Potencial del NIRS como herramienta de análisis aplicada a la industria PDF

Potencial de la ESPECTROSCOPIA DE INFRARROJO CERCANO - TECNOLOGÍA NIRS como herramienta de análisis aplicada a la industria Máster en Técnicas Avanzadas en Química. Análisis y Control de Calidad Químicos Mª ISABEL CAMPOS LABADIE Departamento de Química A...

Potencial de la ESPECTROSCOPIA DE INFRARROJO CERCANO - TECNOLOGÍA NIRS como herramienta de análisis aplicada a la industria Máster en Técnicas Avanzadas en Química. Análisis y Control de Calidad Químicos Mª ISABEL CAMPOS LABADIE Departamento de Química Analítica  APLICACIÓN EN LA INDUSTRIA TECNOLOGÍA NIRS herramienta de análisis aplicada a la industria control en la calidad y seguridad de los productos  APLICACIÓN EN LA INDUSTRIA La tecnología NIRS es un herramienta de análisis que aplicada a la industria en general, y especialmente en la industria farmacéutica, petroquímica y agroalimentaria, proporciona importantes ventajas en la toma de decisiones o detección de problemas en la producción del día a día. Permitiéndonos seguir la trazabilidad en cualquier punto y a lo largo de toda la cadena de producción y demostrar, en muchos casos, la autenticidad de materias primas y productos.  APLICACIÓN EN LA INDUSTRIA TECNOLOGÍA NIRS HERRAMIENTA de ANÁLISIS Control de un proceso productivo Espectroscopia NIR Desarrollo de Modelos de predicción: Ánalisis Quimiométrico Aplicaciones en la industria agroalimentaria  CONTROL DEL PROCESO PRODUCTIVO Y DEL PRODUCTO ANÁLISIS DESTRUCTIVO Realización necesaria de Representativos o no UN MUESTREO del conjunto Pérdida de Importante gasto PRODUCTO económico Tiempo de respuesta Dificulta la toma de NO INMEDIATO decisiones Control de proceso mediante análisis destructivo  CONTROL DEL PROCESO PRODUCTIVO Y DEL PRODUCTO ANÁLISIS DESTRUCTIVO La verificación de un proceso productivo y en consecuencia la aceptación, reprocesado o rechazo del producto final, dependen generalmente de los resultados obtenidos en el laboratorio (análisis cuantitativos). El control de los parámetros durante el procesado y sobre producto final, se realiza a través de métodos analíticos destructivos que conllevan tres importantes consecuencias: Por un lado es necesario realizar un muestreo, cuyos resultados pueden ser o no representativos del conjunto. La pérdida de producto ya que debido a la destrucción de las muestras supone un gasto económico para el fabricante. Sobre todo en ciertos casos que el producto tenga un alto valor añadido a causa de su coste de producción, tanto el relacionado con las materias primas como el de un largo proceso de producción bajo condiciones controladas. Y el tiempo de respuesta no es inmediato y dificulta tomar decisiones durante el proceso de elaboración.  CONTROL DEL PROCESO PRODUCTIVO Y DEL PRODUCTO ANÁLISIS NO DESTRUCTIVO TECNOLOGÍA NIRS caracterización de los productos, Análisis cuantitativo análisis de componentes de (Análisis dirigido) interés Análisis cualitativo Discriminación de los productos (Análisis no dirigido) por su huella espectral. Tecnología NIRS  CONTROL DEL PROCESO PRODUCTIVO Y DEL PRODUCTO ANÁLISIS NO DESTRUCTIVO La Tecnología NIRS permite dos tipos de aplicaciones: Análisis cuantitativos y cualitativos de los productos. Análisis cuantitativos. La metodología seguida empleando la espectroscopía NIR nos conduce a la caracterización de los productos mediante la cuantificación de los parámetros analíticos que nos resulten de interés o que sean críticos para llevar un control de calidad tanto de las materias primas como de los productos durante su procesado o del producto final. Análisis cualitativo, trata de a través de un modelo de clasificación, poder discriminar los productos siguiendo los estándares de calidad marcados por la propia empresa en cada momento del procesado. Estos modelos te permiten identificar que algo ha cambiado en el producto, pudiendo deberse a algún cambio en las materias primas (diferencias en la composición nutricional), podemos detectar cambios en los diferentes lotes de los proveedores (que pueden