Estudo da potencialidade da espectroscopia de infravermelho próximo na análise de cabelo utilizando ferramentas quimiométricas para diferenciar fumantes de não fumantes

This paper investigates the potential of near infrared spectroscopy (NIR) for forensic analysis of human hair samples in order to differentiate smokers from nonsmokers, using chemometric modeling as an analytical tool. We obtained a total of 19 hair samples, 9 smokers and 10 nonsmokers varying gender, hair color, age and duration of smoking, all collected directly from the head of the same great Natal-RN. From the NIR spectra obtained without any pretreatment of the samples was performed an exploratory multivariate chemical data by applying spectral pretreatments followed by principal component analysis (PCA). After chemometric modeling of the data was achieved without any experimental data beyond the NIR spectra, differentiate smokers from nonsmokers, by demonstrating the significant influence of tabacco on the chemical composition of hair as well as the potential of the methodology in forensic identification

1º Workshop de Aplicações de Espectroscopia NIR e Quimiometria em Análise de Solos: Embrapa Solos - Rio de Janeiro de 04 a 05 de dezembro de 2014.

O presente texto visa documentar os resumos de oito palestras ministradas no 1º Workshop de Aplicações de Espectroscopia NIR e Quimiometria em Análise de Solos. Os principais temas abordados neste texto são: (1) preparo de amostras de solo para Espectroscopia NIR; (2) técnicas quimiométricas aplicadas à espectroscopia NIR; (3) desenvolvimento e validação de métodos multivariados em espectroscopia NIR; (4) figuras de mérito em análise multivariada; e (5) aplicação da espectroscopia NIR em matrizes de interesse agronômico.

Identificação da formação de titanato de bário a partir de mistura reacional calcinada em diferentes temperaturas via difração de raios X, espectroscopia fotoacústica e análise térmica

Os materiais ferroelétricos têm sido utilizados em muitas áreas da tecnologia e da ciência, pois possuem um grande número de aplicações, como: sensores; transdutores; capacitores; dispositivos ópticos; dentre outras. A busca por novos materiais cerâmicos ferroelétricos tem sido grande. Um dos materiais cerâmicos ferroelétricos mais estudados é o titanato de bário (BT). São vários os métodos de produção e caracterização do titanato de bário. Neste trabalho, pós cerâmicos de titanato de bário foram obtidos por reação do estado sólido a partir de misturas reacionais calcinadas em diferentes temperaturas entre 400C e 900C. Foram três as misturas reacionais: não dopadas; dopadas com 1%; e dopadas com 5% de dióxido de cério (CeO2). A identificação da formação do BT, nos pós cerâmicos produzidos, foi feita a partir de três técnicas de caracterização: difração de raios X (DRX); espectroscopia fotoacústica (PAS); e técnicas de análise térmica. Com a técnica DRX, difratogramas mostraram que a plena formação do titanato de bário ocorreu a partir da temperatura de calcinação de 700C. Para a amostra não dopada com cério e calcinada a 800C, houve deslocamento de todos os picos de difração. Nas amostras dopadas com dióxido de cério houve deslocamento de todos os picos de difração, em relação as amostras não dopadas. Observou-se também que nas amostras dopadas com 5% de CeO2, e calcinadas a 700C e 800C, resíduos de dióxido de cério foram observados nos difratogramas. Com a técnica PAS, espectros de absorção foram obtidos. Foi possível observar uma grande diferença de absorção da amostra calcinada a 600 e 630C, indicando a formação do titanato de bário a partir da temperatura de 630C, nas amostras sem a dopagem dióxido de cério. Houve um alargamento nas bandas de absorção a partir da temperatura de 600C, quando o dióxido de cério entrou na matriz. Foi também possível determinar as energias de band-gap das amostras utilizando o método de Tauc. Com as técnicas de análise térmica, em especial através da técnica termogravimétrica (TG/DTG), foi comprovado que até 400C não havia formação de titanato de bário. Visto que nesta temperatura de calcinação houve a maior perda de massa durante a rampa de aquecimento. O início da formação do titanato de bário foi observado a partir da temperatura de calcinação de 500C, assim como nas técnicas DRX e PAS. Portanto, com os resultados apresentados, foi demonstrada a identificação da formação do titanato de bário nas misturas reacionais calcinadas, com auxílio das potencialidades das três técnicas utilizadas.

