24 Marzo 2021

Spettroscopia nel medio infrarosso MIR

Università di Piacenza

La
spettroscopia è un tipo di analisi che si basa sull’interazione fra radiazioni
elettromagnetiche e materia; in particolare la spettroscopia permette di
ricavare informazioni quantitative e qualitative su una sostanza irradiata
basandosi su natura ed intensità di onde elettromagnetiche che la sostanza è in
grado di emettere o di assorbire. Nel caso in cui una sostanza, irradiata da
onde elettromagnetiche, emetta delle altre onde si parla di spettrofotometria
di emissione, mentre nel caso di assorbimento si parla di spettrometria di
assorbimento (detta anche spettrofotometria). La base teorica di questa
interazione onda elettromagnetica -materia si basa sul fatto che sia l’onda
elettromagnetica sia la materia si possono comportare sia come onda che come
particella. In particolare, l’onda elettromagnetica si propaga ad alta velocita
ed è risultante della sovrapposizione di un campo elettrico ed un campo magnetico
ortogonali e mutualmente accoppiati; la risultante dei due campi dà all’onda un
andamento sinusoidale nello spazio e nel tempo. La lunghezza d’onda è lo spazio
fra due creste o due gole dell’onda stessa, mentre la frequenza è il numero di
massimi e minimi che possono essere misurati nell’unità di tempo.

La
radiazione infrarossa è un particolare tipo di radiazione elettromagnetica con
banda di frequenza maggiore delle onde radio ma minore della luce visibile che
va da 0.78 a 1000 µm. Generalmente la radiazione infrarossa viene divisa in tre
zone, e cioè il vicino infrarosso (NIR, lunghezza d’onda fra 0.78 e 3 µm), il
medio infrarosso (MIR, lunghezza d’onda fra 3 e 60 µm) e lontano infrarosso
(FIR, sopra 60 µm) (Brown e Poon, 2010). 
La radiazione infrarossa viene utilizzata secondo il principio generale
descritto precedentemente, cioè facendo interagire la materia da analizzare con
l’onda elettromagnetica. I vari componenti della sostanza analizzata hanno le
loro specifiche energie vibrazionali e, seguendo la teoria quantistica, possono
passare ad un livello vibrazionale superiore solo assorbendo una specifica
quantità di energia; quindi per ogni componente della sostanza, solo una
particolare lunghezza dell’onda dell’emissione infrarossa gli permetterà di
acquisire quell’energia che gli permette di passare ad un livello energetico
superiore. A livello di spettro, ci sarà per quella sostanza un picco di
assorbimento unico ad una determinata lunghezza d’onda che si associa alla
presenza del componente specifico. Così facendo, rilevando gli spettri di
assorbimento della radiazione infrarossa, si sarà in grado di rilevare la
presenza, nella materia analizzata, delle sostanze presenti. In pratica quello
che si ottiene è un grafico di assorbimento dell’energia rispetto alle varie
lunghezze d’onda (Pellizzon et al. 2006).

Gli
strumenti utilizzati per l’analisi spettroscopica infrarossa si riconducono a
due tipologie: dispersivi, dove esiste un elemento che disperde sequenzialmente
le onde magnetiche, e quelli cosiddetti “a trasformata di Fourier” (di seguito
indicata con FT), che sono in grado di acquisire, tramite uno strumento detto
“interferometro di Michelson”, in maniera contemporanea tutta la gamma degli
assorbimenti. La grandissima parte degli strumenti di spettrofotometria
infrarossa utilizzano la tecnologia FT.

Per
quanto riguarda il tipo di infrarosso utilizzato, nella spettrometria analitica
i range spettrali più usati sono il NIR ed il MIR, che hanno una capacità di
analisi diversa. Il NIR infatti presenta spettri dove si ha la sovrapposizione
di più bande in quanto le energie proprie di questa categoria di radiazioni
elettromagnetiche non sono esattamente nelle bande delle vibrazioni molecolari,
caratteristica che invece hanno le onde nel campo MIR: questo comporta una
maggiore chiarezza analitica utilizzando le onde MIR. Inoltre,nella tecnica NIR
si ha una maggiore diffusione di luce rispetto alla tecnica MIR, per cui gli
spettri NIR sono molto più influenzabili da fattori presenti nella sostanza da
analizzare che interagiscono con la diffusione della luce, come ad esempio la
presenza di acqua. Proprio per questo l’analisi spettroscopica MIR viene
utilizzata per l’analisi di sostanze in matrice liquida quali ad esempio il
latte.