afectar al producto final), si hay alguna adulteración/contaminación en algún ingrediente empleado, detectar problemas en producción (dosificaciones de los ingredientes). En definitiva, podemos caracterizar de forma inmediata los productos en algún componente que consideremos crítico o bien detectar a través de la huella espectral cuando los productos han sufrido algún cambio, alteración, permitiéndonos detectar rápidamente anomalías. Tecnología NIRS Método indirecto de ANÁLISIS TECNOLOGÍA NIRS Control del proceso productivo Espectroscopia NIR Desarrollo de Modelos de predicción: Ánalisis Quimiométrico Aplicaciones en la industria agroalimentaria FUNDAMENTO TEÓRICO DE LA ESPECTROSCOPÍA NIR Región NIR Uniones C-H N-H O-H Tecnología NIRS  FUNDAMENTO TEÓRICO DE LA ESPECTROSCOPÍA NIR El análisis de infrarrojo cercano se incluye en el campo de la espectroscopia molecular, la cual estudia la interacción de la radiación electromagnética con la materia. La región del infrarrojo comprende el intervalo espectral entre 750 y 106 nm. Según el fenómeno espectroscópico que provoca la absorción de energía por parte de la materia, esta región se puede dividir en tres zonas: infrarrojo cercano (NIR) 750-2.500 nm; medio (MIR) 2500-4.104 nm; lejano (FIR) 4.104-106 nm. El NIR es una porción del espectro en la cual los componentes de la muestra de interés presentan baja absorción comparado con otras regiones del infrarrojo. La baja absorción permite que la radiación infrarroja penetre en muestras sin previa preparación, evitando tener que manipular las muestras antes del análisis. La radiación incidente provoca la vibración de los enlaces covalentes de átomos ligeros en las uniones: carbono-hidrógeno, oxígeno-hidrógeno y nitrógeno-hidrógeno, dando lugar a la aparición de bandas en el espectro NIR. Pero la vibración de estos enlaces a su vez provoca interacciones entre las moléculas que conforman el alimento. Es por eso que del espectro podamos obtener información de los diferentes componentes de la muestra. Tecnología NIRS  FUNDAMENTO TEÓRICO DE LA ESPECTROSCOPÍA NIR Luz incidente Luz Detectores Detectores incidente Transmisión/Transmitancia Reflexión/Reflectancia Luz Luz incidente incidente Fibra óptica Detectores Detectores Reflector Transflectancia Interactancia-Reflectancia Tecnología NIRS  FUNDAMENTO TEÓRICO DE LA ESPECTROSCOPÍA NIR Si la muestra es un líquido medimos en transmisión (espectroscopia de transmitancia), que dejen pasar el haz de luz antes de que esa señal sea detectada. En cuanto a muestras sólidas el modo de medida adecuado es la reflexión, más conocida como espectroscopia de reflectancia, estudia la radiación reflejada por la muestra que puede ser especular o difusa, y aunque en condiciones normales las medidas contienen las dos componentes de la reflexión, la componente difusa es la que aporta información acerca de la composición de la muestra, por lo que es la base de las medidas en la región del infrarrojo cercano. La luz penetra perpendicularmente unos milímetros en la muestra y es posteriormente reflejada y recogida por un detector ubicado a 45º del rayo de luz incidente y en el mismo lado que la fuente emisora, en este caso, el paso óptico es indeterminado. Para el caso de muestras líquidas semitransparentes o semisólidas el método a elegir será la transflectancia, que combina los dos modos anteriores, de forma que la luz atraviesa la muestra hasta llegar a un reflector, que reflejará la luz y así volverá a atravesarla antes de ser recibida por el detector. Por último, la modalidad de interactancia-reflectancia hace referencia al uso de una sonda de fibra óptica. Con este tipo de análisis, se elimina el proceso de llenado de cápsulas o cubetas de medición, recogiendo el espectro directamente sobre la muestra y transmitiéndolo al instrumento mediante las fibras ópticas. En esta modalidad se encuentra la medición NIR sin contacto con la muestra, permitiendo hacer un seguimiento de los procesos en modo on-line. Tecnología NIRS  INSTRUMENTACIÓN Componentes básicos de un instrumento NIRS Monocromador