Avaliação do desempenho de modelos para previsão da proteína bruta e da digestibilidade da vagem da algaroba usando espectroscopia NIR.

Objetivou-se desenvolver modelos para prever a concentração de proteína bruta (PB) e a digestibilidade in vitro da matéria seca (DIVMS) deste alimento por meio da espectroscopia NIR avaliando duas formas de preparação da amostra e dois equipamentos NIR. Conclui-se, que modelos desenvolvidos com espectros de vagem de algaroba pré-secas e moídas, tanto em equipamento Perten quanto em FOSS, foram considerados confiáveis e com desempenho superior àqueles desenvolvidos com amostras frescas.

Uso da espectroscopia do infravermelho próximo e técnicas multivariadas para diferenciar escherichia coli e salmonella enteritidis inoculadas em polpa de fruta (abacaxi)

Aiming to consumer s safety the presence of pathogenic contaminants in foods must be monitored because they are responsible for foodborne outbreaks that depending on the level of contamination can ultimately cause the death of those who consume them. In industry is necessary that this identification be fast and profitable. This study shows the utility and application of near-infrared (NIR) transflectance spectroscopy as an alternative method for the identification and classification of Escherichia coli and Salmonella Enteritidis in commercial fruit pulp (pineapple). Principal Component Analysis (PCA), Independent Modeling of Class Analogy (SIMCA) and Discriminant Analysis Partial Least Squares (PLS-DA) were used in the analysis. It was not possible to obtain total separation between samples using PCA and SIMCA. The PLS-DA showed good performance in prediction capacity reaching 87.5% for E. coli and 88.3% for S. Enteritides, respectively. The best models were obtained for the PLS-DA with second derivative spectra treated with a sensitivity and specificity of 0.87 and 0.83, respectively. These results suggest that the NIR spectroscopy and PLS-DA can be used to discriminate and detect bacteria in the fruit pulp

Potencial da espectroscopia no infravermelho próximo para distinção de carvão de madeira de Eucalyptus e nativa

The objective of this study was to evaluate the potential of near infrared spectroscopy (NIRS) associated with multivariate statistics to distinguish coal produced from wood of planted and native forests. Timber forest species from the C errado (Cedrela sp., Aspidosperma sp., Jacaranda sp. and unknown species) and Eucalyptus clones from forestry companies (Vallourec and Cenibra) were carbonized in the final temperatures of 300, 500 and 700°C. In each heat treatment were carbonized 15 specimens of each vegetal material totaling 270 samples (3 treatments x 15 reps x 6 materials) produced in 18 carbonization (3 treatments x 6 materials). The acquisition of the spectra of coals in the near infrared using a spectrometer was performed. Principal Component Analysis (PCA) and Partial Least Squares Regression (PLS-R) were carried out in the spectra. NIR Spectroscopy associated with PCA was not able to differentiate charcoals produced from native and planted woods when utilizing all carbonized samples at different temperatures in the same analysis; The PCA of all charcoals was able to distinguish the samples depending on temperature in which they were carbonized. However, the separation of native and planted charcoal was possible when the samples were analyzed separately by final temperature. The prediction of native or planted classes by PLS-R presented better performance for samples carbonized at 300°C followed by those at 500°C, 700°C and for all together.

Avaliação de recursos genéticos agrícolas: análise nutricional e anti-nutricional de variedades regionais de feijão (Phaseolus vulgaris L.)

