تحقیق استفاده از طيف‌سنجي رامان براي بررسي غيرمخرب پارامترهاي کيفي ميوه گوجه‌فرنگي 11 ص

دسته بندي : دانش آموزی و دانشجویی » دانلود تحقیق
لینک دانلود و خرید پایین توضیحات
دسته بندی : وورد
نوع فایل :  word (..doc) ( قابل ويرايش و آماده پرينت )
تعداد صفحه : 11 صفحه

 قسمتی از متن word (..doc) : 
 

1
‏استفاده از طيف‏‌‏سنجي رامان براي بررسي غيرمخرب پارامترهاي کيفي ميوه گوجه‏‌‏فرنگي‏
‏ (‏کد مقاله ‏301)
‏چکیده
‏ ‏ تنوع و فراوانی پارامترها و ویژگی‏ ‏های کیفی محصولات کشاورزی، مهمترین دلیل توسعه انواع روشهای غیر مخرب بوده است. در سالهای اخیر دید ماشین، روشهای اپتیکی چون اسپکتروسکوپی رامان،‏ NMR‏ و NIR ‏،‏ ‏انتشار صوت، روش فراصوت و غیره، در حال گسترش و توسعه می‏‌‏باشد که هر کدام برای اندازه‏‌‏گیری پارامتر کیفی خاصی کاربرد دارند. برای درجه بندی میوه‏‌‏ها روش‏ ‏های مختلفی ب‏ه ‏کار برده می‏‌‏شود که اغلب آن‏ ‏ها مخرب و یا کند می‏‌‏باشند ولی اندازه‏‌‏گيري سريع،‏‌‏ غير مخرب و دقيق عامل‏ ‏هاي كيفي ميوه‏‌‏ها از جمله میوه‏ گوجه فرنگي نظیر ميزان مواد جامد محلول،‏‌‏ pH‏ و رنگ از اهميت بالايي برخوردار مي‏‌‏باشد. براي همين منظور ‏از روش‏‌‏هاي مختلفي مي توان استفاده نمود. از مدرنترين روش‏‌‏هاي مذكور مي توان به ‏طيف‏‌‏سنجي‏ ‏ليزري ‏رامان ‏اشاره کرد‏. اين ‏روش با توجه به ب‏كارگيري انواع ليزرها، بلورهاي غيرخطي براي ايجاد طول موج‏‌‏هاي مختلف مورد نياز، ابزار آشكار سازي و استفاده از نرم افزارهاي مدرن ‏به طور وسيعي در زمينه‏‌‏هاي مختلف علوم، مهندسي، پزشكي و كشاورزي ‏كاربرد پيدا كرده است‏ و با توجه به مزایای چشمگیر آن در قیاس با روش پرکاربرد NIR‏ توانسته است جایگاه ‏خاصی در تحقیقات حاضر در زمینه کشاورزی پیدا نماید. در‏ تحقیق حاضر با استفاده از روش طیف‏‌‏سنجی رامان اندازه‏‌‏گیری غیر مخرب پارامترهای کیفی میوه گوجه‏‌‏فرنگی انجام شده است. نتایج حاصل نشان دادند که وجود کارتنوئیدهای لیکوپن و کاروتن به عنوان مهم‏ ‏ترین رنگدانه‏‌‏های موجود در گوجه فرنگی به خوبی توسط طیف‏‌‏های ب‏ه ‏دست‏‌‏آمده اثبات شد به طوری‏ ‏که هر سه منطقه مشخصه کارتنوئیدها در تمامی طیف‏‌‏ها ‏قابل تمییز بود. همچنین طیف‏‌‏سنجی انجام شده در این تحقیق وجود کربوهیدرات‏‌‏ها را نیز با ارتعاش C-H‏ بروز داد. بدین ترتیب با اطمینان می‏‌‏توان از روش مذکور جهت درجه‏‌‏بندی غیر مخرب پارامترهای خارجی (مانند رنگ میوه به عنوان مهمترین شاخص رسیدگی گوجه فرنگی) و داخلی (مانند میزان مواد جامد محلول) بهره جست.
