN, SVM,….

QualitativeLDA, QDA, KNN, SVM, SIMCA,..

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Chemometrics

Uncertainty of the NIR analyses

( ) ( )[ ] 2/122.1ˆ refiii SSEChyys −+=−

Fernandez Pierna & al., Chemom., Intell. Lab. Syst. 65,281 (2003)

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CALIBRATION

y = 91.516x - 45.342R2 = 0.9055

3

3.5

4

4.5

5

5.5

6

6.5

7

0.53 0.535 0.54 0.545 0.55 0.555 0.56 0.565 0.57

Absorbances

Y re

fere

nce

Least Squares

NIRS: Inverse regressionYref= b.X+ b0 + e

2

),cov(

Xsyxb=

Chemometrics : uncertainty

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Chemometrics : uncertainty

PREDICTION

y = 91.516x - 45.342R2 = 0.9055

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Absorbances

Y re

fere

nce

yest= bx+b0

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N=20

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N=500

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http://www.nirpublications.com/

Near infrared on-line measurement of degree of cook in extrusionprocessing of wheat flour

On-line monitoring of rumen fluid in milking cows by fibre optics intransmittance mode using the longer NIR region

Non-invasive fermentation analysis using an artificial nerual networkalgorithm for processing near infrared spectra (ethanol)

Monitoring carotenoid and chlorophyll pigments in virgin olive oil byvisible-near infrared transmittance spectroscopy. On-line application

On-line monitoring of melt-extrusion transesterification of ethylene vinylacetate copolymers by near infrared spectroscopy and chemometrics

On-line monitoring of kinetic and sensory parameters in aceticfermentation by near infrared spectroscopy

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http://www.fda.gov/cder/OPS/PAT.htm

Controls on line -all the process parameters-ingredients, intermediate products and final products

full traceability and immediate release of the products

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T

17:30 Visite du laboratoire de spectrométrie

hat’s all folks !

Merci bramin p’o m’awès choutè