Spektroskopia w bliskiej podczerwieni (NIR) to spektroskopowa technika badawcza realizowana w oparciu o naturalne widmo elektromagnetyczne.
Bliska podczerwień to obszar widma w przedziale długości fali od 700 do 2500 nm. NIR jest precyzyjną i szybką metodą analityczną, która bardzo dobrze sprawdza się przy ilościowej ocenie głównych składników większości typów produktów spożywczych i rolnych.
Zalety technologii NIR
Zasadniczą korzyścią wynikającą ze stosowania analizy NIR jest szybkie uzyskanie wyników pomiaru, co z kolei ułatwia podejmowanie decyzji w procesach produkcyjnych w przemyśle spożywczym i rolniczym. W porównaniu z tradycyjnymi rozwiązaniami technologia NIR nie wymaga przygotowywania próbek (lub jest to konieczne jedynie w podstawowym zakresie), ani stosowania chemikaliów i innych materiałów eksploatacyjnych. Jest to również rozwiązanie niedestrukcyjne, przyjazne użytkownikowi, szybkie (czas pomiaru: 30-60 sekund), niezawodne i bardzo precyzyjne.
Jak to działa
Ogólną zasadę działania spektroskopii NIR można zdefiniować następująco:
- Na próbkę kierowane jest promieniowanie podczerwone
- Promieniowanie to ulega modyfikacji w zależności od składu próbki i następnie zostaje wykryte przez urządzenie (zob. segment Transmitancja i reflektancja poniżej).
- Modyfikacje widmowe są następnie przekształcane w dane o składzie próbki
- Algorytmy odpowiedzialne za to przekształcenie nazywamy ”kalibracjami”
Transmitancja i reflektancja
Widmo w podczerwieni można uzyskać poprzez skierowanie promieniowania podczerwonego przez próbkę, a następnie określenie, które jego części zostały w wyniku tego zmodyfikowane (transmisja). Można też wykorzystać efekt odbicia od próbki, a jej właściwości absorpcyjne mogą zostać określone na podstawie promieniowania odbitego (reflektancja). Reflektancja NIR to zagadnienie, którego nie będziemy szczegółowo opisywać w tym artykule.
Metodę odbiciową (reflektancja) lub absorpcyjną (transmitancja) wybiera się w zależności od danego zadania analitycznego. Na przykład transmitancja świetnie sprawdza się przy analizie sera, ponieważ pozwala uzyskać reprezentatywny wynik z całego przekroju próbki. Z kolei reflektancja jest doskonała do analizy próbek o konsystencji proszku czy granulatu, jak np. mleko w proszku.
W przypadku obu metod istotnym czynnikiem jest zakres długości fali. Na przykład krótki zakres długości fali (850 – 1050 nm) zapewnia dobrą penetrację próbki w przypadku korzystania z transmisji NIR.
Widmo w podczerwieni można uzyskać poprzez skierowanie promieniowania podczerwonego przez próbkę, a następnie określenie, które jego części zostały w wyniku tego zmodyfikowane (transmisja).
Jaka jest twoja częstotliwość?
Wszelkie rozważania na temat długości fali NIR należy rozpocząć od kwestii spektrometru, który przekształca promieniowanie podczerwone w użyteczny sygnał. Podstawowym pojęciem w kwestii technologii spektrometrów jest zakres długości fali, mierzony w nanometrach (nanometry - nm lub odwrotność centymetrów cm-1).
Bez wdawania się w skomplikowane szczegóły techniczne można powiedzieć, że niektóre zakresy długości fali lepiej nadają się do badania danych typów próbek niż inne. Na przykład długość fali odpowiednia do oznaczania białka w ziarnie różni się od tej, którą stosujemy do pomiaru aminokwasów w składnikach pasz, itp. Inną istotną kwestią jest stosunek sygnału do szumu, jaki różne urządzenia wykazują przy poszczególnych długościach fali, ponieważ to decyduje o jakości uzyskanego sygnału.