‏کلیدواژه‏: ‏طیف‏‌‏سنجی رامان، میوه گوجه‏‌‏فرنگی، ارزیابی غیر مخرب، پارامترهای کیفی
2
‏مقدمه
‏مروری بر ‏روشهای غیرمخرب‏ و سایر روشهای اپتیکی
‏ آزمایشاتی غیرمخرب محسوب می‏‌‏شوند که اثرات مخرب فتوفیزیکی، حرارتی، شیمیایی، مکانیکی و فتوشیمیایی نداشته باشند‏ ‏[21]‏.‏ روشهای متعددی تاکنون برای کیفیت سنجی غیر مخرب محصولات کشاورزی ابداع شده‏‌‏اند که تنها برخی از آنها توانسته شرایط فوق را برآورده ساخته و از لحاظ فنی و صنعتی توجیه داشته باشند.‏ ‏روشهای اپتیکی، مکانیکی، شیمیایی و امواج الکترومغناطیسی و صوتی در توسعه آزمونهای غیرمخرب نقش اساس داشته‏‌‏اند. اما روشهای بکار رفته قادرند پارامترهای محدودی از میوه‏‌‏ها را کاوش کنند. بنابراین لازم است شرایط حاکم در این روشها به دقت بررسی شده و در گزارش یا ثبت نتایج آزمایش لحاظ شوند. برای مثال اندازه‏‌‏گیری رنگ در گوجه‏‌‏فرنگی برای تخمین رسیدگی و زمان برداش‏ت کافی است [4]‏، پس می‏‌‏توان با اندازه‏‌‌‏گیری یک پارامتر (رنگ) توسط طیف مرئی یا پردازش تصویر، تخمین مناسبی از وضعیت بیولوژیکی گوجه‏‌‏فرنگی حاصل نمود. همچنین در روشهای غیر مخرب ممکن است بیش از یک فاکتور بر داده بدست آمده تأثیر بگذارد که اندازه‏‌‏گیری را با خطا مواجه خواهد ساخت و به همین دلیل این سیستم‏‌‏ها نیاز به کالیبراسیون (واسنجی)‏‌‏ قوی خواهند داشت. در ذیل، سامانه‏‌‏های غیر مخرب رایج در کشاورزی به اختصار شرح داده می‏‌‏شوند.
‏ از سال 1980، روش غیر مخرب NIRS‏ در تعیین برخی خصوصیات میوه‏‌‏ها مانند سفتی، میزان مواد جامد محلول، رنگ، نشاسته و اسیدیته بکار رفته است. طیف NIRS‏ طول موجهای بین 750 تا 2500 نانومتر(‏1-cm‏ 40‏00، 12500) را پوشش می‏‌‏دهد‏. این روش برای تعیین ترکیبات شیمیایی شامل گروههای OH-‏ ، CH-‏، NH-‏ مناسب است. امروزه استفاده از این فن‏‌‏آوری در بررسی خصوصیات داخلی میوه‏‌‏ها به حالت صنعتی نیز رسیده است و به عنوان مثال برای هلو، مرکبات و هندوانه سامانه‏‌‏های جداسازی‏ - sorting systems
‏ طراحی شده است که مبنای درجه‏‌‏بندی و یا جداسازی آنها، طیف سنجی عبوری و یا بازتابی NIR‏ است. منبع نور اغلب طیف سنجهای NIR‏، لامپ‏‌‏های هالوژن می‏‌‏باشد. مشکل اصلی، نفوذ کم این نور در داخل میوه عنوان شده است. یک راه حل این مشکل استفاده از لامپ‏‌‏هایی با توان بالاست که ایجاد تأثیرات فتوشیمیایی و فتوفیزیکی بر روی میوه مشکل اصلی آن خواهد بود. اما استفاده از دیودهای لیزری راه‏‌‏حل دیگری است که در دست مطالعه است. از طرفی استفاده از طیف سنج‏‌‏های قابل حمل‏ - Portable Spectrometers
‏ نیز رایج شده و حتی به صورت تجاری عرضه شده است که واسنجی (کالیبراسیون) و استاندارد کردن آنها موضوع ‏مورد مطالعه سالهای اخیر بوده است‏ [11]. مق‏الات متعددی در زمینه کاربرد NIRS‏ در میوه‏‌‏ها چاپ شده است.