O presente trabalho teve como objectivo proceder à avaliação da qualidade nutricional de 20 variedades regionais de Phaseolus vulgaris L. e à análise comparativa dos parâmetros bioquímicos (nutricionais e anti-nutricionais) obtidos recorrendo às técnicas analíticas convencionais por química molhada e de NIRS (Near Infra-Red Spectroscopy). Uma tipificação das variedades regionais de feijão foi realizada recorrendo a sete parâmetros ou caracteres (traits) nutricionais compreendidos em humidade, proteína bruta, lípidos totais, açúcares solúveis, amido, cinzas e minerais. A faseolamina foi incluída na tipificação do feijão como parâmetro anti-nutricional enquanto inibidor de enzimas digestivas. A variedade que apresentou uma melhor qualidade nutricional foi o feijão vermelho (ISOP 00724), enquanto que o feijão Filipe (ISOP 00478) apresentou uma maior actividade inibitória da PPA (amilase do pâncreas suíno), contribuindo de igual forma como uma característica de qualidade deste feijão. A aplicação de técnicas de quimiometria na quantificação dos vários parâmetros de qualidade nutricional, através da técnica de NIRS, permitiu o desenvolvimento dos modelos PLS globais após a colecção dos valores de referência e obtenção dos respectivos espectros de cada ISOP em análise. A análise comparativa dos parâmetros nutricionais, recorrendo às técnicas analíticas convencionais por química molhada e de NIRS, permitiu relacionar os parâmetros cinzas e proteína bruta como os principais critérios nutricionais para distinção das variedades regionais quanto à sua qualidade, ao diferirem significativamente relativamente aos parâmetros restantes. A partir destas duas técnicas, conclui-se que a espectroscopia NIR associada a técnicas de análise multivariada consegue quantificar os parâmetros em estudo, permitindo distinguir amostras das variedades regionais, quanto às suas características nutricionais, exigindo uma preparação reduzida da amostra, com consequente custo de análise muito reduzido. Este trabalho representou o início de uma base de fenotipagem a partir de caracteres nutricionais, estabelecendo-se um perfil das variedades regionais de feijão e avaliação da importância dos caracteres na sua distinção e tipagem.

Ferramentas quimiométricas aplicadas a classificação de amostras de leite em pó e quantificação de proteínas

In this work we used chemometric tools to classify and quantify the protein content in samples of milk powder. We applied the NIR diffuse reflectance spectroscopy combined with multivariate techniques. First, we carried out an exploratory method of samples by principal component analysis (PCA), then the classification of independent modeling of class analogy (SIMCA). Thus it became possible to classify the samples that were grouped by similarities in their composition. Finally, the techniques of partial least squares regression (PLS) and principal components regression (PCR) allowed the quantification of protein content in samples of milk powder, compared with the Kjeldahl reference method. A total of 53 samples of milk powder sold in the metropolitan areas of Natal, Salvador and Rio de Janeiro were acquired for analysis, in which after pre-treatment data, there were four models, which were employed for classification and quantification of samples. The methods employed after being assessed and validated showed good performance, good accuracy and reliability of the results, showing that the NIR technique can be a non invasive technique, since it produces no waste and saves time in analyzing the samples

Espectroscopia no infravermelho próximo e métodos de calibração multivariada aplicados à determinação simultânea de parâmetros bioquímicos em plasma sanguíneo

In this work, the quantitative analysis of glucose, triglycerides and cholesterol (total and HDL) in both rat and human blood plasma was performed without any kind of pretreatment of samples, by using near infrared spectroscopy (NIR) combined with multivariate methods. For this purpose, different techniques and algorithms used to pre-process data, to select variables and to build multivariate regression models were compared between each other, such as partial least squares regression (PLS), non linear regression by artificial neural networks, interval partial least squares regression (iPLS), genetic algorithm (GA), successive projections algorithm (SPA), amongst others. Related to the determinations of rat blood plasma samples, the variables selection algorithms showed satisfactory results both for the correlation coefficients (R²) and for the values of root mean square error of prediction (RMSEP) for the three analytes, especially for triglycerides and cholesterol-HDL. The RMSEP values for glucose, triglycerides and cholesterol-HDL obtained through the best PLS model were 6.08, 16.07 e 2.03 mg dL-1, respectively. In the other case, for the determinations in human blood plasma, the predictions obtained by the PLS models provided unsatisfactory results with non linear tendency and presence of bias. Then, the ANN regression was applied as an alternative to PLS, considering its ability of modeling data from non linear systems. The root mean square error of monitoring (RMSEM) for glucose, triglycerides and total cholesterol, for the best ANN models, were 13.20, 10.31 e 12.35 mg dL-1, respectively. Statistical tests (F and t) suggest that NIR spectroscopy combined with multivariate regression methods (PLS and ANN) are capable to quantify the analytes (glucose, triglycerides and cholesterol) even when they are present in highly complex biological fluids, such as blood plasma

