Quantification of vitamin C using FT-NIR spectroscopy

Význam tématu

Askorbová kyselina (vitamín C) je široce používanou složkou v potravinách, suplementaci a průmyslových aplikacích. Její přesné kvantitativní stanovení v pevné směsi s excipienty (např. škrobem) je důležité pro kontrolu kvality, dodržování deklarovaných dávek a sledování stability produktu. Tradiční analytické postupy (titrace, extrakce, fluorimetrie) mohou být časově náročné, vyžadovat chemikálie a odborný personál. FT-NIR spektroskopie nabízí rychlou, neinvazivní a automatizovatelnou alternativu vhodnou pro rutinní kontrolu v QC a výrobních postupech.

Cíle a přehled studie

Cílem aplikovaného poznámky bylo ukázat možnost kvantifikace obsahu askorbové kyseliny v matrici škrobu pomocí FT-NIR spektroskopie kombinované s chemometrií. Studie připravila kalibrační sadu standardů s různým obsahem vitamínu C, vytvořila PLS model a ověřila jeho predikční schopnost na samostatných validačních vzorcích. Hlavní zaměření bylo na jednoduchost vzorkování (měření skrz dno vialu), rychlost analýzy a statistickou kvalitu modelu.

Použitá metodika

• Příprava vzorků: Askorbová kyselina a škrob byly odváženy a smíchány do 10 kalibračních standardů s rozsahem 53–500 mg ascorbátu na gram směsi. Pro ověření modelu bylo připraveno 8 samostatných validačních vzorků v podobném rozsahu.
• Spektroskopie: Spektra byla pořízena v NIR oblasti (~4 000–10 000 cm-1). Pro modelování byla použita oblast 4 800–7 600 cm-1, kde jsou zřetelně patrné rozdíly mezi standardy.
• Akvizice dat: Každý vzorek byl promíchán před měřením, měřen tři opakovaně a výsledné spektrum bylo průměrováno. Nastavení měření: 110 skenů, rozlišení 8 cm-1.
• Předzpracování: Druhá derivace spekter byla použita pro zvýraznění diferenciálních rysů a potlačení baseline posunů. Aplikována byla multiplicative signal correction (MSC) s volbou pro efekt cestové délky.
• Chemometrie: Pro kalibraci byl použit model částečných nejmenších čtverců (PLS). Na základě analýzy PRESS byl určen jeden faktoru pro model.

Použitá instrumentace

• Thermo Scientific Antaris II Method Development Sampling (MDS) FT-NIR Analyzer.
• SabIR Diffuse Reflectance Probe (měření skrz dno skleněných vialů).
• Software pro chemometrii: Thermo Scientific TQ Analyst (PLS modelování a validace).

Hlavní výsledky a diskuse

• Kalibrační model postavený na druhé derivaci v oblasti 4 800–7 600 cm-1 dosáhl korelačního koeficientu R = 0,99841 a RMSEC = 8,05 mg/g.
• Křížová validace (cross-validation) vykázala R = 0,99692 a RMSECV = 11,4 mg/g.
• Predikce na nezávislých validačních vzorcích vedla k RMSEP = 11,2 mg/g, což potvrzuje dobrou prediktivní schopnost modelu v daném koncentraním rozsahu.
• Grafická vyhodnocení (kalibrační a reziduální grafy) ukázala těsnou shodu mezi skutečnými a předpovězenými hodnotami a rovnoměrné rozložení reziduí bez výrazných odchylek či biasu.
• Praktické faktory ovlivňující výkon: homogenita směsi (nutnost promíchání před měřením), vliv částicové velikosti a distribuční heterogenita mohou ovlivnit přesnost. Volba vhodné spektrální oblasti a předzpracování (druhá derivace, MSC) byla klíčová pro potlačení rušivých vlivů matrice.

Přínosy a praktické využití metody

• Rychlost a efektivita: měření vyžaduje minimální laboratorní přípravu, výsledky lze získat během minut bez použití chemikálií.
• Neinvazivnost a bezpečnost: metoda je bezkontaktní a eliminuje potřebu agresivních rozpouštědel či reagenčních kroků.
• Škálovatelnost: vhodné pro kontrolu kvality ve výrobě, rychlou spot-check analýzu v zásobnících materiálu i pro vývoj formulací.
• Uživatelská přístupnost: po zavedení robustního kalibračního modelu může analýzy provádět i méně specializovaný personál.

Budoucí trendy a možnosti využití

• Rozšíření kalibrací pro různé matrice: přizpůsobení modelů pro různé excipienty, směsi a vlhkostní stavy.
• Transferabilita a udržování kalibrací: rozvoj metod pro přenos modelů mezi přístroji a dlouhodobou údržbu kalibrací (standardní materiály, aktualizace modelu).
• Real-time a online monitoring: implementace NIR senzorů v procesní výrobě pro kontinuální kontrolu obsahu vitamínu C během dávkování a mísení.
• Pokročilejší chemometrie: využití robustnějších algoritmů, adaptivních modelů a kombinace s více spektrálními technikami ke zvýšení přesnosti v heterogenních matricích.
• Mobilní/benchtop zařízení: miniaturizace a dálkové řízení měření pro rychlé in-field kontroly a inspekce dodavatelských šarží.

Závěr

FT-NIR spektroskopie v kombinaci s PLS chemometrií byla v této studii úspěšně použita ke kvantifikaci askorbové kyseliny v matrici škrobu. Model založený na druhé derivaci v oblasti 4 800–7 600 cm-1 dosáhl vysoké přesnosti a dobré prediktivnosti (R ≈ 0,998, RMSEP ≈ 11 mg/g) v rozsahu 53–500 mg/g. Metoda nabízí rychlou, bezpečnou a efektivní alternativu k tradičním mokrým analytickým postupům a je vhodná pro rutinní kontrolu kvality a procesní monitoring, přičemž klíčovým požadavkem zůstává kvalitní a reprezentativní kalibrace.

Reference

1. Application note: Quantification of vitamin C using FT-NIR spectroscopy; Gabriela Budinova, Ivor Dominak, Todd Strother; Thermo Fisher Scientific (aplikovaný poznámka, 2022).