‏ تاکنون کاربردهای زیادی از تکنیک‏ NMR‏ و MRI‏ در ‏کشاورزی گزارش شده است. کارآیی این تکنیک در محصولات آبدار بیشتر می‏‌‏باشد. زیرا هسته‏‌‏های هیدروژن پاسخ خوبی به میدانهای مغناطیسی نشان می‏‌‏دهند‏ [8]‏. اختلالات موجود در توزیع آب، صدمات ناشی از سرد شدن، لهیدگی، فساد، حضور حشرات و غیره را می‏‌‏توان ‏باNMR ‏ کاوش نمود. به طور کلی روشهای MRI‏ و NMR‏ به دلیل گران بودن و پیچیدگی استفاده وسیعی نداشته و در کشاورزی توجیه صنعتی نداشته است. اما در علم پزشکی به خصوص در کاوش تومورها، تجهیزات ارزان قیمت و ساده نیز عرضه شده‏‌‏اند که تصویر‏‌‏برداری NMR‏ و MRI‏ کاربردهای تجارتی فراوانی داشته‏‌‏اند و در نتیجه به روش رایج تبدیل گشته‏‌‏اند‏ [10]‏.
‏ در بین روشهای غیر مخرب، روش MRI‏ دارای بیشترین دقت است، ولی یکی از معایب مهم آن تأثیر مهم زیاد سرعت اندازه‏‌‏گیری بر دقت دستگاه است. بنابراین سرعت اندازه‏‌‏گیری، پایین خواهد بود. همچنین برای میوه‏‌‏های با درصد رطوبت پایین روش مناسبی توصیه نشده است. با این حال، روش MRI‏ و NMR‏ توانایی زیادی در ارزیابی کیفیت درونی میوه‏‌‏جات و سبزیجات به خصوص اندازه‏‌‏گیری ر‏طوبت و روغن دارند [4].
‏ تکنیک ‏دید ماشین (Machine Vision‏) ‏یکی از نخستین روشهای ارزیابی محصولات کشاورزی بوده است و عمده کاربرد گستردة آن با پیشرفت و توسعه سامانه‏‌‏های سخت‏‌‏افزاری پردازش تصویر توام شده است. در حال حاضر، دید ماشین به طور وسیعی در کشاورزی و ارزیابی محصولات استفاده می‏‌‏شود. در مجموع می‏‌‏توان گفت بیشترین کاربرد این تکنیک در سیستم‏‌‏های درجه‏‌‏بندی محصولات کشاورزی، تشخیص رنگ، عیوب ظاهری و بافت بوده است.
3
‏ علاوه بر میوه‏‌‏ها، انواع گوشت، پیتزا و لاشه‏‌‏های حیوانات نیز مورد مطالعه بوده است‏ [12]‏. از مهمترین مزایای این روش می‏‌‏توان سرعت تولید دادهای توصیفی از محصول، کاهش حجم کاری توسط کاربر، اقتصادی بودن و آسانی، غیر مخرب و بی‏‌‏زیان بودن، دارای سیستم کنترلی پایدار را نام برد. اما در مقابل معایبی نیز دارد. برای مثال، سیستم نورپردازی در این روش بایستی بسیار دقیق بوده و باالطبع در محیط‏‌‏های مختلف، متفاوت خواهد بود. همچمنین در نورپردازی غیرساختاری، تشخیص شی با مشکلاتی مواجه می‏‌‏باشد. علاوه براین، کار در شرایط کم‏‌‏نور و تاریک بسیار دشوار خواهد شد‏ [7].‏
‏با وجود اینکه می‏‌‏توان توصیف کیفی درونی محصولات با استفاده از دید ماشین را به صورت غیرمستقیم امکان‏‌‏پذیر ساخت، این روش قادر به اندازه‏‌‏گیری خصوصیات داخلی محصولات نمی‏‌‏باشد، چرا که تنها از تصویر بدست آمده از شی استفاده می‏‌‏کند ‏[10].
