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
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«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.
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¾ PRESENTATION OF CRA-W
¾ NIR theory
¾ HISTORY & NIRS APPLICATIONS AT CRA-W
¾ NETWORKING
¾ CHEMOMETRICS
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Walloon Agricultural Research Centre
(Gembloux)
¾ Founded in 1872
¾Public Interest Organisation (OIP)
¾ Under the Regional Government of Wallonia.
http://www.cra.wallonie.be/
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Walloon Agricultural Research Centre 7 Departments:
1. Biotechnology 2. Crop production
3. Biological Control and Plant Genetic Resources 4. Pesticide research
5. Agricultural Engineering
6. Animal Production and Nutrition
7. Quality of Agricultural Products
+ 2 units
1. Agricultural Systems (in Libramont)
2. Biometry, Data Management and Agrometeorology
Personnel: ~450, Scientists: ~120
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Quality of Agricultural Products Department
3 laboratories :
• Microbiology & Molecular biology Dr Gilbert Berben
• Analytical chemistry & Technology Dr Georges Sinnaeve
• Physical methods
Dr Vincent Baeten
50 employees - 15 scientists
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Quality of Agricultural Products Department
Physical methods
•Near Infrared Spectroscopy
Near Infrared Micro-spectroscopy Hyperspectral Imaging Spectroscopy
• Mid Infrared Spectroscopy
• Raman Spectroscopy
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Near Infrared Spectroscopy
Why NIR ?
- Fast
- < 2 min/spl (Æ 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 attempts to find out the spectral
region responsible for heat formation in his telescope.
•The NIR is discovered.
•Philosophical Transactions
of 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
Overtones of Molecular vibrations
Electronic transitions
rotation vibrations Inner shell
electrons
wave IR IR violet UV
λ
stretch bend v
Valence
electrons ionisation Molecular bond
HIGH PHOTON ENERGY LOW
PHOTON ENERGY
λν = c = 3 x 10 8 m s -1 E photon = hν h=6.6 x 10 -34 Js
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 molecule
1.09 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 moment then 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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Spectres de produits purs
1928 2100 2055 2182
1722 2306 2342
1 200 1 400 1 600 1 800 2 000 2 200 2 400 0
0.2 0.4 0.6 0.8 1
Longueurs d ’onde (nm)
Densité optique: LOG(1/R)
Amidon Gluten
Huile
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Instruments
Source Detector
Grating
Sample
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Instruments
SAMPLE PRESENTATION MODE
INTERACTANCE Fibre optic probe
T R I
I 0 I t
I 0
TRANSMISSION REFLECTANCE
or transflectance 0-45°optics or integrating sphere
I r
+ -
I 0
∞
I t =0
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Instruments
I r R=
I 0
I a I 0
I t
I r
REFLECTION REFLECTION
I t T=
I 0 TRANSMISSION
TRANSMISSION
ABSORBANCE or OPTICAL DENSITY ABSORBANCE or OPTICAL DENSITY
=
=
T Log 1 R
Log 1
A
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L OG (1/R)
0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4
0 0.1 0.2
0.3 0.4
0.5 0.6
0.7 0.8
0.9 1
R EF L EC T IO N
OP TIC A L D E N S ITY or ABS O R BANCE
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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 companies Better 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 Hay
Grass Silage
Fresh corn silage Corn silage
Tropical Forages Cereals
High-protein crops
(soya, pea, …
High fat crops
(rape, sunflower,..)
Feed Ingredients
Cereals & by-products Wheat bran
Soyameal
Sugarbeet pulp
Animal protein (MBM)
……
Complete feed Cattle
Swine Poultry Pet 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 23-02-2006
Community Reference Laboratory for 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 REQUASUD
Cellule de coordination Chaussée de Namur, 24 5030 GEMBLOUX
081/62.03.71
requasud@cra.wallonie.be
Michamps
CRA
La Hulpe Ath
Soignies Tinlot
Libramont Waremme
Ciney
FUSAGx
1987
9 laboratoires interconnectés
en région wallonne
ABERDEEN DUBLIN CAMPDEN LELYSTAD ARNHEM ETTELBRUCK LILLE
REIMS NANCY
NAMSHEIM PARIS
NANTES
CLERMONT-F RODEZ
MONTPELLIER TOULOUSE PAU
PADOVA CORDOBA MADRID
EUROPEAN CRAGx CONTACTS
ROTTERDAM VARSOVIE BUCAREST PARIS
RENNES FRAGA MADRID LISBONNE
EUROPEAN PROVIMI NETWORK
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WORLD NIRS CONTACTS
ARGENTINE
AFRIQUE DU SUD AUSTRALIE
ARGENTINE BRESIL CHILI
ETATS-UNIS SENEGAL TUNISIE INDONESIE VIETNAM
Nouvelle ZELANDE
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dptqual@cra.wallonie.be - http://cra.wallonie.be 0
0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1
40 0 50 0
60 0 70 0
80 0 90 0
10 00 11 00
12 00 13 00
14 00 15 00
16 00 17 00
18 00 19 00
20 00 21 00
22 00 23 00
24 00 25 00
NIRSystems 5000
FT-Buchi NF 500
FT-Antaris Nicolet FT-Brucker MPA
Unity Spectrastar Foss – 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
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CHEMOMETRICS
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Calibration : Multiple Linear Regression
Y X
∑
+
= b b i x i
Y ˆ 0
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the wet chemistry cost X
Æ Y Minimising
Spectral variability
Varieties, Years, Locations, Origins, ….
Samples prep., Grinders,
Temperatures, Operators, … Batches, …
Experimental Designs Reference
Wet Chemistry SEL ??
r (repeatability)
R (reproducibility)
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¾CHEMOMETRICS
Many Packages (manufacturers)
+ MatLab
Quantitative
MLR, PCR, PLS, ANN, SVM,….
Qualitative
LDA, QDA, KNN, SVM, SIMCA,..
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Chemometrics
Uncertainty of the NIR analyses
( y ˆ i y i ) ( [ 1 h i ) . SEC 2 S ref 2 ] 1 / 2
s − = + −
Fernandez Pierna & al., Chemom., Intell. Lab. Syst. 65,281 (2003)
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CALIBRATION
y = 91.516x - 45.342 R 2 = 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 fe re n ce
Least Squares
NIRS: Inverse regression Yref= b.X+ b0 + e
2
) ,
cov(
s X
y b = x
Chemometrics : uncertainty
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Chemometrics : uncertainty
PREDICTION
y = 91.516x - 45.342 R 2 = 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 ref e ren c e
y est = bx+b0
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dptqual@cra.wallonie.be - http://cra.wallonie.be
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http://www.nirpublications.com/
Near infrared on-line measurement of degree of cook in extrusion processing of wheat flour
On-line monitoring of rumen fluid in milking cows by fibre optics in transmittance mode using the longer NIR region
Non-invasive fermentation analysis using an artificial nerual network algorithm for processing near infrared spectra (ethanol)
Monitoring carotenoid and chlorophyll pigments in virgin olive oil by visible-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 acetic
fermentation 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
Æ full traceability and immediate release of the
products
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