Spektroskopia w 8 prostych krokach

Spektroskopia to pasja Hermana Veddera, który pracuje w AgroCares. Spędził 35 lat wykorzystując i rozwijając technologię do analizy próbek paszy, gleby lub liści. Przez lata specjalizował się w systemach Near-InfraRed (NIR). Dziś wraz z dr Milą Lulevą i Thomasem Terhoevenem-Urselmansem jest odpowiedzialny za rozwój dwóch produktów AgroCares opartych na spektroskopii: skanera i Lab-In-A-Box (LIAB). W tym artykule Herman wyjaśnia tajniki spektroskopii, NIR i ich związek z testowaniem gleby i innowacjami w rolnictwie.

Czym dokładnie jest spektroskopia?

Spektroskopia jest dziedziną nauki zajmującą się wzajemnym oddziaływaniem materii i promieniowania elektromagnetycznego. Kiedy materia ma kontakt z określonym promieniowaniem elektromagnetycznym, reaguje różnym promieniowaniem elektromagnetycznym. Spektroskopia mierzy i bada te promieniowanie. Dzięki tym analizom naukowcy mogą scharakteryzować materię, którą chcą zbadać.

Czym jest promieniowanie elektromagnetyczne?

Wszyscy znają promieniowanie elektromagnetyczne. Najczęstszym przykładem promieniowania elektromagnetycznego jest światło widzialne, ale istnieje zakres promieniowania wykraczający poza to, co możemy zobaczyć: mikrofale, podczerwień lub promienie rentgenowskie. Są one klasyfikowane według częstotliwości. Jeśli jako punkt odniesienia przyjmiemy światło widzialne, przykładem promieniowania o niskiej częstotliwości jest podczerwień, a przykładem promieniowania o wysokiej częstotliwości są promienie rentgenowskie. Wszystkie promieniowania elektromagnetyczne są zbierane w spektrum elektromagnetycznym. W AgroCares pracujemy zarówno z promieniami podczerwonymi, jak i rentgenowskimi.

Promieniowanie podczerwone a rentgenowskie

Są to różne źródła promieniowania i nie dają tych samych informacji. Za pomocą podczerwieni patrzymy na poziom molekularny, a za pomocą promieni rentgenowskich na poziom atomowy. Obie techniki są różne i łączymy je w celu przeprowadzenia dokładnych analiz.

Podczerwień, bliska podczerwień (NIR) i średnia podczerwień (MIR)

Techniki podczerwieni pozwalają na badanie molekuł za pomocą spektrometru. Spektrometr pełni dwie role. Po pierwsze, wysyła sygnał podczerwieni do próbki. Następnie rejestruje sygnał podczerwieni powracający z próbki. Drugi sygnał jest inny niż pierwszy, ponieważ części sygnału są pochłaniane przez próbkę. Z otrzymanego sygnału możemy określić, jakie cząsteczki są obecne w próbce i w jakiej ilości. Nie wszystkie sygnały mogą być wykryte przez wszystkie spektrometry. W Agrocares opracowaliśmy skaner wykorzystujący zakres podczerwieni zwany bliską podczerwienią (NIR) oraz narzędzie zwane Lab-In-A-Box wykorzystujące większy zakres podczerwieni zwany Mid-Infrared (MIR).

Promieniowanie rentgenowskie i fluorescencja promieni rentgenowskich (XRF)

Przy użyciu promieni rentgenowskich obserwujemy poziom atomowy przy użyciu technik fluorescencji promieni rentgenowskich (XRF). Koncepcja jest podobna do podczerwieni: wysyłamy sygnał do próbki i mierzymy sygnał, który próbka wysyła z powrotem. Jednak reakcja próbki na promieniowanie rentgenowskie jest inna niż na podczerwień: to nie cząsteczki, ale atomy reagują, gdy są napromieniowane. Zmiana struktury elektronów w wewnętrznej powłoce atomów wyzwala emisję promieniowania fotonowego. Zbieranie uwolnionych fotonów powoduje promieniowanie fluorescencyjne. Każdy element związany jest z określoną długością fali i energią promieniowania fluorescencyjnego, a jego stężenie jest obliczane na podstawie intensywności fluorescencji.

Spektroskopia – jakie są końcowe wyniki analizy gleby?

Zarówno metoda podczerwieni, jak i metoda XRF mierzą całkowitą ilość pierwiastków obecnych w próbce. W AgroCares opracowane przez nas narzędzia mogą mierzyć zawartość makroskładników odżywczych, takich jak N, P, K, S, Ca, Mg, ale także mikroskładniki odżywcze, CEC, pH i materię organiczną.

Dlaczego technologie spektroskopii są istotne dla badań gleby?

Są one istotne, ponieważ sprawiają, że badania gleby są znacznie szybsze i bardziej przystępne cenowo niż laboratoria chemii mokrej. Narzędzia takie jak skaner lub Lab-In-A-Box (LIAB) mogą być przenoszone bezpośrednio na pole lub w jego pobliżu, tak aby wszyscy rolnicy mieli dostęp do usług testowania gleby. Ponieważ technologia jest szybsza można przeanalizowanych kilka próbek z tego samego pola. Przykładowo LIAB potrzebuje tylko 2 godzin na przygotowanie i przetworzenie próbki. Dziennie można przebadać aż do 50 próbek. Jest to istotne dla rolników, ponieważ potrzebują usług, które są szybkie, bliskie, przystępne cenowo i dokładne. Konwencjonalne laboratoria po prostu nie mogą tego zaoferować.

Spektroskopia – co sprawia, że rozwiązania AgroCares są wyjątkowe?

AgroCares jest najprawdopodobniej jedyną firmą, która bezpośrednio łączy ośrodek badawczy spektroskopii z użytkownikami końcowymi. Obecnie większość firm budujących narzędzia spektroskopowe do analizy gleby, paszy lub liści sprzedaje je wyłącznie do laboratoriów. W AgroCares opracowujemy nasze produkty wewnętrznie, szkolimy naszych klientów, jak z nich korzystać, przetwarzamy zebrane dane i przekazujemy zalecenia użytkownikom końcowym za pośrednictwem aplikacji. Dzięki aktywności w całym łańcuchu testowania gleby jesteśmy w stanie zaprojektować technologię bezpośrednio na potrzeby rolników. Rezultatem dla klientów jest rozwiązanie typu „plug and play”. Ponieważ system jest już skalibrowany, próbki mogą być analizowane bezpośrednio po instalacji systemu. Jest to całkiem wyjątkowe.