‏ تابش‏‌‏های با طول موج کوتاه مانند اشعه x‏ و گاما قادرند به اغلب محصولات کشاورزی نفوذ کنند. میزان نفوذ بستگی به چگالی و ضریب جذب محصول دارد. بنابراین هر دو پرتو مذکور برای اندازه‏‌‏گیری آن دسته از پارامترهای کیفی مناسب است که وابسته به تغییرات جرم هستند، برای مثال قسمت سر کاهو با افزایش رسیدگی، چگالتر می‏‌‏شود. استفاده از اشعه x‏ در بازرسی روی خط محصولات کشاروزی در ابعاد محدود گزارش شده است، زیرا این روش به چگالی جرمی ماده حساس است نه ترکیبات شیمیایی‏ [4]‏. تعیین رطوبت سیب،تغییرات چگالی در مراحل مختلف رسیدگی گوجه‏‌‏فرنگی و آلودگی به حشرات مواردی هستند که با اشعه x‏ اندازه‏‌‏گیری و یا آزمایش شده‏‌‏اند‏ [8]‏. مهمترین معایب این روشها، محدودیت و مشکلات تولید این اشعه‏‌‏ها و اثرات بهدا‏ش‏تی آن است. اشعه گاما جزء امواج الکترومغناطیسی است که منبع تبدیل آن چشمه‏‌‏های هسته‏‌‏ای است. بنابراین تولید پیوسته‏‌‏ای دارد. اما اشعه x‏ توسط دستگاه تولید می‏‌‏شود. گران بودن و پیچیدگی تجهیزات بکار رفته، عیب قابل توجهی است. استفاده از دوزهای بالا باعث محدودیت ‏‌‏های فیزیولوژیکی و بهداشتی می‏‌‏شود. به عبارت دیگر این اشعه، باعث یونیزه شدن برخی مولکولهای محصولات کشاورزی می‏‌‏شود که به احتمال، بیماری مصرف کنندگان به دنبال خواهد داشت.
‏ استفاده از امواج فراصوت‏ نیز‏ يكي از روش‏‌‏هاي مكانيكي غير مخرب براي اندازه‏‌‏گيري كيفيت محصولات است كه توسعه‏‌‏ی آن با چالش‏‌‏هاي جدي رو به رو است‏ چراکه‏ بکارگیری امواج فراصوتی‏ - Ultrasonic waves
‏ براي كيفيت‏‌‏سنجي، نيازمند دانستن و يا اندازه‏‌‏گيري خواص فراصوتی محصولات كشاورزي است.‏
‏يكي از كاربردهاي فراصوت، آزمايش سبزي‏‌‏ها و ميوه‏‌‏ها است كه به دليل غيرهمگن بودن بافت آنها، در بسامدهاي زياد ميرايي زيادي دارند. آشكارسازي آسيب‏‌‏هاي داخلي در بسامد كم مشكل است. علاوه بر آن، استفاده از بسامد تحريك كم (كمتر از kHz‏100) براي آشكارسازي آسيب‏‌‏هاي عميق در روش تپ بازتاب‏ - pulse echo
‏ تقريباٌ غير ممكن است. زيرا نوار امواج را نمي‏‌‏توان به صورت مت‏م‏ركز و تيز درآورد‏. به طور خلاصه می‏‌‏توان ‏کاربدهای ‏روشهای فوق را در جدول ‏1‏، مشاهده نمود.
4
‏جدول ‏1‏: روشهای مختلف اندازه‏‌‏گیری غیر مخرب پارامترهای کیفی محصولات کشاورزی
‏مبنای علمی
‏روش
‏خصوصیات قابل اندازه‏‌‏گیری
‏اپتیکی
‏پردازش و تحلیل تصویر
‏سایز، شکل، رنگ، عیوب ظاهری
‏طیف‏‌‏سنجی عبوری، بازتابی و جذبی
‏رنگ، عیوب داخلی، قند، اسیدیته، SSC‏، عیوب ظاهری، سفتی
‏طیف سنجی لیزری
‏اشعه X‏
‏اشعه X‏
‏حفره‏‌‏های داخلی، ساختار و درجه رسیدگی
‏مکانیکی
‏ارتعاشی
‏سفتی، رسیدگی، ویسکوالاستیسیته
‏صوتی و فراصوتی
‏سفتی، رسیدگی، ویسکوالاستیسیته، حفره‏‌‏های داخلی، قند و چگالی
‏الکترومغناطیس
MRI‏ و NMR
‏رطوبت، قند، حفره‏‌‏های داخلی
‏روش رامان به عنوان روش جدید
