LASERSKE FOTO-TOPLINSKE I FOTO-AKUSTIČKE METODE MJERENJA SASTOJAKA HRANE

1. LASERSKE FOTO-TOPLINSKE I FOTO-AKUSTIČKE METODE MJERENJA SASTOJAKA HRANE Zadnjih desetak godina razvijene su različite nove tzv. fototoplinske mjerne metode za određivanje sastava tvari u području vrlo niskih koncentracija primjenom periodički ili impulsno moduliranim laserskim zračenjem. LASER= “light amplification by stimulated emission of radiation.” Jedna od tih metoda je tzv. fotoakoustika koja se zasniva na principu pretvorbe energije zračenja u zvuk kojeg su otkrili A.G. Bell i K. Roentgen još davne 1881 godine.

2. U slučaju kada valna dužina upadnog zračenja točno odgovara karakterističnoj valnoj dužini molekula analita, dolazi do apsorpcije i pobudenja molekula u visa energetska stanja. Absorbirana energija se zatim kratkotrajno relaksira kroz mehanizam sudaranja s ostalim molekulama uzorka što dovodi do povećane kinetičke energije, tj. porasta temperature. Za plin zatvorenom u mjernoj ćeliji stalnog volumena takvo povećanje odražava se kao porast temperature i pritiska. Dakle, baš taj porast temperature koristi se u foto-termalnim (PT "photo-thermal") i foto-akustičnim (PA "photo-acoustic") mjernim postupcima.

3. Izuzetne prednosti novih metoda su: • posljedica visoke specifičnosti apsorpcije monokromatske optičke energije lasera na precizno određenim valnim dužinama (frekvencijama), • mogućnosti mjerenja s uzorcima u sva tri agregatna stanja (plinovi, krutine, praškovi, paste, kapljevina, suspenzije, mikroorganizmi, biljne stanice), bez potrebe za pripremu uzorka, s "nečistim" ili netransparentnim uzorcima, • mjerenje u području ultra niskih (ppb i ppt) koncentracija, • vrlo brzi odaziv mjernog signala, • učinkovita statistička obrada mjernog signala koja omogućuje visoku značajnost procjena, • i jednostavna "on-line" primjena za upravljanje tehnoloških • procesa.

4. Slika 1. Shematski prikazi mjernih načela foto-toplinske (PT) i foto-akustičke (PA) metoda. L laserski snop, τ trajanje impulsa, ωn prirodna frekvencija rezonancije molekule analita, δ optička dužina penetracije laserskog snopa u uzorku, Rs je radijus laserskog snopa, v brzina svjetlosti u uzorku, M mikrofon, T termometar. Prikazana su dva granična slučaja za impulse vrlo kratkog (A) i dugog trajanja (B).

5. Na slici 2. dan je detaljan prikaz foto-akustične PA mjerne ćelije Slika 2. Komponente tipične foto-akustične (PA) ćelije za mjerenje sastava plinova. Sp nosač uzorka, Dia dijafragma, GI ulaz plina, Go izlaz plina. Ch "chopper", OT vanjska cijev, IT unutarnja cijev/ rezonator, W prozor, F prirubnica, EB laserski snop, Mi mikrofon (D. Bićanić et al.).

6. Upadni laserski snop je isprekidan ("chopped" ili moduliran) pomoću elektromehaničkog ili akusto-optičkog sklopa. Modulacijom snopa postiže se mjerni signal u uskom specifičnom spektru i moguće ga je izdvojiti od mjernog šuma (mogući omjer mjernog šuma i korisnog mjernog signala može postići vrijednost 100:1 i veće ). Razlikuju se dva tipa mjernih ćelija tj. rezonantna (kao na slici 2) i nerezonantna. Karakteristično za rezonantnu ćeliju je da rezonira akustički na frekvenciji "choppinga" laserskog snopa. Zbog rezonancije je amplituda oscilacija tlaka u mjernoj ćeliji znatno veća nego li bez nje. Amplitude tlaka mjere se osjetljivim mikrofonom.

7. Slika 3. Shematski prikaz foto-toplinske (PT) mjerne ćelije. L laserski snop, K uzorak kapljevine s analitom, ωn prirodna frekvencija (rezonancije) molekule analita, H smjer prijenosa topline, W transparentni prozor, P piezoelektrični kristal, C "chopper", mjerni signal (elektromotorna sila) EMS (O. Doka i D. Bićanić, Anal Chem. 74, 2002).

