Evaluation reinvented
NIRS Analyse (Nahinfrarotspektroskopie)
Die NIRS Analyse ist ein weiterer spannender Schwerpunkt in der Anwendung optischer und berührungsloser Messverfahren. Das Verfahren findet Anwendung bei Qualitätsanalysen landwirtschaftlicher Produkte wie Getreide, Mais, Mehl Futtermittel etc. und der Bestimmung der Inhaltsstoffe dieser Produkte wie Trockengehalte, Kohlenhydrate-, Protein- und Ölgehalte, Energiegehalte, usw. Die Kombination von reflektierter und transmittierter Strahlungsintensität erlaubt Rückschlüsse auf bestimmte organische Verbindungen in einer entsprechend (definierten) aufbereiteten Probe. Die verschiedenen chemischen Verbindungen werden durch das Nah-Infrarotlicht unterschiedlich angeregt und erlaubt nicht nur die quantitative Bestimmung des organischen Inhaltsstoffes, sondern erlaubt auch Rückschlüsse auf die chemische Struktur. Folglich kann aus der Intensität des reflektierten bzw. des durch die Probe durchscheinenden Lichtes des Nah-Infrarotspektrums auf die Quantität dieser Inhaltsstoffe geschlossen werden.
Prinzipiell gilt folgender Zusammenhang:
unter idealen Bedingungen. Das Problem ist nur, die gelten aus verschiedenen Gründen so gut wie nie. Daher werden die Spektren an Kalibrierungsproben mit bekannten Inhaltsstoffen, z.B. basierend auf chemisch-analytischen Verfahren, angepasst. Dazu gibt es eine Reihe von statistischen Kalibrierungsverfahren, die alle sinnvoll sind, solange die Stichproben echt kleiner sind als die Anzahl der zu schätzenden Parameter, hier in der Regel der Wellenlängenbereich des Geräts, also von 1200 bis 2400 nm. Hat man erst mal genug Proben gesammelt, d.h. ist der Probensatz echt größer als die Anzahl der zu schätzenden Parameter, kann man die ganze Prozedur mit beliebigen numerischen Verfahren nachmachen, ohne allzu viel Verlust an Informationen.
Am Beispiel zur Bestimmung des Energiegehalts von Maissilage für eine Biogasanlage werden folgende Parameter simultan aus der NIRS Probe bestimmt:
TS, XA, XP, XS, XL, XF, oNDF, oADF, ADL, EULOS (Erläuterung siehe Tabelle)
Anhand dieser Parameter lässt sich über lineare Regressionsmodelle der Energiegehalt des Materials bestimmen. Die Güte der Schätzungen wird über das 1:1 Verhältnis von Beobachtet zu Vorhergesagt. Um die Ausreißer zu demonstrieren sind alle Daten nochmals als Diagramm dargestellt.
| Kürzel | Erläuterung | 1:1 Güte, R2 Werte |
|---|---|---|
| TS | Trockensubstanz | 0.94 |
| XA | Rohasche | 0.96 |
| XP | Rohprotein | 0.93 |
| XS | Rohstärke | 0.94 |
| XL | Rohfett | 0.94 |
| XZ | Rohzucker | 0.94 |
| XF | Rohfaser | 0.97 |
| oNDF | organische Neutral-Detergenzien-Faser | 0.98 |
| oADF | organische Säure-Detergenzien-Faser | 0.97 |
| ADL | Säure-Detergenzien-Lignin | 0.92 |
| EULOS | enzymlösliche organische Substanz | 0.96 |
-
oNDF Schätzung und 1:1 Güte 1/11 -
oADF Schätzung und 1:1 Güte 2/11 -
Trockenmasseschätzung und 1:1 Güte 3/11 -
Rohasche (XA) Schätzung und 1:1 Güte 4/11 -
Rohprotein (XP) Schätzung und 1:1 Güte 5/11 -
Rohstärke (XS) Schätzung und 1:1 Güte 6/11 -
Rohfett (XL) Schätzung und 1:1 Güte 7/11 -
Rohzucker (XZ) Schätzung und 1:1 Güte 8/11 -
Rohfaser (XF) Schätzung und 1:1 Güte 9/11 -
ADL Schätzung und 1:1 Güte 10/11 -
EULOS Schätzung und 1:1 Güte 11/11
Qualitätskontrolle:
Man sieht, manche Inhaltsstoffe werden leicht schlechter geschätzt. Es handelt sich insgesamt um numerische Verfahren, sowohl die kommerziellen Varianten als auch die hier vorgestellten Verfahren. Vereinzelt kann dies zu unrealistischen Werten führen, z.B. ein Trockensubstanzgehalt von 105% o.ä. Es müssen also immer noch Verfahren nachgeschaltet werden, am einfachsten über die Konfidenzbereiche, um Ausreißer abzufangen.