Detector de transmisión Fuente Convertidor de radiación analógico-digital PC Laser Muestra Detector de reflexión Tecnología NIRS  FUNDAMENTO TEÓRICO DE LA ESPECTROSCOPÍA NIR INSTRUMENTACIÓN El esquema básico de un instrumento NIR no difiere de cualquier otro espectrofotómetro. Sin embargo, debido a la baja intensidad de las bandas NIR, el nivel de exigencia en términos de ruido y estabilidad instrumental es mayor que en otros espectrofotómetros. Los componentes básicos de un instrumento NIRS son: una fuente de energía radiante, láser He-Ne, un monocromador para la discriminación de longitudes de onda, un compartimento para la muestra y uno o varios detectores, PbS; InGaAs; Si-Diodo, que convierten la energía radiante en señal eléctrica. Con la ayuda de un amplificador de alta tensión y bajo ruido, la señal procedente de los detectores es amplificada. Posteriormente, esta señal es convertida en digital mediante un convertidor analógico-digital, y por último la señal digital es transmitida a un ordenador para su procesado. En el mercado existen equipos dispersivos que trabajan con todo el rango NIR, ya que utilizan un sistema monocromador de difracción móvil (grating) detectando cada longitud de onda independientemente en el tiempo; equipos de filtros que sólo trabajan con determinadas longitudes de onda; equipos de red de diodos que pueden trabajar con todo el rango espectral detectando todas las longitudes de onda a la vez, ya que tienen un detector para cada una; equipos FT-NIR (Transformada de Fourier) que pueden trabajar con todas las longitudes de ondas simultáneamente. Tecnología NIRS  INSTRUMENTACIÓN Multisonda Equipos NIRS comerciales Monosonda Monosonda Tecnología NIRS  MODALIDADES DE ANÁLISIS PARA EL CONTROL DE PROCESOS Control de procesos Muestreo Análisis Manual Off-line Laboratorio Manual Zona de At-line producción Automático Anexo a línea In-line de proceso Con contacto On-line Fibra óptica En línea de On-line no Sin contacto proceso invasiva Tecnología NIRS  MODALIDADES DE ANÁLISIS PARA EL CONTROL DE PROCESOS Hay diferentes MODALIDADES DE ANÁLISIS PARA llevar EL CONTROL DE PROCESOS. Se estableció una clasificación para distinguir entre las diferentes metodologías existentes, off-line, at-line, in-line y on-line. un análisis off-line consiste en un muestreo manual con un posterior análisis en el laboratorio; un análisis at-line consiste en la realización de un muestreo manual, pero realizando el análisis sin salir de la zona de producción; un método in-line es aquel que realiza un muestreo automático enviando las muestra a la zona de análisis que se dispone en una zona anexa a la línea de producción para después enviar de nuevo la muestra a la cadena productiva; y una técnica analítica on-line es aquella que se realiza dentro de la línea de producción introduciendo una fibra óptica con o sin contacto con la muestra, esta última se denomina técnica analítica on-line no invasiva. Las dos últimas se consideran, así mismo, medidas in situ. Tecnología NIRS  ESPECTROSCOPÍA NIR ESPECTROSCOPÍA TECNOLOGÍA NIRS TRATAMIENTO INSTRUMENTACIÓN QUIMIOMÉTRICO Tecnología NIRS  ESPECTROSCOPÍA NIR Absorbancia Frecuencia cm-1 Espectros NIR de muestras del mismo tipo Tecnología NIRS  ESPECTROSCOPÍA NIR La señal obtenida en el IR cercano es tan compleja que las bandas del espectro son complejas y difíciles de interpretar, de hecho los espectros de las distintas muestras de un mismo conjunto son prácticamente iguales, por lo que se hace necesario, en primer lugar, aplicar pretratamientos espectrales que nos permitan extraer mejor la información, tales como la normalización de los espectros, derivación, corrección de la dispersión, etc. Posteriormente, los espectros procesados se analizan mediante quimiometría. La quimiometría se basa en la aplicación de métodos estadísticos para analizar simultáneamente conjuntos de datos multivariantes, es decir, analizan simultáneamente múltiples características medidas en un conjunto de muestras (que presentan la misma matriz), que por estar interrelacionadas no tiene