NIR hyperspectral image and MCR-ALS applied in the study of chemical compounds spatial distribution in biodegradable active films

Abstract

In this work, it was performed a study involving the use of the hyperspectral image in near infrared region (NIR-HSI) and multivariate curve resolution-alternating least squares (MCR-ALS) for analysis of homogeneity of chemical compounds in cellulose acetate (CA) films. The main advantage of NIR-HSI coupled to MCR-ALS is to provide chemical and spatial information quickly and straightforwardly, without any sample preparation. The film's development was carried out by a full factorial experimental design. Sorbic acid (HS) was used as an antimicrobial agent, and four plasticizers were studied, i.e., triethyl citrate (TEC), glycerol (GLY), polyethylene glycol (PEG), and dioctyl phthalate (DOP). The factors studied were HS/CA and plasticizer/CA ratios. A NIR-hyperspectral image was acquired for each sample. The hypercubes obtained for the films containing the same plasticizer were unfolded in a matrix and then vertically concatenated. The samples data and compounds standard data were preprocessed using image-Despike, the multiplicative scatter correction (MSC), and the Savitzky Golay smoothing. A D matrix was built with the preprocessed samples and standards spectra. The MCR-ALS method was applied. The singular values decomposition (SVD) algorithm showed four components and the standards spectra were used as initial estimative for the spectra of pure components. Constraints were non-negativity concentrations and local rank. The relative concentration matrix (C) columns were reshaped in a spatial distribution matrix for each component. The method was able to recover with accuracy the pure spectra of each film component. The relative concentration vectors obtained by the MCR-ALS were rebuilt in matrices, and it was possible to analyze the homogeneity of the film constituents. Besides, mechanical performance and antimicrobial activity studies of the films were performed. Therefore, the study of the detailed distribution of chemical compounds incorporated into films was possible using NIR hyperspectral imaging combined with the MCR-ALS method. The mechanical test shows that films containing TEC presented the best performances. According to the antimicrobial test, only films with a high level of sorbic acid presented antimicrobial activity.Neste trabalho, realizou-se um estudo envolvendo o uso de imagem hiperespectral na região do infravermelho próximo (NIR-HSI) aliado à resolução multivariada de curvas com quadrados mínimos alternantes (MCR-ALS) para análise da homogeneidade de compostos químicos em filmes de acetato de celulose (CA). A principal vantagem do uso do NIR-HSI acoplado ao MCR-ALS é fornecer informações químicas e espaciais de forma rápida e simples, sem qualquer preparo de amostra. O desenvolvimento dos filmes foi realizado de acordo com um planejamento experimental fatorial completo. O ácido sórbico (HS) foi utilizado como agente antimicrobiano e quatro plastificantes foram estudados: trietil citrato (TEC), glicerol (GLY), polietileno glicol (PEG) e dioctilftalato (DOP). Os fatores estudados no planejamento foram as relações HS/CA e plastificante/CA. Realizaram-se estudos de desempenho mecânico e de atividade antimicrobiana dos filmes produzidos. Além disso uma imagem hiperspectral NIR foi adquirida para cada amostra. Os hipercubos obtidos para os filmes contendo o mesmo plastificante foram desdobrados em uma matriz e então estas foram concatenadas verticalmente. Os dados das amostras e os dados dos padrões dos compostos foram pré- tratados utilizando image-despike, correção de espalhamento multiplicativo (MSC), e suavização com filtro de Savitzky Golay. Uma matriz D foi construída com os espectros pré-tratados das amostras e dos padrões. O método MCR-ALS foi aplicado. O algoritmo de decomposição de valores singulares (SVD) indicou quatro componentes, e os espectros dos padrões foram utilizados como estimativa inicial para os espectros dos componentes puros. As restrições utilizadas foram concentrações não negativas e seletividade. As colunas da matriz de concentrações relativas (C) foram redobradas em uma matriz de distribuição espacial para cada componente e foi possível analisar a homogeneidade dos constituintes do filme. O método foi capaz de recuperar com exatidão os espectros puros de cada componente do filme. Dessa forma, o estudo da distribuição detalhada de compostos químicos incorporados em filmes foi possível utilizando a imagem hiperespectral NIR combinada com o método MCR-ALS. O teste mecânico mostra que os filmes contendo TEC apresentaram os melhores desempenhos. De acordo com o teste antimicrobiano, apenas filmes com alto teor de ácido sórbico apresentaram atividade antimicrobiana.