Elektronenspinresonanz (ESR) oder Elektronenparamagnetische Resonanzspektroskopie ist eine Technik zur Untersuchung von Materialien mit ungepaarten Elektronen. Die ESR-Spektroskopie kann wertvolle Informationen über die Struktur und Bindung paramagnetischer Spezies liefern. Durch die Analyse der Aufspaltungsmuster, die im ESR-Spektrum beobachtet werden, können Forscher Einblicke in die Koordinationsumgebung und Symmetrie dieser Spezies gewinnen.
Diese Technik hat sich in verschiedenen Bereichen als leistungsstarkes Werkzeug erwiesen, darunter Lebensmittelwissenschaft, Biochemie und Materialwissenschaft. Darüber hinaus wird sie in der Diagnostik mehrerer Krankheiten eingesetzt, da sie freie Radikale nachweist, die durch chemische oder biologische Systeme erzeugt werden, indem das Spektrum eines Spin-Addukts beobachtet wird.
Theoretisch erkennt ESR paramagnetische Zentren (wie Radikale), die durch Strahlung verursacht sein können oder auch nicht. Eine Resonanzabsorption der angelegten Mikrowellenenergie tritt auf, wenn ein starkes externes Magnetfeld einen Unterschied zwischen den Energieniveaus der Elektronenspins, ms = +1/2 und ms = -1/2, erzeugt. Die ESR-Spektren werden als erste Ableitung der Absorption in Bezug auf das angelegte Magnetfeld dargestellt. Im Gegensatz zur Haltbarkeit von Lebensmitteln können strahlungsinduzierte paramagnetische Spezies lange Zeit in den starren und dehydrierten Komponenten einer Lebensmittelprobe bestehen bleiben.
Lebensmittelzusätze identifizieren
Verschiedene Arten von Lebensmittelfarbstoffen sind chemische Substanzen, die in der Lebensmitteltechnologie zu Lebensmitteln hinzugefügt werden, um die sensorischen Eigenschaften des Lebensmittelprodukts zu erhalten oder zu verbessern, die während der Verarbeitung oder Lagerung beeinträchtigt oder verloren gehen können, sowie um das gewünschte Farberscheinungsbild zu erhalten. Regulierungsbehörden wie die Food and Drug Administration (FDA) in den USA und die EFSA in Europa verlangen eine Reihe von Toxizitätstests, bevor die Verwendung von Lebensmittelfarbstoffen in der Lebensmittelproduktion zugelassen wird. Daher ist es unerlässlich, ihre Existenz und Menge zu untersuchen.
Einige Beispiele für häufig verwendete Lebensmittelzusätze sind:
Chromotrop: Ein Monoazid, auch bekannt als Säure Rot 14 (AR14), ist ein leuchtend orange-rotes Pulver. Es färbt effektiv fettige Substanzen und wird auch zum Färben von Lebensmitteln und Medikamenten verwendet. Seine charakteristische Farbe und hohe Wasserlöslichkeit machen es zu einer beliebten Wahl für die Visualisierung und Quantifizierung verschiedener chemischer Reaktionen. Darüber hinaus ermöglicht seine Stabilität und Kompatibilität mit verschiedenen Lösungsmitteln eine vielseitige Verwendung in der qualitativen und quantitativen Analyse.
Eryoglaucin: Ein winziger hydrophiler blauer Farbstoff, auch bekannt als Brilliant Blue FCF. Es ist sehr gut wasserlöslich, aber in Pflanzenölen unlöslich. Dieser Farbstoff wird häufig in der Lebensmittelindustrie verwendet, um die visuelle Attraktivität verschiedener Produkte wie Getränke, Süßwaren und Backwaren zu verbessern.
Riboflavin: In seiner gereinigten, festen Form ist es ein wasserlösliches gelb-oranges kristallines Pulver. Neben seiner Funktion als Vitamin wird es auch als Lebensmittelfarbstoff verwendet.
Durch die Messung der charakteristischen Elektronenspin-Eigenschaften dieser Farbstoffe kann ESR wichtige Einblicke in ihre Konzentration und ihre Auswirkungen auf die Lebensmittelsicherheit bieten. Die nicht-destruktive Technik ist ein perfektes Werkzeug zur Überprüfung der Einhaltung von Sicherheitsstandards, da sie eine präzise Analyse ermöglicht, ohne die Probe zu verändern. Darüber hinaus kann ESR durch die Überwachung der Stabilität von Produktionsprozessen Unternehmen dabei helfen, ihre Abläufe zu optimieren.
Hauptkomponentenanalyse (PCA)
Ein Ordnungsverfahren, die Hauptkomponentenanalyse (PCA), wird hauptsächlich verwendet, um Muster in multivariaten Daten zu erkennen. Ziel ist es, Korrelationen zwischen abhängigen Variablen zu untersuchen und die relativen Positionen von Datenpunkten in weniger Dimensionen darzustellen, wobei so viele Informationen wie möglich erhalten bleiben.
