Central Analytical Facilities
Welkom by Universiteit Stellenbosch

​​​​Vibrasie Spektroskopie



​Die CAF Vibrasiespektroskopie-eenheid by die Universiteit Stellenbosch in die Wes-Kaap huisves die hiperspektrale beeldingstoerusting wat gebruik kan word om die chemiese, fisiese of biologiese verskille van 'n organiese monster te bepaal.​

Spektroskopie is die studie van hoe elektromagnetiese straling met materie in wisselwerking tree. Infrarooispektroskopie is dus gefokus op die reaksie op die infrarooi spektrale gebied van die elektromagnetiese spektrum. Hierdie gebied kan verdeel word in die naby- (780 – 2500 nm), middel- (2500 – 25 000 nm) en ver infrarooi (25 000 – 1 000 000 nm) streke.

Die instrumente beskikbaar in die Vibrasie-spektroskopie-eenheid funksioneer in die sigbare (400 – 700 nm) en naby-infrarooi (NIR) gebied. Straling, hier na verwys as 'lig', in die NIR-gebied prikkel tipies die vibrasie van die belangrikste X-H-bindings soos CH-H, OH- en N-H op, wat algemene bestanddele van organiese molekules is. Tydens spektroskopie is die invallende lig in wisselwerking met hierdie molekules en verskillende molekules is sensitief vir verskillende golflengtes. Die aangetekende spektra dui aan hoe die invallende lig deur die monster geabsorbeer of verstrooi is, sodat inligting soos die fisiese, chemiese of biologiese verskille van die monster en sy bestanddele versamel kan word.

In konvensionele NIR-spektroskopie word 'n klein gedeelte van die monster geskandeer, en 'n gemiddelde spektrum of voorspellingswaarde word bepaal en as verteenwoordigend van die hele monster geneem. Hierdie inligting is egter moontlik nie 'n ware weerspieëling van die 'nie-geskandeerde streke' van die steekproef nie, veral as die verspreiding van die eiendom heterogeen is. Hiperspektrale beeldvorming (HSI) spreek hierdie beperking van konvensionele spektroskopie aan.

Hiperspektrale beelding kombineer digitale beelding met spektroskopie. In teenstelling met konvensionele NIR-spektroskopie, word die hele monster ontleed en afgebeeld. Die HSI-kamera neem die aaneenlopende spektrale inligting op vir tot 'n paar honderd spektrale bande vir elke pixel in die beeld. Die hiperspektrale beeld wat gevorm word, bestaan dus uit 'n stapel van etlike honderde 2-D ruimtelike beelde van dieselfde monster. Elke laag verteenwoordig 'n smal golflengteband en deur die lae te stapel word 'n volledige spektrum (bv. 700 – 1000 nm) vir elke pixel gevorm. Die versameling spektrale lae staan bekend as die hiperkubus. Hierdie unieke spektrale handtekening of vingerafdruk van elke pixel in die beelde vergemaklik die opsporing van subtiele verskille in spektra tussen pixels. Studie van hierdie spektrale verskille maak dit moontlik om verskeie komponente gelyktydig te ondersoek en kan gebruik word om die chemiese samestelling en verspreiding, en die fisiese eienskappe van die monster op te los.

Aangesien hiperspektrale beelde 'n groot datastel bevat, kan dit uitdagend wees om betekenisvolle inligting te ontleed en te onttrek. Die toepassing van chemometrie laat die vermindering van die datastel toe, terwyl belangrike spektrale inligting behou word en belangrike kenmerke van 'n beeld identifiseer. Meerveranderlike beeldanalise maak dit dus moontlik om die eienskappe van die monster wat ondersoek word, te korreleer met die hiperspektrale beeld.

Die voordeel van die gebruik van HSI is dat hierdie tegniek vinnig, akkuraat is en toelaat dat monsters nie-vernietigend en nie-indringend ontleed word met minimum of geen monstervoorbereiding nie. Hierdie tegnologie het toepassings oor 'n breë spektrum van velde met toepassings gerapporteer vir voedselkwaliteit en -veiligheid, mediese, landbou, argeologiese, paleontologiese en die farmaseutiese industrieë.

Die eenheid wat in die Departement Voedselwetenskappe geleë is, is toegerus met twee stelsels; 'n Sigbare Naby Infrarooi (VNIR) en Kortgolf Infrarooi (SWIR) beeldingstelsel wat onderskeidelik in die 400 – 1000 nm en die 950 – 2500 nm spektrale reeks werk. Gebruikers het die opsie om monsters in die reflektansie- of transmissiemodus af te beeld. Elke opstelling het sy eie LabRack met monsterverskuiwingstadium. 'n Verskeidenheid lense is ook beskikbaar vir gebruik. Vier toegewyde rekenaars met die Evince- en Breeze-sagteware is beskikbaar vir die verkryging van beelde en vir data-analise en verwerking.

Kliënte van beide die akademie en die industrie is welkom om van die beskikbare toerusting in hierdie eenheid gebruik te maak.

Toerusting beskikbaar in die eenheid

​Die eenheid huisves die volgende instrumente:

  • HySpex VNIR-1800 vir reflektansiebeelding
  • HySpex SWIR-384 vir weerkaatsingsbeelding
  • HySpex dubbele VNIR/SWIR vir transmissiebeelding
  • VNIR 30 cm, 1 m en mikroskooplens
  • SWIR 30 cm, 1 m en mikroskooplens
  • Breeze en Evince sagteware (Prediktera) vir die vaslegging van beelde en chemometriese data-analise

 

Verdere leeswerk:

Manley M (2014).  Near-infrared spectroscopy and hyperspectral imaging: non-destructive analysis of biological materials.  Chemical Society Reviews 43: 8200

Sendin, K., Williams, P.J. & Manley, M. (2016). Near infrared hyperspectral imaging in quality and safety evaluation of cereals. Critical Reviews in Food Science and Nutrition, 1-16.