sentido medir su efecto de manera aislada. Por ejemplo, el Análisis de componentes principales (PCA) es una técnica estadística que se aplica en el análisis multivariante para sintetizar la información reduciendo el número de variables del sistema. Las nuevas componentes principales son una combinación lineal de las variables originales e independientes entre sí. Por el hecho de obtener los modelos a través de tratamientos estadísticos se hace necesario validar la calibración para poder utilizar estos modelos en rutina. Tecnología NIRS Método indirecto de ANÁLISIS TECNOLOGÍA NIRS Control del proceso productivo Espectroscopia NIR Desarrollo de Modelos de predicción: Ánalisis Quimiométrico Aplicaciones en la industria agroalimentaria  DESARROLLO DE MODELOS DE PREDICCIÓN NIR Muestras Conjunto de calibración Análisis Análisis espectroscópico químico Tratamiento quimiométrico Modelo de predicción NIR Conjunto de validación Validación externa Tecnología NIRS  FUNDAMENTO TEÓRICO DE LA ESPECTROSCOPÍA NIR Para desarrollar la aplicación empleando la Tecnología NIRS es necesario calibrar los equipos NIRS. Para ello, el primer paso en el proceso de calibración es definir el producto sobre el que vamos a desarrollar la aplicación, si la aplicación es cualitativa y el objetivo es detectar anomalías o problemas de producción tenemos que definir bien el momento en el que tomar los datos para construir el modelo de predicción (cuando vamos a obtener más información). En el caso de desarrollar un modelo para cuantificar algún componente debemos definir bien el rango del parámetro en estudio para que las muestras a las que se va a aplicar el modelo desarrollado estén bien representadas en el conjunto de calibración. Una calibración completa es aquella que puede ser usada para predecir entre el 90-95 % de las muestras de un producto dado Para desarrollar una calibración cuantitativa, una vez definido el conjunto de muestras para la calibración, se necesitan una pareja de datos para cada muestra: el dato espectroscópico y el valor obtenidos por el método de referencia correspondiente. A continuación se lleva a cabo un tratamiento quimiométrico mediante métodos multivariantes, esta metodología se hace necesaria pues la señal obtenida en el IR cercano es tan compleja que las bandas del espectro son difíciles de interpretar y empleando esta técnicas estadísticas logramos extraer la información para la construcción de los Modelos de predicción NIRS. Tecnología NIRS  FUNDAMENTO TEÓRICO DE LA ESPECTROSCOPÍA NIR Este modelo una vez construido y validado, nos va a permitir tener el valor del parámetro que hemos calibrado sobre muestras desconocidas y únicamente tomando el espectro de la muestra, proceso que puede durar segundos. O si se trata de un modelo cualitativo nos diga si la muestra desconocida pertenece al grupo o aparece alejado de él lo que nos indicaría alguna anomalía, que podemos llegar incluso a definir. Al ser una técnica secundaria, es decir que lo que empleamos para medir las muestras es un modelo de predicción, podemos lograr muy buenas precisiones pero siempre va a estar sujeto a la precisión con la que hemos hecho los análisis químicos. Otro aspecto fundamental es aplicar el tratamiento quimiométrico adecuado para conseguir los mejores ajustes de los modelos. Una vez construido el modelo se lleva a cabo un proceso de VALIDACIÓN EXTERNA. Para ello se emplean muestras que no pertenecen al grupo de calibración, pero que están dentro del rango de concentración del modelo obtenido. El conjunto de muestras de validación suele representar entre un 30-50 % del total de las muestras. Se lleva a cabo una primera validación evaluando en el modelo de predicción construido las muestras ciegas del set de validación y se compara con los valores analíticos obtenidos en el laboratorio. A continuación se incorporan en el modelo para robustecerlo y se valida de nuevo una vez que el equipo se ha instalado en el lugar donde se va a implantar finalmente la tecnología en la empresa para valorar la influencia de las condiciones ambientales