Widmo elektromagnetyczne dzieli się na kilka obszarów, z których każdy odpowiada za określony rodzaj transmisji molekularnej. Na przykład, długość fali promieniowania rentgenowskiego mieści się w zakresie zaledwie kilku nm, a promienie te są bardzo szkodliwe, ponieważ rozbijają wiązania chemiczne i jonizują cząsteczki. Z kolei promieniowanie bliskiej podczerwieni mieści się w zakresie 780 - 2500 nm i nie jest szkodliwe. Cząsteczki po prostu wchłaniają światło podczerwone w sposób zgodny z charakterystyką danej próbki.
Monochromatory, FT-NIR i DDA
W przypadku pomiarów ilościowych paszy powszechnym i sprawdzonym wyborem jest tzw. skanujący monochromator siatkowy. Urządzenia te sprawdzają się doskonale przy pomiarach ilościowych w wielu aplikacjach i obsługują szeroki zakres długości fali, co przekłada się na możliwość pomiaru licznych parametrów, w tym np. koloru pokarmu dla ryb lub innych materiałów wymagających, oprócz bliskiej podczerwieni, również zakresu światła widzialnego. Zamiennie, w przypadku zastosowania transmisji NIR do pomiaru niejednorodnych próbek, takich jak ziarno, korzystne może być użycie zakresu NIR o krótkiej długości fali (850 – 1050 nm), gdzie penetracja światła jest dobra, a oferowany przez skanujące monochromatory siatkowe doskonały stosunek sygnału do szumu jest po prostu nieodzowny.
Są też jednak minusy. Do osiągnięcia odpowiedniej dokładność długości fali niezbędne jest zastosowanie wewnętrznego wzorca pomiarowego. Jednakże, podobnie jak ma to miejsce w przypadku wszystkich pozostałych aspektów technologii NIR, skanujące monochromatory siatkowe stale się rozwijają, a wiele z nich korzysta już z takich wewnętrznych wzorców długości fali, aby uzyskać odpowiednią dokładność.
Z kolei w przypadku laboratoryjnych pomiarów jakościowych, gdzie wymagana jest wąska szerokość pasma, uwidaczniają się zalety technologii FT-NIR. Jest to rozwiązanie, które doskonale sprawdza się przy punktowych pomiarach jakościowych substancji o wąskich pasmach absorpcji lub, w niektórych zastosowaniach ilościowych, do analizy próbek o ciasno rozmieszczonych wąskich pasmach absorpcji. Ponadto możliwe jest dostosowanie rozdzielczości w taki sposób, aby uzyskać najlepszy kompromis pomiędzy optymalną długością fali a stosunkiem sygnału do szumu.
Wśród wad tego rozwiązania należy wymienić gorszy stosunek sygnału do szumu niż w przypadku monochromatorów, szczególnie przy krótkich zakresach długości fali, i brak obsługi zakresu światła widzialnego (poniżej 850 nm). Technologia FT-NIR nie jest również odporna na wibracje i jest to czynnik, który należy brać pod uwagę przy konstrukcji urządzeń przeznaczonych do pracy w środowisku hal produkcyjnych.
W takich przypadkach najlepszym rozwiązaniem będą detektory diodowe (DDA), które doskonale sprawdzają się w wytrzymałych analizatorach odpornych na wibracje, a możliwość pomiaru całego widma sprawia, że są również odporne na przemieszczanie się próbki. Wadą tego rozwiązania jest z kolei to, że nie da się uniknąć kompromisu pomiędzy zakresem długości fali, rozdzielczością i stosunkiem sygnału do szumu.
NIR or FTIR?
Technologie NIR i FTIR opierają się na bardzo zbliżonej zasadzie. Różnica polega na tym, że FTIR umożliwia pracę z promieniowaniem o większych długościach fali. Ponadto analizatory FTIR wymagają zastosowania wielu specjalistycznych komponentów i materiałów optycznych. Korzyścią wynikającą z możliwości pracy z takim zakresem długości fali jest fakt, że pozwala to zazwyczaj uzyskać bardziej precyzyjne dane o składzie chemicznym próbki.
W naszym filmie pod tytułem ‘Kierunki działania w analizach mleczarskich‘ przedstawiamy m.in. rozmowy z ekspertami FOSS, którzy opowiadają o tej technologii oraz o kwestiach, które należy rozważyć podczas wyboru analizatora pracującego w podczerwieni.
