NIR: k analýze obilovin a pícnin

Blízká infračervená spektroskopie (NIR) si během krátké doby získala v zemědělských laboratořích velkou oblibu. V současnosti je NIR spektroskopie dominantní analytickou metodou, používanou pro kvalitativní hodnocení obilovin a pícnin. Vysoké počáteční pořizovací náklady na koupi potřebného přístroje následně vyváží mnoho výhod v běžné analytické praxi. Jsou to především velmi krátká doba analýzy, přesnost, možnost stanovení mnoha parametrů, minimální požadavky na přípravu vzorku a také významná úspora chemikálií, skla a energie.

Blízká infračervená spektroskopie (Near Infrared Spectroscopy, NIR) je nedestruktivní moderní analytická metoda využívající interakce mezi dopadajícím zářením a vrstvou materiálu vzorku. Patří do skupiny spektrálních metod. Je založena na interakcích elektromagnetického záření s hmotou, a to zejména takových, které jsou spojeny s výměnou energie mezi hmotou a zářením. Pokud látka absorbuje kvantum záření určitých vlnových délek, zvýší tím svoji vnitřní energii a pak jde o absorpční spektroskopii. V infračervené spektroskopii se tohoto procesu zúčastňuje celá molekula. Infračervená spektroskopie je tedy jednou z metod molekulové spektrometrie.
Infračervená spektrální oblast je vymezena vlnovými délkami 700 nm až 1 000 000 nm. Blízká infračervená spektrální oblast se nachází mezi viditelnou a střední infračervenou spektrální oblastí a je vymezena vlnovými délkami v rozsahu 1100 až 2500 nm. (Schéma: Rozdělení infračervené spektrální oblasti – viz Zemědělec č. 36/2005.)

Každý klasický NIR spektrometr se skládá z vstupního prostoru pro vkládání speciálních měřicích kyvet, z optického systému a transmitančního nebo reflektančního detektoru pro vyhodnocení signálu. Pro všeobecné schéma provádění NIR analýzy platí, že standardně upravený vzorek se nadávkuje do měřicí kyvety, umístí se do přístroje a optickým systémem se snímá NIR spektrum vzorku. S použitím vhodného softwaru je spektrum vzorku převedeno do kalibrační rovnice, ze které se statickými postupy vyhodnotí žádané parametry.

Kalibrace: důležitý nástroj
Kalibrace je jedním ze základních ale nejdůležitějších nástrojů pro výzkum, vývoj a pro kontrolu kvality v každé analytické metodě. Kalibrace je používána pro kvantifikaci neznámého množství hledané látky. V NIR spektroskopii kalibrační rovnice kvantifikuje vztah mezi informací NIR absorpce a hodnotou stanovenou laboratorní referenční metodou (LRM). Metoda NIR je užitečná pouze tehdy, jestliže je vztažena na dostatečně přesnou LRM.
Ideální kalibrační model je vybírán tak, aby dával co nejmenší chybu stanovení (RMSECV) a zároveň nejvyšší korelační koeficient (R2). Kvalitativní parametry našich kalibračních rovnic jsou zobrazeny v tabulkách 1 až 3.

Platnost obecného schématu
Pro obecné schéma pro všechny druhy proměřovaných materiálů (rostlinný materiál, krmné směsi, půdní vzorky) platí: dostatečný počet vzorků zahrnující co nejširší koncentrační a genetickou variabilitu je analyzován referenční metodou (obvykle některý z postupů klasické mokré chemie), poté následně proměřen NIRS technikou. Získaná data jsou použita pro vytvoření kalibračního modelu. Pomocí statistických postupů, které jsou součástí softwarového vybavení přístroje, je ověřena kvalita charakteristik kalibračních rovnic a teprve potom se může přistoupit k měření neznámých vzorků.
Co se týká přípravy vzorků, lze všeobecně říci, že NIR metoda nevyžaduje speciální úpravu a přípravu vzorků pro měření. Přesto je nezbytné dodržet přesné postupy pro sušení, mletí a homogenizaci vzorků. Sušené a mleté vzorky před vlastním měřením vyžadují důkladné promíchání, aby bylo dosaženo maximální homogenity vzorků, která může značně ovlivnit přesnost a správnost měření .

Analýzy v odrůdovém zkušebnictví
Laboratoř NIR spektroskopie jako jediná v rámci všech pracovišť ÚKZÚZ provádí analýzy pro odbor odrůdové zkušebnictví. Výsledky rozborů slouží jako podklady pro administrativní rozhodnutí pro registraci odrůd v České republice.
Kvalitativní parametry vytvořených kalibračních rovnic pro vybrané parametry ve sledovaných plodinách uvádí tabulka 1.

