Csúcstechnológiás gyorsvizsgálati analitika. Áldás vagy átok?

Említhetnénk itt az okosóráktól elkezdve a hightech funkciókkal ellátott hűtőszekrényeken és mosógépeken át a legmodernebb mezőgazdasági gépekig számtalan eszközt. Megfelelő szakértelemmel rendelkező felhasználó nélkül ezek az eszközök sok esetben még annyit sem érnek, mint elődjeik, hiszen egy téves programválasztás miatt akár az ellenkezőjét is végezheti az eszköz, mint amit szerettünk volna.

Pontosan ilyen problémákkal vagyunk kénytelenek szembesülni a gyakorlatban, amikor az egyre szélesebb körben terjedő közeli-infravörös (NIR) technika jövőbeli lehetőségeit vizsgáljuk. Az elmúlt évtizedben a NIR-spektroszkópia kiszabadult a laboratóriumokból.

A mezőgazdasági termékek szélesebb körű, de még kutatási jellegű NIR spektroszkópiás vizsgálata az 1960-as években kezdődött az Egyesült Államokban. A hazai fejlesztések Kaffka Károly professzor munkássága révén az 1970-es években indultak el. A kanadai gabonakutató hálózat már az 1980-as években olyan megbízhatónak ítélte a NIR-technikával végzett vizsgálatokat, hogy számos kulcsfontosságú paraméter vonatkozásában referenciaként ismerték el a NIR-méréseket. A laboratóriumi alkalmazások köre jelentősen szélesedett a 2000-es évekre, és megjelentek az asztali, kifejezetten a gyakorlat számára gyártott spektrométerek, sokszor száloptikai kiegészítőkkel, melyeket telepeken, gyárüzemekben is lehetett használni, akár a gyártási folyamathoz közel, vagy abba beépítve, mostoha körülmények között, különösebb felügyelet nélkül. Már ekkor hatalmas lendületet kapott a folyamatszabályozás a NIR-technika által pillanatok alatt szolgáltatott eredményekre támaszkodva. A 2010-es években aztán óriási technológiai fejlesztések történtek. Főként a mikroelektro-mechanikus rendszerek megjelenésével a miniatürizáció mellett az eszközök mérési pontossága is ugrásszerűen javult. Éppen ezért napjainkban lehetőség van parányi műszerekkel olyan adatokat rögzíteni, amelyeket 20 éve egy stabil asztali műszerrel tudtunk felvenni a laborban. Ez a technológiai fejlődés olyan lehetőségeket nyitott a felhasználás terén, amelyekről néhány évtizede csak álmodni tudtak a NIR-technika úttörői. Így pl. a gyártási folyamatok állandó ellenőrzésére és optimalizálására folyamatba épített NIR-eszközökkel végzett in-line mérések adnak lehetőséget, melyek a kritikus kémiai és/vagy fizikai paraméterek monitorozása révén segítik a döntéshozatalt – amely sok esetben automatizált. A NIR-technika éppúgy jelen van az alapanyagok átvételénél, kategorizálásánál, ellenőrzésénél, mint a gyártási folyamat irányításában, vagy a végtermékek minőségbiztosításában.

Óhatatlanul eljött az az idő, amikor a NIR-technika nemcsak a laboratóriumból, de a spektroszkópiában jártas szakemberek kezéből is kiszabadult – ez hatalmas lehetőségeket kínál, de számos buktatót is rejt. Ugyanis az, hogy a technika használata végtelenül egyszerű, nem jelenti azt, hogy bárhogy elvégezhetőek a mérések és az eredmények mindig megbízhatóak lesznek. Az 1­. ábra olyan spektrumokat mutat, amelyeket ugyanarról a takarmánymintáról vettek fel, csupán a vizsgálathoz használt kézi NIR-készülék (2. ábra) kezeléséből adódik a jól látható különbség. Készüléke válogatja, hogy melyik mennyire érzékeny a külső fényre, mérés közbeni mozgatásra, a vizsgált minta megfelelő pozícionálására, az üzemi hőmérséklet elérésére és egyéb kritériumokra.

A fentiekben csupán a gyakorlati mérést említettük, de sokkal nagyobb baj történhet, ha már a módszer kalibrálásánál hiba csúszik a rendszerbe, akár a NIR, akár a referenciaadatok oldalán.

A NIR-technika lényege, hogy a nagy elemszámú kalibráló mintakészletről spektrumokat veszünk fel, majd megmérjük az egyes minták referenciaadatait, pl. hagyományos kémiai analízisekkel a beltartalmi jellemzőket (pl. nedvesség, nyersfehérje-, nyerszsír-, nyersrost- és nyershamu-tartalom), majd matematikai modellek segítségével összefüggést állítunk fel a NIR-spektrumok és a referenciaadatok között. Az eredmény egy olyan NIR-modell, amellyel új minták mérése során a spektrumból megbízhatóan meghatározhatóak a beltartalmi jellemzők.