Queste
innovative tecnologie analitiche stanno aprendo nuove frontiere nella gestione
degli allevamenti , nell’esercizio della professione veterinaria e zootecnica e
per la selezione genetica. Un esempio può essere la capacità di rilevare, oltre
ai componenti classici del latte (contenuto in grasso e in proteina, urea,
lattosio, ecc) anche alcuni biomarkers del latte come il BHB (Acido
Betaidrossibutirrico) che è indicatore di chetosi o gli acidi grassi del latte;
va anche ricordata la possibilità offerta dal MIR di quantificare, anche ai
fini certificativi, la presenza nel latte di acidi grassi polinsaturi omega 3 e
di CLA che hanno un sicuro e dimostrato effetto positivo sulla salute umana; il
MIR è stato anche utilizzato per rilevare ad esempio le proprietà coagulative
del latte con tecnica lattodinamografica (Cecchinato et al. 2009) e per la
composizione della proteina (Bonfatti et al., 2011)

La
rete laboratori dell’Associazione Italiana Allevatori utilizza di routine
spettrofotometri MIR per l’analisi quanti - qualitativa del latte dei campioni
rilevati nel controllo funzionale, producendo risultati analitici per i
principali componenti del latte. L’attività innovativa che sarà effettuata nel
progetto LEO consisterà nella costituzione di una “banca degli spettri” dove
poter conservare queste preziose informazioni. Solitamente la routine degli
strumenti analitici MIR consiste nella cancellazione degli spettri alla fine
del ciclo analitico, allo scopo di liberare memoria per gli spettri successivi.
L’Associazione Italiana Allevatori, per costituire una “banca degli spettri”,
ha trovato un accordo di collaborazione con la ditta produttrice FOSS che ha
messo a disposizione un software chiamato MOSAIC, che permette agli strumenti
analitici MIR di ognuno dei laboratori accreditati AIA che effettuano analisi
di inviare gli spettri rilevati, in formato json, ad un’area FTP cloud di FOSS
dalla quale saranno a disposizione come base per future analisi che potranno in
prospettiva identificare possibili correlazioni tra alcuni punti degli spettri
e altri parametri o fenotipi. Specifiche calibrazioni MIR, sviluppate per la
strumentazione utilizzata nei programmi di controllo funzionale delle
popolazioni bovine da latte, permetterebbero di estendere le predizioni anche a
caratteristiche complesse, non misurabili su larga scala con le metodiche
analitiche di riferimento, senza presentare quindi nessun costo aggiuntivo di
analisi. Considerando il numero di analisi del latte, che mediamente si aggira
nell’ordine dei 10-15 milioni / anno, appare chiaro come in un periodo di pochi
anni si avrà a disposizione una quantità elevatissima di informazioni dagli
spettri MIR.

Bibliografia

Bonfatti V., Di Martino G., and
Carnier P., “Effectiveness of mid-infrared spectroscopy for the prediction of
detailed protein composition and contents of protein genetic variants of
individual milk of Simmental cows”, Journal of Dairy Science, 94, 2011, pp.
5776–5785 Brown W., Poon T., “Introduzione alla chimica organica, terza
edizione”, Edises, Napoli, 2010

Brown
W., Poon T., “Introduzione alla chimica organica, terza edizione”, Edises,
Napoli, 2010

Cecchinato A., De Marchi M., Gallo
L., Bittante G., Carnier P., “Mid-infrared spectroscopy predictions as
indicator traits in breeding programs for enhanced coagulation properties of
milk”, Journal of Dairy Science, 92, 2009, pp. 5304-5313

Pellizon
Birelli M., Fazio G., “La spettroscopia di assorbimento infrarosso, una tecnica
analitica per la caratterizzazione chimico fisica dei materiali”, Enco -
Engineering Concrete, Ponzano Veneto (TV), 2006

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