Der Einsatz von PCA in der Elektronenspinresonanzmethode ist besonders hilfreich, um die Anzahl der Dimensionen in komplexen Spektren zu reduzieren und die Hauptursachen für die beobachteten Schwankungen zu identifizieren. Dies hilft, verschiedene Proben oder Situationen zu unterscheiden und ein besseres Verständnis der zugrunde liegenden Ursachen der Daten zu ermöglichen.
HSA KIT
Die ESR-Analyse von HSA GmbH zielt darauf ab, Qualitätskontrollverfahren zu verbessern und die Authentizität von Produkten in verschiedenen Branchen zu gewährleisten, indem Chemikalien erfolgreich durch ihre ESR-Spektren erneut identifiziert werden. Es ermöglicht Unternehmen, die Authentizität ihrer Produkte schnell und effektiv zu überprüfen, Fälschungen zu verhindern und das Vertrauen der Verbraucher zu fördern, indem der einzigartige Fingerabdruck jeder Substanz in einer Mischung präzise erkannt wird. Darüber hinaus trägt diese Technologie durch die Bereitstellung genauer Daten zur Einhaltung von Branchenstandards und -vorschriften bei, die Regulierungsprozesse zu vereinfachen.
HSA bietet eine zweigleisige Lösung für die ESR-Analyse:
- ESR-Training: Erstellung von Hauptkomponentenanalyse (PCA) aus den Spektren bekannter Substanzen. Dadurch kann eine Datenbank erstellt werden, die zur Identifizierung und Quantifizierung unbekannter Substanzen in zukünftigen Proben verwendet werden kann. Darüber hinaus ermöglicht das ESR-Training Forschern, die Beziehung zwischen spektralen Mustern und spezifischen chemischen Eigenschaften zu verstehen, was eine genauere Analyse und Interpretation der Ergebnisse erleichtert.
- ESR-Auswertung: Deep Learning zur Überprüfung von Spektren mit zuvor erstellten PCA unter Verwendung des ESR-Trainingsmoduls. Durch den Einsatz von Deep-Learning-Algorithmen kann das ESR-Auswertungssystem die Spektren unbekannter Substanzen effizient mit den während des ESR-Trainings erstellten PCA vergleichen. Dieser automatisierte Prozess ermöglicht eine schnelle und zuverlässige Identifizierung und Quantifizierung unbekannter Substanzen und spart Zeit und Ressourcen im Analyseprozess. Darüber hinaus verbessert diese fortschrittliche Technologie die Genauigkeit der Ergebnisse, indem sie das Verständnis von spektralen Mustern und deren Korrelation mit spezifischen chemischen Eigenschaften nutzt, die durch ESR-Training gewonnen wurden.
ESR-Training
Die entsprechenden Spektraldiagramme zeigen das Vorhandensein und die Konzentration jeder Substanz, die unter dem Reiter „Spektren“ aufgeführt ist. Diese Diagramme bieten eine visuelle Darstellung der ESR-Spektren, die die Identifizierung und den Vergleich verschiedener in der Lebensmittelprobe vorhandener Substanzen erleichtert.
Verschiedene Werkzeuge, wie die folgenden, können verwendet werden, um eine intuitive Benutzeroberfläche zu erstellen:
- Zoom
- Zoom zurücksetzen
- Horizontal auswählen
- Auswahlen beibehalten
- Auswahlen löschen
- Wiederherstellen
- Als Bild speichern.
Die Metadaten für die ausgewählten Spektren können auch in der Tabelle auf der linken Seite eingesehen werden. Beispiele für Metadaten sind der Probenname, das experimentelle Setup und die Umstände. Um Konsistenz und Genauigkeit in ihren Schlussfolgerungen zu gewährleisten, können Forscher diese Daten verwenden, um Ergebnisse über die Zeit hinweg zu verfolgen und zu vergleichen, da diese Funktion die Reproduzierbarkeit ermöglicht. Darüber hinaus können die Informationen weitere Kontexte und Einblicke in das experimentelle Design bieten, die bei der Interpretation der Spektren helfen und unser Verständnis der Zusammensetzung der Lebensmittelprobe insgesamt verbessern.
Für eine präzise und zuverlässige Analyse müssen die Daten der Massenspektrometrie Normalisierungsprozesse durchlaufen. Diese Verfahren beinhalten die Anpassung der Signalintensität der Massenspektrometrie, um technische Abweichungen zu berücksichtigen und die Vergleichbarkeit der Proben zu gewährleisten. Durch die Normalisierung der Daten können Forscher Ergebnisse aus verschiedenen Experimenten oder Studien sicher vergleichen und interpretieren, was es ihnen ermöglicht, zuverlässigere Schlussfolgerungen zu ziehen und neue Erkenntnisse im Bereich der analytischen Chemie zu gewinnen.
ESR-Auswertung