Ha azonban a kalibráció során akár a NIR-adatok, akár a referenciaadatok oldalán hibákat viszünk be a rendszerbe, az számottevően rontja a későbbi alkalmazhatóságot, az eredmények megbízhatóságát.

Nem szabad elfeledkezni arról sem, hogy a méréseket megelőző mintavételi eljárásnak is helyesnek kell lenni. Sohasem szabad szem elől veszíteni a reprezentatív mintavétel szabályait, hiszen csak gondos odafigyeléssel érhetjük el azt, hogy a spektrométer elé kerülő maréknyi, vagy a kémiai analízisbe bekerülő néhány grammnyi minta valós képet mutasson a teljes mintázott tételre vonatkozóan.

További gyakori hiba, hogy nem megfelelő varianciájú adatbázison készül NIR-kalibráció, így a módszer a felhasználás során mért minták bizonyos – modell által lefedett – részére jó eredményt ad, némelyekre – a modell által lefedett szűk tartományon kívüliekre – pedig nagyfokú hibával terheltet.

Mindezekből érzékelhető, hogy a kalibrációfejlesztés és annak kifinomult részletei igen fontosak a jövőbeli alkalmazhatóság szempontjából. A kalibrációfejlesztéssel járó buktatóktól természetesen mentesülhetünk, ha a vizsgálati céljainknak megfelelő kalibrációkat vásárolunk.

Azonban gyakori probléma, hogy egy külföldről érkező kalibráció nem olyan referenciamódszerekre építkezik, amiket itthon megszoktunk, és amelyekhez az eredményeinket viszonyítani tervezzük (pl. ellenőrzési célból, amikor hagyományos nedves kémiai laboratóriumi vizsgálatot kérünk).

A gyakorlatból jól ismert, hogy a tejelő tehenek takarmányadagjában használt tömegtakarmányok (pl. kukoricaszilázs) és a teljes (TMR, total mixed ration) vagy a részleges (PMR, partial mixed ration) takarmánykeverékek táplálóanyag-tartalmának NIR-technikával történő folyamatos értékelése kiemelkedő jelentőséggel bír. Irodalmi adatok szerint, az etetett takarmány-alapanyagok (pl. kukoricaszilázs és lucernaszenázs) egyes kémiai összetevőinek NIR-módszerrel történő becslése nagymértékben függ az adott beltartalmi paramétertől. Így pl. Pérez-Marin és mtsai (2004) a vizsgált takarmányok táplálóanyag-tartalmánál (hagyományos kémiai analízis vs. NIR) a kapcsolaterősséget (R2) 0 és 1 közötti értékkel jellemezték (0 = nincs kapcsolat a vizsgált változók között, 1 = igen szoros kapcsolat mutatható ki), és a következő értékeket kapták: nedvesség- (0,87), nyersfehérje- (0,97), nyerszsír- (0,94), nyersrost- (0,98), nyershamu-tartalom (0,85). Az eredmények nagyon jó megbízhatóságot jelentenek ezen vizsgált paraméterek tekintetében. Egy másik kutatásban a kukoricaszilázs szárazanyag-tartalmának in vitro emészthetőségére vonatkozóan már csak 0,60–0,80 közötti R2 értéket találtak a NIR-technika alkalmazásakor (Lovett és mtsai, 2004). Ehhez hasonlóan a rostfrakciók (neutrális detergens rost-NDF, savdetergens rost-ADF) és a fermentációs paraméterek (pH, tejsav, vajsav) esetében jóval kisebb értékeket mértek
(0,60–0,77 között), ami pl. az ecetsavnál jelentős szélső értéket mutatott (0,10–0,70). Ez a néhány példa is jól mutatja, hogy a NIR-vizsgálati módszer sem képes valamennyi paraméter esetében megbízható eredményt adni. A szarvasmarha-szakspecialistáknak különösen a rostfrakciók (NDF, ADF) és a nem strukturális szénhidrátok (pl. keményítő és cukor) esetében vannak ellentmondásos tapasztalataik, amely táplálóanyag-csoport (strukturális és nem strukturális szénhidrátok) az etetett takarmányadag energiatartalmának akár 70%-át is kitehetik.

A felhasználók hajlandóak elhinni a gyártók és forgalmazók időnként túlzottan optimista szólamait, miszerint a NIR-technikával minden szükséges paraméter vizsgálható.

Fejlesztőként elfogadjuk, hogy sokat akarunk kihozni a NIR-spektroszkópiás alkalmazásokból, viszont ragaszkodnunk kell ahhoz, hogy csakis a realitások talaján maradva tudunk hasznos eszközt „faragni” a NIR-spektrométerekből.

Ellenkező esetben csalódott felhasználók mellett jelentős anyagi veszteségek is megjelenhetnek. Mindezek ellenére nagyon sok pozitív kezdeményezést is látunk az elmúlt időszakból, ami azt prognosztizálja, hogy a NIR-technika – kiszabadulva a laboratóriumokból és a NIR-specialista kutatók kezéből – a megfelelő helyére kerül a gyakorlati szakemberek kezében is.

A cikk szerzője: Dr. Bázár György