en la línea de producción donde se va a instaurar la calibración. Tecnología NIRS  DESARROLLO DE MODELOS DE PREDICCIÓN NIR Métodos multivariantes MLR PCR PLSR Validación cruzada Un grupo de muestras se saca del conjunto de calibración y se utiliza para validar el modelo desarrollado con el grupo de muestras restante. Este proceso se repite sucesivamente hasta que todas las muestras han sido analizadas. Tecnología NIRS  FUNDAMENTO TEÓRICO DE LA ESPECTROSCOPÍA NIR El tratamiento quimiométrico se lleva a cabo mediante métodos multivariantes, habitualmente lineales, los métodos más ampliamente usados son: la regresión lineal múltiple (MLR), regresión por componentes principales (PCR) y, sobre todo, regresión por mínimos cuadrados parciales (PLSR). El modelo de regresión PLS es el método más utilizado en las aplicaciones NIR de la industria agroalimentaria, siendo un método de calibración multivariante muy apropiado para correlacionar los espectros NIR con el componente de interés. Cuando se trabaja con métodos de regresión como éstos, es fundamental establecer un número óptimo de factores o términos para el ajuste del modelo. Para ello se aplica el método de validación cruzada. En validación cruzada, un grupo de muestras se saca del conjunto de calibración y se utiliza para validar el modelo desarrollado con el grupo de muestras restante. Este proceso se repite sucesivamente hasta que todas las muestras han sido analizadas. Tecnología NIRS  DESARROLLO DE MODELOS DE PREDICCIÓN NIR La capacidad de predicción de los métodos NIRS desarrollados para cada parámetro se evalúa: Calibración-Validación interna RMSECV R2CV Error estándar promedio obtenido Coeficiente de determinación en validación cruzada Validación externa RMSEP RPD Error estándar promedio o Relación entre la desviación varianza de la predicción estándar de los datos obtenidos mediante el análisis de referencia y el error estándar de predicción. Tecnología NIRS  FUNDAMENTO TEÓRICO DE LA ESPECTROSCOPÍA NIR La capacidad de predicción de los métodos NIR desarrollados para cada parámetro se evalúa a partir del error obtenido en validación cruzada (RMSECV, Root Mean Square Error of Cross Validation) que es una medida cuantitativa de la precisión del modelo desarrollado y del coeficiente de determinación (R2CV), determinado a partir de los valores de referencia (valor real) frente a los valores predichos por los modelos NIR (valor predicho). Otro parámetro empleado en la evaluación del modelo es la desviación residual de predicción (RPD, Residual Predictive Validation) (Williams & Sobering, 1996), que se define como la relación entre la desviación estándar de los datos obtenidos mediante el análisis de referencia (SD de referencia) y el error estándar de predicción de validación cruzada de los mismos (SECV). RMSECV es el mejor estimador de la capacidad predictiva de una ecuación, y es equivalente al error estándar promedio o varianza de la predicción (RMSEP) de grupos de muestras ajenos a la calibración, seleccionados al azar. Las mejores calibraciones se seleccionan en base a los valores más altos de R2cv y RPD y de menor RMSECV. Tecnología NIRS  ANÁLISIS QUIMIOMÉTRICO El número óptimo de factores PLS en cada ecuación se determina como el número de RMSECV (% Sodio) factores sobre los que el error de la validación cruzada (RMSECV) no disminuya sustancialmente. Rango (Factores PLS) Se seleccionan los mejores modelos para cada parámetro en base al valor más bajo de RMSECV y se eligen de entre ellos, el mejor modelo por parámetro que presenta el menor número de factores PLS. 1 𝑛 𝑝𝑟𝑒𝑑 2 𝑅𝑀𝑆𝐸𝐶𝑉 = 𝑦𝑖𝑟𝑒𝑎𝑙 − 𝑦𝑖 𝑛 𝑖=1 n = número de muestras del conjunto de calibración 𝑦𝑖𝑟𝑒𝑎𝑙 = valor de la concentración medida por el método de referencia de la muestra i 𝑝𝑟𝑒𝑑 𝑦𝑖 = concentración de la muestra predicha por el modelo Tecnología NIRS  ANÁLISIS QUIMIOMÉTRICO CALIBRACIÓN Análisis de componentes principales (PCA) Detección y eliminación de valores atípicos Aplicación de pre-procesamientos matemáticos Tecnología NIRS  ANÁLISIS QUIMIOMÉTRICO Análisis de componentes