Quy trình ứng dụng công nghệ NIRS trong phân tích mẫu vật sinh học

Nguyên lý và cơ chế hoạt động của NIRS trong phân tích đất

NIRS hoạt động dựa trên việc đo lường sự hấp thụ bức xạ điện từ trong dải bước sóng từ 780 đến 2500 nm (Stenberg et al., 2010). Bức xạ cận hồng ngoại (NIR) được hấp thụ bởi các liên kết phân tử trong mẫu vật, tạo ra một phổ duy nhất, tương tự một "dấu vân tay" cho mẫu vật đó. Phổ thu thập được bao gồm dữ liệu liên quan đến các đặc tính hóa học và vật lý của các phân tử trong mẫu, cung cấp thông tin quan trọng về thành phần mẫu vật. Trong phân tích đất, phương pháp này so sánh phổ NIR của mẫu đất với các mẫu tham chiếu và sử dụng các mô hình toán học để tính toán các thông số mong muốn. Độ chính xác của NIRS được đánh giá thông qua các chỉ số thống kê như hệ số xác định (R2), sai số chuẩn của hiệu chuẩn (SEC) và sai số chuẩn của dự đoán (SEP) (Souza et al., 2019).

Quá trình ứng dụng NIRS trong phân tích đất bao gồm tiền xử lý phổ và hiệu chuẩn. Các phương pháp hiệu chuẩn và hồi quy được sử dụng để hiệu chuẩn phổ NIRS, bao gồm Hồi quy đa hiệu ứng (MBA), Hồi quy tuyến tính đa biến từng bước (SMLR), Hồi quy đa hiệu ứng tối thiểu (MARS), Hồi quy các thành phần chính yếu (PCR) và Hồi quy bình phương nhỏ nhất từng bước (PLSR). Độ chính xác của NIRS được đánh giá thông qua các hệ số xác định (r2), hệ số hồi quy (độ dốc, b), độ lệch (d) và sai số chuẩn (SE), bao gồm SE của hiệu chuẩn (SEC), SE thực chéo (SECV) và SE dự đoán (SEP).

Thiết bị phân tích quang phổ giờ đây đã đơn giản và gọn nhẹ hơn rất nhiều, phù hợp áp dụng ngay tại nông trường

Kết quả và tiềm năng ứng dụng của NIRS trong nông nghiệp

Kết quả phân tích đất bằng NIRS cung cấp một bức tranh toàn diện về độ phì nhiêu và sức khỏe của mẫu vật, bao gồm các đặc tính vật lý và sinh hoá của đất. Phương pháp này cho phép đánh giá chi tiết tình trạng dinh dưỡng dự trữ trong đất và khả năng cung cấp dinh dưỡng cho cây trồng, từ đó đưa ra các giải pháp cải tạo đất, khuyến cáo phân bón cụ thể cho từng loại cây trồng và phương pháp tưới tiêu hợp lý có thể được xây dựng, nhằm tối ưu hóa năng suất cây trồng, nâng cao chất lượng nông sản, giảm chi phí đầu tư và thúc đẩy phát triển nông nghiệp bền vững. Hơn nữa, NIRS còn có khả năng đánh giá mối cân bằng và chất lượng chất hữu cơ trong đất, kiểm soát hàm lượng carbon hữu cơ, phục vụ cho nông nghiệp hữu cơ, cô lập carbon trong đất, phát triển tín chỉ carbon và ứng phó với biến đổi khí hậu (Minas, 2024). Ngoài ra, NIRS còn giúp đánh giá sự cân bằng và chất lượng chất hữu cơ trong đất, kiểm soát hàm lượng carbon hữu cơ, phục vụ cho nông nghiệp hữu cơ, cô lập carbon trong đất, tạo tín chỉ carbon và ứng phó với biến đổi khí hậu.

Công nghệ quang phổ cận hồng ngoại (NIRS) nổi bật với nhiều ưu điểm vượt trội như khả năng phân tích nhanh chóng, không phá hủy mẫu, và tối ưu hóa đáng kể thời gian chuẩn bị. Đặc biệt, NIRS là một công nghệ phân tích "xanh" do không yêu cầu sử dụng dung môi hữu cơ hay hóa chất trong quá trình xử lý mẫu, giúp giảm thiểu tác động môi trường và chi phí vận hành. Tuy nhiên, NIRS cũng có những hạn chế nhất định như đòi hỏi cơ sở dữ liệu lớn để đảm bảo độ chính xác cao, đồng thời hiện tại chưa thể phân tích được hàm lượng kim loại nặng và dư lượng thuốc bảo vệ thực vật tồn dư trong đất, dẫn tới việc cần có chuyên gia trong lĩnh vực để đưa ra giải pháp toàn diện.

Tài liệu tham khảo

Minas, I. (2024). Exploring the Advantages of NIR Spectroscopy in Agriculture: A Comprehensive Infographic. Felix Instruments Blog.

Souza, G. M., de, R., Rodrigues, J., & de Carvalho, J. (2019). Near-Infrared Spectroscopy Coupled with Chemometrics Tools: A Rapid and Non-Destructive Alternative on Soil Evaluation. Communications in Soil Science and Plant Analysis.

Stenberg, B., Viscarra Rossel, R. A., Mouazen, A. M., & Wetterlind, J. (2010). Visible and near infrared spectroscopy in soil science. Advances in Agronomy.