Uso da espectroscopia do infravermelho próximo (NIR) como método não destrutivo para a discriminação de aguardentes de cana-de-açúcar produzidas no Estado de São Paulo e Minas Gerais, e predição do teor de etanol

Pós-graduação em Alimentos e Nutrição - FCFAR

Empleo de la espectroscopia VIS NIR para la identificación de trazas de cacahuete en productos alimentarios en polvo

En el mundo existen ciertos grupos de población que muestran una hipersensibilidad a determinados alimentos, y cuya ingestión accidental desencadena, una respuesta del tipo “shock” anafiláctico. Esto ha obligado a las empresas alimentarias a estudiar de forma exhaustiva la gestión del riesgo de todos sus productos. El cacahuete es uno de los principales alérgenos en la industria. La espectroscopia NIR se ha utilizado recientemente para analizar la cantidad total de aceite y ácido grasos en cacahuete intacto (Sudaram y colaboradores, 2012). El objetivo de este trabajo es estudiar métodos no destructivos basados en espectroscopia para la detección de trazas de cacahuete en alimentos en polvo, como complemento al método genético reacción en cadena de la polimerasa en tiempo real (Real Time -PCR) desarrollado por el grupo de investigación TRADETBIO de la UCM, en el marco de colaboración en el Campus de Excelencia Internacional Moncloa. Los materiales utilizados fueron cacahuetes de cinco variedades de origen geográfico distinto y sometidas a diferentes tratamientos, proporcionadas por el Instituto de Materiales de Referencia CE, así como leche en polvo, cacao, harina de trigo, y cacahuete de diferentes marcas comerciales. Para todos ellos, se adquirieron dos series de espectros: en el infrarrojo cercano NIR (896-1686 nm), y los extraídos de imágenes hiperespectrales HIS (400-1000nm). La espectroscopia VIS se mostró sensible a las diferencias en el cacahuete en cuanto a su origen y/o tratamiento, ya que inducen cambios en el color, siendo inviable la separación entre los cacahuetes blanqueados, la leche y la harina en esta región espectral. Las principales diferencias entre los cacahuetes y el resto de ingredientes alimentarios se han encontrado en el rango NIR, específicamente en las longitudes de onda de (1207-1210 nm), relacionadas con una región de absorción de los lípidos. El infrarrojo permite 100% de segregación de cualquier tipo de cacahuete respecto al resto de los ingredientes alimentarios. La espectroscopia NIR combinada con las técnicas de imagen (hiperespectral o multiespectral) podría por tanto, ser aplicado para detectar trazas de cacahuetes en alimentos en polvo, no influyendo su origen y/o tratamiento, ya que es capaz de separar cualquier cacahuete del resto de los ingredientes alimentarios. Este método podría ser una técnica de cribado previo al método PCR de elevado coste.

Utilização da espectroscopia no infravermelho próximo para o controle de qualidade do camarão (Litopenaeus vannamei)