‏همانطور که دیده شد، ‏استفاده از نور بازتابی‏، ‏عبوری‏ و پراكنده شده‏ به منظور اندازه‏‌‏گ‏یری خواص داخلی و خارجی میوه‏‌‏جات از دیر باز مطرح بوده ‏‌‏ا‏ست. به تازگی طبقه‏‌‏بندی میوه‏‌‏ها و برحی سبزیجات بر حسب رنگ آنها رواج پیدا کرده‏‌‏ا‏ست و چون با تغییر رنگ قابلیت بازتابش و عبوردهی نور از یک محصول تغییر می‏‌‏ک‏ند، می‏‌‏ت‏وان از طیف‏‌‏س‏نجی‏‌‏های مختلف برای اندازه‏‌‏گیری برخی خواص مختلف‏ از جمله رنگ آنها استفاده نمود [2]‏. این روش به همراه روشهای دیگر در دو دهه اخير، مبنای آزمايشهاي غيرمخرب جهت تعيين و اندازه‏‌‏گيري عاملهاي كيفي محصولات كشاورزي بوده و اهميت بالايي را از نظر زمینه‏‌‏های تحقیقی کسب کرده‏‌‏اند. آزمون غيرمخرب در كشاورزي، آزموني است كه اثرات سوء شيميايي، فتوشيميايي، گرمايي و فتوفيزيكي ير روي ميوه به جاي نگذارد‏ [20]‏. تعداد كمي از روشهاي تحليلي كه تاكنون معرفي شده‏‌‏اند،‏‌‏ قادر به ارضاء شرايط فوق بوده و از حساسيت لازم براي آشكارسازي تركيبات و جزئيات ساختاري ميوه‏‌‏ها برخوردار مي‏‌‏باشند ‏مانند ‏طيف‏‌‏سنجي NMR‏، طيف‏‌‏سنجي IR‏ و طيف‏‌‏سنجي رامان‏ [21]‏. اما در بين روشهاي ياد شده،‏‌‏ طيف‏‌‏سنجي ‏پراكندگي ‏رامان جذابيت فوق‏‌‏العاده‏‌‏اي در ميان محققان علوم پزشكي،‏‌‏ دارويي و ‏علوم زيستي ‏پيدا نموده است، بطوريكه قويترين روش از بين روشهاي فوق قلمداد مي‏‌‏شود ‏[13 و 21].
‏به دليل اينكه ارتعاشات اتمها در ملكول‏‌‏ها به تغييرات و تركيبات شيميايي ماده حساس است، طيف ارتعاشي مي‏‌‏تواند اطلاعات بسيار مفيدي راجع به خواص شيميايي و تركيبات تشكيل‏‌‏دهنده مواد ارائه‏‌‏دهد ‏[3]‏.
‏طيف‏‌‏سنجي ‏پراكندگي ‏رامان نسبت به طيف‏‌‏سنجي رايج IR‏ (كه كاربردهاي وسيعي در كشاورزي پيدا كرده است) مزاياي برجسته‏‌‏اي دارد از آن‏‌‏جمله:
‏پديده ‏رامان تكنيكي ايده‏‌‏آل براي مطالعات بيولوژيكي است، چراكه آب يك پخش‏‌‏كننده رامان ضعيف به شمار مي‏‌‏رود و در نتيجه تأثير آن در ايجاد خطا بسيار اندك است. اين مسأله به خصوص در مورد محصولات كشاورزي كه بخش اعظمي از مواد آنها را آب تشكيل مي دهد، اهميت ويژه‏‌‏اي پيدا مي كند (براي مثال بيش از 90% از جرم گوجه فرنگي از آب تشكيل شده است).
‏رامان مي تواند محدوده وسيعي از نواحي طيفي را (cm-1‏ 10 تا cm-1‏ 4000) در يك بار ثبت طيفي پوشش دهد. اين در حاليست كه براي پوشش چنين محدوده‏‌‏ای ‏با تكنيك IR‏ به شبكه‏‌‏هاي پخش كننده، فيلترها و آشكارسازهاي متنوعي نياز هست و بايستي براي هر محدوده اين تجهيزات را تغيير داد‏ ‏[3].
‏قطر اشعه ليزري كه به عنوان منبع نوردهي در دستگاه طيف‏‌‏سنج رامان استفاده مي شود،‏‌‏ در حدود 2/0 تا 2 ميلي‏‌‏متر است. به عبارت ديگر مي‏‌‏توان با نمونه هاي بسيار ريز و با حجم كم هم كار كرد و يا مناطق كوچك روي ميوه را هم كاوش نمود ‏[25].
‏علاوه بر آن، حساسيت بالا، زمان كوتاه آزمايش،‏‌‏ عدم نياز به آماده‏‌‏سازي نمونه و غير مخرب بودن اين تكنيك، مزاياي ديگري هستند كه بر جذابيت استفاده از طيف‏‌‏سنجي ‏پراكندگي ‏رامان افزوده‏‌‏اند‏ [25]‏. با اين توصيف تكنيك رامان،‏‌‏ روشي رو به رشد است و هر‏ روز ‏ابعاد جديدي از كاربردهاي آن براي محققان روشن مي‏‌‏شود ‏[18].