8. Na slici 3. dan je shematski prikaz foto-toplinske (PT) ćelije za mjerenje sastava kapljevitih uzoraka. Kapljica uzorka nalazi se površini transparentnog nosača (od safira) kroz koji prolazi periodično moduliran laserski snop. Na donjoj strani nosača pričvršćen je prsten od piezoelektričnog materijala. Laserski snop se prekida pomoću elektromehaničkog "chopper-a". Molekule analita apsorbiraju energiju lasera koja se zatimrelaksira u obliku toplinskog vala koji se siri kroz transparentni nosač. Zbog termičke dilatacije nosača dolazi do deformacije piezoelektričnog materijala koja se pretvara u elektricni napon koji se koristi kao mjerni signal koncentracije analita. Volumen kapljice je znatno veći od penetracijskog volumena lasera i njegova veličina ne utječe na mjerni signal.

9. Shematski prikaz foto-akustičkog (PA) mjernog sustava. L laser, R referentni uzorak, S mjereni uzorak, F frekvencijski generator, M mikrofon, C ("chopper"), O1polupropusno ogledalo ("beam spliter"), O2 ogledalo, A mjerno širokopojasno predpojačalo, "Lock-in" frekevencijski i fazno selektivno pojačalo, ωn prirodna (rezonantna) frekvencija molekule analita, A/D analogno-digitalni pretvornik, PC računalo.

10. Na slici 4. je shematski prikazan mjerni spoj s PA foto-akustičkom ćelijom za umjeravanje. Laserski snop s monokromatskom svjetlosti na rezonantnoj frekvenciji molekule analita je prekidan "chopped" relativno niskom frekvencijom koja se podešava iz frekvencijskog generatora. Na istu frekvenciju je usklađeno frekvencijsko i fazno selektivno pojačalo, odnosno "lock-in amplifier". Laserski snop prolazi kroz polu-propusno ogledalo ("beam splitter") , tako da dio snopa obasjava PA ćeliju s uzorkom, a drugi dio snopa se ogledalom usmjerava na referentu PA ćeliju. Referentni i mjerni signal iz osjetljivih mikrofona sa prvo pojača u široko-pojasnom pred-pojačalu, a zatim se dovodi na ulaz selektivnog pojačala "lock-in amplifier". Izlazni signal iz pojačala se digitalizira s A/D pretvornikom i prenosi u računalo za statističku obradu i pohranjivanje.

11. Primjer eksperimenta: Izuzetna osjetljivost mjernog postupka može se ilustrirati rezultatima (D. Bićanić et. al., Rew. Sci. Inst. 74, (2003) in press)) mjerenja glikolitičke aktivnosti fermentativnog puta u sjemenkama kupusa (slika 5) prethodno podvrgnute kontroliranom procesu starenja. Prikazane su brzine stvaranja acetaldehida i etanola u području vrijednosti 10-9 (ppt područje) uz izuzetne dinamičke značajke signala.

12. Brzine stvaranja etanola i acetaldehida u sjemenu kupusa nakon djelovanja impulsa. Sjemenke su čuvane 0, 2 i 4 tjedna na temperaturi od 40 0C i relativnoj vlažnosti 70 %. (D. Bićanić et al. , Rew. Sci. Instr. 74 (2003) in press).

13. Razgradnjom impulsa glukoze nastaje piruvat koji u fermentativnom putu prelazi prvo u acetaldehid, a zatim kao krajnji proizvod nastaje etanol: Na slici 5. može se precizno utvrditi vremenska zadrška između početaka produkcije acetaldehida i etanola. Ovako precizna mjerenja dinamičkih pojava omogućuje uporabu PA mjerne metode za "in vivo" određivanje enzimske kinetike što je od izuzetnog značaja za modeliranje intracelularnih metabolizama i primjenu genetičkog inženjerstva.

14. U literaturi se mogu naći brojni primjeri primjene u različitim znanstvenim, tehničkim i medicinskim primjenama. • sastav hrane • fiziološke promjene u poljoprivrednim proizvodima tijekom skladištenja • ekoinženjerstvo (sastav tla, vode i atmosfere) • bioinženjerstvo (koncentracije ekstracelularnih metabolita i proteina) • određivanje tragova nečistoća u poluvodičima • mjerenje glukoze u krvi • određivanje etanola u izdahnutom zraku iz ljudskih pluća • bioreaktori (mjerenje trans-- karotena u suspenzijama algi) • ne-kontaktno i ne-destruktivno određivanje dinamičkih i statičkih termofizikalnih svojstava tvari • dubinsko profiliranje termofizikalnih svojstava (hrane) • brzo mjerenje vlage u zrnatim uzorcima (hrane) • upravljanje procesa prženja kave