This work was developed with the objective of proposing a simple, fast and versatile methodological routine using near-infrared spectroscopy (NIR) combined with multivariate analysis for the determination of ash content, moisture, protein and total lipids present in the gray shrimp (Litopenaeus vannamei ) which is conventionally performed gravimetrically after ashing at 550 ° C gravimetrically after drying at 105 ° C for the determination of moisture gravimetrically after a Soxhlet extraction using volumetric and after digestion and distillation Kjedhal respectively. Was first collected the spectra of 63 samples processed boiled shrimp Litopenaeus vannamei species. Then, the determinations by conventional standard methods were carried out. The spectra centered average underwent multiplicative scattering correction of light, smoothing Saviztky-Golay 15 points and first derivative, eliminated the noisy region, the working range was from 1100,36 to 2502,37 nm. Thus, the PLS models for predicting ash showed R 0,9471; 0,1017 and RMSEP RMSEC 0,1548; Moisture R was 0,9241; 2,5483 and RMSEP RMSEC 4,1979; R protein to 0,9201; 1,9391 and RMSEP RMSEC 2,7066; for lipids R 0,8801; 0,2827 and RMSEP RMSEC 0,2329 So that the results showed that the relative errors found between the reference method and the NIR were small and satisfactory. These results are an excellent indication that you can use the NIR to these analyzes, which is quite advantageous, since conventional techniques are time consuming, they spend a lot of reagents and involve a number of professionals, which requires a reasonable runtime while after the validation of the methodology execution using NIR reduces all this time to a few minutes, saving reagents, time and without waste generation, and that this is a non-destructive technique.

Espectroscopia no infravermelho próximo para a quantificação de carbono em solos da bacia do Acre.

Diversas técnicas analíticas podem ser usadas na determinação carbono do solo, predominando no Brasil métodos baseados na oxidação da matéria orgânica na presença de dicromato de potássio em meio ácido ou na análise elementar. O objetivo deste trabalho foi avaliar a viabilidade da estimativa do teor de carbono em solos da bacia do Acre por meio de espectroscopia NIR combinada com calibração por análise multivariada. Foram utilizadas 190 amostras de solos, coletadas em diversas localidades da bacia do Acre, para testar a espectroscopia NIR na determinação de teor de carbono no solo, comparativamente aos métodos de oxidação por dicromato em meio ácido e a análise elementar. Tomando-se como referência o método do analisador elementar, verifica-se que o método da oxidação recuperou, em média, 63,8 % do carbono determinado pelo método de referência. Sugere-se que para determinação do teor total de carbono solo a partir do método da oxidação seja adotado o coeficiente de 1,55 para corrigir os valores para o total de carbono do solo. Quanto ao uso da espectroscopia NIR, o modelo desenvolvido para análise de carbono de solos da bacia do Acre por espectroscopia NIR apresentou classificação boa segundo os valores de R e classificação excelente segundo os valores de RMSEC < RMSEP e RPD, tendo como referência o carbono determinado pelo método da análise elementar.

Aplicações de métodos quimiométricos e de técnicas analíticas em amostras alimentícias e farmacêuticas

Esse trabalho compreende dois diferentes estudos de caso: o primeiro foi a respeito de um medicamento para o qual foi desenvolvida uma metodologia para determinar norfloxacino (NOR) por espectrofluorimetria molecular e validação por HPLC. Primeiramente foi desenvolvida uma metodologia por espectrofluorimetria onde foram feitos alguns testes preliminares a fim de estabelecer qual valor de pH iria fornecer a maior intensidade de emissão. Após fixar o pH foi feita a determinação de NOR em padrões aquosos e soluções do medicamento usando calibração univariada. A faixa de concentração trabalhada foi de 0500 μg.L-1. O limite de detecção para o medicamento foi de 6,9 μg.L-1 enquanto que o de quantificação foi de 24,6 μg.L-1. Além dessas, outras figuras de mérito também foram estimadas para desenvolvimento da metodologia e obtiveram resultados muito satisfatórios, como por exemplo, os testes de recuperação no qual a recuperação do analito foi de 99.5 a 103.8%. Para identificação e quantificação do NOR da urina foi necessário diluir a amostra de urina (estudada em dois diferentes níveis de diluição: 500 e 1000 x) e também uso do método da adição de padrão (na mesma faixa de concentração usada para medicamento). Após a aquisição do espectro, todos foram usados para construção do tensor que seria usado no PARAFAC. Foi possível estimar as figuras de mérito como limite de detecção de 11.4 μg.L-1 and 8.4 μg.L-1 (diluição de 500 e 1000 x respectivamente) e limite de quantificação de 34 μg.L-1 e 25.6 μg.L-1 (diluição de 500 x e 1000 x respectivamente). O segundo estudo de caso foi na área alimentícia no qual se usou espectroscopia NIR e FT MIR acopladas a quimiometria para discriminar óleo de soja transgênica e não transgênica. Os espectros dos óleos não mostraram diferença significativa em termos visuais, sendo necessário usar ferramentas quimiométricas capazes de fazer essa distinção. Tanto para espectroscopia NIR quanto FT MIR foi feito o PCA a fim de identificar amostras discrepantes e que influenciariam o modelo de forma negativa. Após efetuar o PCA, foram usadas três diferentes técnicas para discriminar os óleos: SIMCA, SVM-DA e PLS-DA, sendo que para cada técnica foram usados também diferentes pré processamento. No NIR, apenas para um pré processamento se obteve resultados satisfatórios nas três técnicas, enquanto que para FT-MIR ao se usar PLS-DA se obteve 100% de acerto na classificação para todos os pré processamentos

