Συνδυαστική χρήση μεθόδων φασματοσκοπικής απόκρισης – πλασμονικού συντονισμού σε φθορισμό, απορρόφηση και σκέδαση για τον προσδιορισμό της ποιότητας του νερού, του καφέ και του ελαιόλαδου

Abstract

Spectroscopy is one of the most important tools of modern scientific research. In an era where environmental pressures, nutritional needs, and quality-control requirements are intensifying, the need for reliable, rapid, and cost-effective analytical techniques is more urgent than ever.Contemporary analytical methods are required to provide accurate data for complex samples—ranging from fresh and seawater to foods and agricultural products—with the aim of protecting public health and improving product quality. Within this context, ultraviolet–visible (UV–Vis) spectroscopy emerges as a highly versatile tool, as it combines simplicity, speed, accuracy, and low implementation cost. The analysis of a sample’s absorption, scattering, and fluorescence spectra provides useful information about its composition and quality, enabling applications across a wide range of fields.In the present thesis, a portable and low-cost sensor system (below €200–300) was employed for rapid and non-destructive quality and composition assessment in foods (coffee) and environmental samples (waters containing microplastics). The system combines UV–Vis fluorescence and absorption spectroscopy, as well as scattering measurements, in order to investigate its capability to provide sufficient information for critical quality indicators such as density, pigment concentration, or the presence of microplastic particles, with the prospect of practical application in industry or quality-control settings Coffee, one of the most widely consumed beverages worldwide, was studied using this instrument, and the results showed that the setup is able to measure its characteristics reliably. Following the same approach, water contamination by microplastics was also investigated, exploring the use of visible-range spectroscopy as an affordable method for their detection in aqueous samples, as well as for the categorization of different types of microplastics. Finally, the properties of olive oil were examined, for which plasmonic resonance was employed using silver nanoparticles with diameters ranging from 20 nm to 80 nm. This enabled enhancement of fluorescence and absorption signals, thereby improving the overall measurement quality. Validation of the measurements was achieved by comparison with bench-top instruments: the Perkin-Elmer Lambda 35 UV/VIS absorption spectrophotometer and the Perkin-Elmer LS 45 fluorescence spectrometer, using the same coffee, microplastics, and olive oil samples.

Η φασματοσκοπία αποτελεί ένα από τα σημαντικότερα εργαλεία της σύγχρονης επιστημονικής έρευνας. Σε μια εποχή όπου οι περιβαλλοντικές πιέσεις, οι διατροφικές ανάγκες και οι απαιτήσεις ελέγχου ποιότητας εντείνονται, η ανάγκη για αξιόπιστες, γρήγορες και οικονομικά αποδοτικές αναλυτικές τεχνικές είναι πιο επιτακτική από ποτέ. Οι σύγχρονες αναλυτικές τεχνικές καλούνται να παράσχουν ακριβή δεδομένα σε σύνθετα δείγματα — από γλυκά και θαλασσινά νερά μέχρι τρόφιμα και γεωργικά προϊόντα — με στόχο την προστασία της δημόσιας υγείας και την βελτίωση της ποιότητας των προϊόντων. Σε αυτό το πλαίσιο, η φασματοσκοπία υπεριώδους-ορατού (UV-Vis) αναδεικνύεται ως ένα εξαιρετικά ευέλικτο εργαλείο, καθώς συνδυάζει απλότητα, ταχύτητα, ακρίβεια και χαμηλό κόστος εφαρμογής. Η ανάλυση των φασμάτων απορρόφησης σκέδασης και φθορισμού ενός δείγματος, προσφέρει χρήσιμες πληροφορίες σχετικά με τη σύσταση και τη ποιότητα του, βρίσκοντας εφαρμογή σε πλήθος πεδίων. Στην παρούσα διατριβή χρησιμοποιήθηκε ένα φορητό και οικονομικό σύστημα αισθητήρα (κάτω από τα 200 – 300 €) για τον γρήγορο και μη καταστροφικό έλεγχο ποιότητας και σύστασης σε τρόφιμα (καφές) και σε περιβαλλοντικά δείγματα (ύδατα με μικροπλαστικά), το οποίο συνδυάζει φασματοσκοπία φθορισμού και απορρόφησης στο UV–Vis και σκέδασης, για να διερευνηθεί η δυνατότητά του να προσφέρει επαρκή πληροφόρηση για κρίσιμους ποιοτικούς δείκτες, όπως πυκνότητα, συγκέντρωση χρωστικών ή ύπαρξη μικροπλαστικών σωματιδίων, με την προοπτική πρακτικής εφαρμογής σε βιομηχανία ή ελέγχους ποιότητας. Ο καφές, που αποτελεί ένα από τα πιο καταναλισκόμενα ροφήματα παγκοσμίως, μελετήθηκε με το όργανο αυτό και τα αποτελέσματα έδειξαν ότι η διάταξη είναι σε θέση να μετρήσει αξιόπιστα τα χαρακτηριστικά του. Στην ίδια λογική μετρήθηκε και η μόλυνση του νερού από μικροπλαστικά, όπου διερευνήθηκε η χρήση της φασματοσκοπίας στο ορατό ως προσιτής μεθόδου για την ανίχνευσή τους σε υδάτινα δείγματα, καθώς επίσης και της κατηγοριοποίησης διαφορετικών ειδών μικροπλαστικών. Τέλος, μελετήθηκαν οι ιδιότητες του ελαιόλαδου, για το οποίο χρησιμοποιήθηκε ο πλασμονικός συντονισμός με την χρήση νανοσωματιδίων αργύρου με διάμετρο από 20 nm έως 80 nm, επιτρέποντας έτσι ενίσχυση του φθορισμού και της απορρόφησης, αναβαθμίζοντας το επίπεδο της ποιότητας της μέτρησης. Η επικύρωση των μετρήσεων επετεύχθη με την χρήση επιτραπέζιου φασματοφωτόμετρου απορρόφησης Perkin-Elmer Lambda 35 UV/VIS και φθορισμού Perkin-Elmer LS 45 στα ίδια δείγματα καφέ, μικροπλαστικών και ελαιόλαδου.