Tab. 1: Kalibrační rovnice (odbor odrůdového zkušebnictví)
Plodina Parametr Chyba stanovení R2
NIR metodou (%)
Pšenice ozimá,
pšenice jarní N- látky 0,3 0,91
Řepka olejka tuk 0,5 0,97
N- látky 0,4 0,98
Kukuřice zrnová N- látky 0,2 0,97

Stanovení parametrů v krmných směsích
Vzorky krmiv se dělí do skupin podle výrobního postupu a koncentračního rozsahu stanovitelných parametrů. Rozlišujeme krmiva typu premixu, kompletní krmné směsi (KKS), doplňkové krmné směsi a jiné. Svým složením se krmivářské vzorky řadí k nejsložitějším matricím v analytické laboratoři. Použití metody NIR jsme zaměřili především na kompletní krmné směsi, které tvoří velmi významný podíl krmivářských vzorků v laboratoři ÚKZÚZ, Brno.
Byly vytvořeny kalibrační rovnice pro N- látky, tuk, vlákninu a škrob. Pro aplikaci NIR spektroskopie v analytice krmiv byly zpočátku testovány kompletní krmné směsi pro prasata, drůbež a králíky. NIR spektra KKS pro králíky však vykazovala odlišnosti v absorbanci a jevila se jako problematická pro zahrnutí do kalibrační rovnice pro všechny tři druhy KKS. Z tohoto důvodu byla kalibrační rovnice vytvořena pouze pro KKS pro drůbež a pro prasata. Kvalitativní parametry kalibračních rovnic pro vybrané parametry ve vzorcích KKS jsou uvedeny v tabulce 2.

Tab. 2: Kalibrační rovnice (KKS)
Parametr Chyba stanovení R2
NIR metodou (%)
N- látky 0,57 0,93
Tuk 0,3 0,98
Vláknina 0,4 0,85
Škrob 1,3 0,91

Sledování uhlíku v lesních půdách
Od roku 1993 se ÚKZÚZ zabývá programem sledování koloběhu živin v lesních ekosystémech. Získané informace slouží jako základ hodnocení stavu lesních porostů v lesním hospodaření. Zjištění role organického uhlíku (Cox) v koloběhu živin a jeho distribuce v jednotlivých vrstvách lesních půd je důležitou součástí tohoto dlouhodobého průzkumu. Z hodnoty Cox bývá velmi často odvozována půdní organická hmota (Soil Organic Matter – SOM), protože přímé kvantitativní určení hodnoty SOM klasickými postupy mokré chemie je problematické. Půdní organická hmota patří mezi významné půdní charakteristiky, je extrémně důležitá pro vodní a nutriční režimy a pro celkovou strukturu půdy. Velmi často se jako další charakteristika půdy používá také poměr uhlíku a dusíku (C:N). Zdá se totiž, že vzájemný poměr uhlíku a dusíku v organickém horizontu lesních půd sehrává klíčovou roli v půdních transformačních procesech dusíku a tím v jeho dostupnosti pro výživu dřevin.
Pro vytvoření kalibračního rovnice byly použity různé půdní vzorky: orná půda, luční půda a lesní půda (organický horizont a minerální horizont). Tyto půdy se liší rozdílnou koncentrací Cox a Ntot . Pro stanovení Cox a Ntot v lesních půdách byly vyvinuty dvě kalibrační rovnice – jedna pro organický horizont a druhá pro minerální horizont. V tabulce 3 jsou zobrazeny výsledky kalibračních rovnic pro stanovení Cox a Ntot v půdách pro organický a minerální horizont.

Tab. 3: Kalibrační rovnice (lesní půda; o – organický horizont, m- minerální horizont)
Parametr Chyba stanovení NIR R2
metodou (%)
Ntot (m) 0,10 0,86
Ntot (o) 0,14 0,90
Cox (m) 1,8 0,94
Cox (o) 3,0 0,91

Závěr
Výsledky uvedené v tomto příspěvku dokazují, že metoda NIR spektroskopie umožňuje rychlou, nedestruktivní a přesnou analýzu vzorků krmiv, rostlinného materiálu a půd. Je optimální pro rutinní stanovení hlavních sledovaných parametrů v krmivech, jako jsou N-látky, tuk, vláknina a škrob. V oblasti odrůdového zkušebnictví byly velmi dobré výsledky dosaženy pro analýzy řepky olejky, pšenice ozimé a jarní a kukuřice zrnové. NIR spektroskopie byla rovněž úspěšně použita na predikování obsahu Cox a Ntot v organickém a minerálním horizontu v lesních půdách.

Komentáře ke článku 1

  • Lorenzová

    Dobrý den,
    ráda jsem si přečetla Váš článek, ale je mi líto, že nemohu najít přístroje, které bychom pořídili do laboratoře praxe pro naše žáky oborů agropodnikání a veterinářství. Jedná se o analyzátor na kontrolu krmiv a pícnin, rychloanalyzátor pro stanovení lepku, analytický přístroj na analýzu tuku v mase.
    Neporadili by jste mi nějakého výrobce? Určitě v tom budou hrát i finanace. K dispozici máme 266 000,- bez DPH.
    S pozdravem Markéta Lorenzová, ředitelka Gymnázia a SOŠ Plasy.

Napsat komentář

Vaše emailová adresa nebude zveřejněna. Vyžadované informace jsou označeny *