Análise multielementar em folhas de Nerium oleander L. usando fluorescência de raios X por dispersão em energia

Desde o início do século XX, a poluição do ar nos grandes centros piorou em consequência processo de industrialização e urbanização, juntamente com o rápido crescimento populacional e do transporte motorizado. Algumas espécies de plantas absorvem os poluentes atmosféricos pelas suas folhas e então, fixa-os em sua matriz, tornando-se assim um biomonitor de poluição nessa área. Assim, a análise foliar dessas espécies de vegetal pode ser usado como monitoramento ambiental. Uma das plantas que tem a habilidade de reter certos elementos químicos do ambiente e pode ser usada como biomonitor é a Nerium oleander L.. Neste estudo utilizou-se folhas de Nerium oleander L. para avaliar os níveis de poluição ambiental em uma sub-região da Região Metropolitana do Rio de Janeiro através da Fluorescência de Raios X (EDXRF). O sistema de EDXRF foi desenvolvido no próprio laboratório e consiste de um sistema portátil de XRF formado por um mini tubo raio X de baixa potência (anodo de Ag e operação em 20 kV/50 μA) e um detector de SiPIN. As amostras de Nerium oleander L. foram coletadas de plantas adultas. As amostras foram coletadas durante as quatros estações do ano (verão, outono, inverno e primavera). Todas as folhas foram coletadas a uma distância superior de 1,5 m em relação ao solo. As amostras foram acondicionadas em sacos plásticos e depois da chegada ao laboratório foram colocados sob refrigeração a 5 C. No laboratório, as amostras foram limpas com um pincel com cerdas macias para retirar a poeira. Depois disso, as amostras foram colocadas na estufa a 60 C por 48 h. Em seguida, as amostras foram pulverizadas (44 μm). Depois desse processo, alíquotas de 500 mg de massa foram prensadas a uma pressão de 2.32×108 por cerca de 15 minutos, afim de se obter pastilhas finas com diâmetro de 2,54 cm e densidade superficial de 100 mg/cm2. Foi possível detectar a concentração de 13 elementos: S, Cl, K, Ca, Mn, Fe, Cu, Zn, Br, Rb, Sr, Ba e Pb. A partir da concentração de cada elemento foram obtidos os mapas de distribuição elementar da área de estudo para cada estação. A análise da correlação de Pearson mostrou que existe uma correlação significativa entre os elementos Fe, Zn, Ba e Pb, entre os elementos Ca e Sr e entre os elementos Cl, K, Rb. A análise do PCA (Análise por Componentes Principais) mostrou que existem dois fatores principais da emissão de poluição ambiental: emissão por ressuspensão do solo (Cl, K, Ca, Mn, Rb e Sr) e emissões veiculares e industriais (Fe, Zn, Ba e Pb). O estudo da poluição ambiental através da técnica de EDXRF utilizando folhas de Nerium oleander L. como biomonitor se mostrou uma técnica de baixo custo e eficiência substancial na determinação da concentração elementar dos poluentes atmosféricos.