principales (PCA) Es una técnica estadística de síntesis de información o de reducción de la dimensión (número de variables). Los nuevos componentes principales serán una combinación lineal de las variables originales, y además serán independientes entre sí. Podemos estudiar qué muestras no pertenecen o se desvían del conjunto de calibración y descartar las muestras redundantes (alta colinealidad). PC 2 score PC 2 score PC 1 score PC 1 score I (-12/-5ºC) II (-5/+10ºC) III (+10/+20ºC) Etapa 1 Etapa 2 En este estudio se manejan únicamente los datos espectrales. Tecnología NIRS  ANÁLISIS QUIMIOMÉTRICO Detección y eliminación de valores atípicos OUTLIER es una observación que es numéricamente distante del resto de los datos. Las estadísticas derivadas de los conjuntos de datos que incluyen valores atípicos serán frecuentemente engañosas. Para su detección se emplean: Distancia de Mahalanobis, que indica cómo de diferente es el espectro de la muestra del espectro promedio de la población. Residuo espectral, que es la diferencia entre el espectro medido y el que se espera teóricamente a partir del análisis de los factores del modelo de calibración. Los outliers son fácilmente reconocibles por un crecimiento en la distancia de Mahalanobis o en el residuo espectral. Tecnología NIRS  ANÁLISIS QUIMIOMÉTRICO Aplicación de pre-procesamientos matemáticos Transformar los Las señales se ajusten al modelo lineal datos espectrales (Ley de Beer) Tratamientos de corrección de dispersión y derivaciones del espectro original común para transformar los datos espectrales o combinaciones de algunas de estas opciones. Tecnología NIRS  ANÁLISIS QUIMIOMÉTRICO Se seleccionan el MODELO DE PREDICCIÓN con menor error de calibración comparable al error del método de referencia del parámetro y que presente el menor número de factores PLS Tecnología NIRS  ANÁLISIS QUIMIOMÉTRICO Para comprobar la robustez de los modelos de calibración y determinar la capacidad real de predicción de dichos modelos, se lleva a cabo un proceso de validación externa. Se aplican las ecuaciones a un conjunto de muestras que no pertenecen al grupo de calibración y que presentan un rango de concentración dentro de la aplicabilidad de las ecuaciones obtenidas. Cuanto menor sea el error de predicción, en comparación con la varianza de los valores de referencia, mayor es el valor de RPD y por lo tanto, mejor es el modelo. Tecnología NIRS  APLICACÍONES EN LA INDUSTRIA Ventajas de la tecnología NIRS  Se trata de una técnica analítica que no es destructiva ni invasiva.  La preparación de la muestra es sencilla y la medida se realiza con rapidez.  Proporciona resultados tanto cualitativos como cuantitativos de las muestras.  Permite la determinación de varios parámetros de la muestra simultáneamente. Reduce el coste de laboratorios externos.  No requiere cambio de configuración del equipo para medir diferentes productos y parámetros dentro de la empresa.  Una vez realizadas las calibraciones el manejo del equipo es sencillo.  El coste de análisis por muestra es bajo debido a la ausencia de tratamiento de muestra, a la velocidad de medida y a la facilidad de su uso en rutina.  Gestión inmediata del control de calidad de proceso y productos. Tecnología NIRS  APLICACÍONES EN LA INDUSTRIA Inconvenientes de la tecnología NIRS  El coste de un equipo NIR es alto.  La puesta a punto (calibración) es muy laboriosa y requiere, inicialmente, una dedicación alta de tiempo.  Es una técnica secundaria que requiere de una analítica de laboratorio precisa y exacta para la calibración del equipo NIR.  Al ser una técnica secundaria, el error de análisis obtenido con el NIR es mayor que con un método primario (~4%).  La señal obtenida es tan compleja que las bandas del espectro son de difícil interpretación, por lo que se hace necesario el uso de la quimiometría junto con diferentes pretratamientos espectrales.  Necesidad de personal experto en la tecnología y en quimiometría para el desarrollo de los modelos de predicción. Tecnología NIRS MUCHAS GRACIAS!! Departamento de Química Analítica