NIR
Spectroscopie proche infrarouge
La technologie NIR est utilisée pour analyser les marchandises entrantes ou directement pendant le processus de production. La méthode permet de déterminer rapidement et de façon non destructive différents paramètres en même temps.
Qu’est-ce que la spectroscopie proche infrarouge?
La spectroscopie proche infrarouge (NIR) repose sur la réponse des liaisons moléculaires dans l’échantillon au rayonnement NIR (800 nm à 2 500 nm). Chaque fois que la lumière NIR interagit avec un échantillon, elle est absorbée, diffusée ou réfléchie. Ces interactions entre l’échantillon et la lumière produisent un spectre, qui est une représentation directe de la composition et des propriétés physiques de l’échantillon.
Les absorptions (pics) font référence à différents groupes fonctionnels en fonction du nombre d’ondes/de la longueur d’onde/de l’énergie de la lumière absorbée. Par exemple, un spectre NIR d’un produit contenant de l’humidité présente des pics pour les groupes fonctionnels O-H dans la plage d’environ 1 400 à 1 500 nm (7 100- 6 500 cm-1) et d’environ 1 900 à 2 000 nm (5 200-5 000 cm-1).
Figure 1 : Exemple de spectres NIR d’un type d’échantillon
Figure 2 : Régions d’absorption de différents groupes fonctionnels
■ bandes combinées
■ 1res harmoniques
■ 2es harmoniques
■ 3es harmoniques
Les pics dans un spectre NIR sont larges et ont tendance à se chevaucher. Il n’est généralement pas possible d’obtenir des informations directement à partir du spectre. Des étalonnages reposant sur les données de référence des méthodes standard (analyse par voie humide) sont nécessaires. C’est la raison pour laquelle la NIR est une méthode dite secondaire, les mesures sont des prédictions reposant sur des modèles d’étalonnage chimiométrique.
Bien que l’étalonnage en soi puisse nécessiter beaucoup de ressources, l’analyse de routine est très rapide et efficace. La simplicité d’utilisation de la méthode NIR permet aux opérateurs de tout niveau de compétence d’obtenir de bons résultats de mesure. Pour accélérer la mise en œuvre de la NIR, il est possible d’utiliser des applications pré-étalonnées qui incluent divers échantillons de différentes compositions et origines.
Quels paramètres est-il possible de mesurer grâce à la spectroscopie proche infrarouge?
Il est possible de mesurer un grand nombre de paramètres différents après l’étalonnage du système, tant qu’un composant a un effet sur les spectres NIR. De ce fait, l’analyse NIR est une méthode principalement destinée aux substances organiques (les substances inorganiques présentent une faible interaction avec la lumière NIR). Les paramètres les plus fréquemment analysés sont indiqués dans le tableau, mais il existe bon nombre d’autres possibilités, telles que le lactose, le sel, le gluten, les acides, l’alcool, etc.
- humidité
- protéines
- graisse (ou huile)
- cendres
- fibre
- sucre
Pour les applications alimentaires, consultez le guide gratuit du champion des analyses alimentaires.
Comment créer un modèle d’étalonnage NIR
Quel que soit le type d’application, d’analyse quantitative ou d’identification, les matrices et les compositions doivent être « enseignées » à l’instrument.
Pour établir un étalonnage quantitatif, les échantillons doivent être mesurés à l’aide de l’instrument NIR, puis analysés à l’aide d’une méthode de référence telle que la méthode de Kjeldahl, l’extraction de matières grasses, le four de séchage, la HPLC, le titrage, etc. Le modèle d’étalonnage sera ensuite créé en fonction des spectres NIR parallèlement aux valeurs de référence attribuées. Chaque matrice (type de produit) produisant un spectre différent, un étalonnage par matrice et par paramètre est nécessaire. Par exemple, un étalonnage prévu pour l’humidité dans le fromage ne peut pas être utilisé pour déterminer l’humidité dans la farine.
Figure 3 : Processus de création d’étalonnages NIR quantitatifs
Ⓐ mesure à l’aide de l’instrument NIR
Ⓑ analyse de référence (p. ex. extraction)
Ⓒ ajout de valeurs de référence aux spectres
Ⓓ création ou mise à jour de l’étalonnage
Figure 4 : Courbe d’étalonnage NIR montrant les valeurs prédites par rapport aux valeurs de référence
Il est possible de créer des étalonnages pour divers produits et paramètres en suivant cette procédure. En général, la spectroscopie proche infrarouge peut être employée pour mesurer des paramètres se situant dans la fourchette de pourcentages ; les déterminations dans les plages inférieures sont moins précises, voire impossibles. Distinguer deux paramètres différents, mais ayant des structures chimiques similaires peut également s’avérer difficile.
En cas d’identification de matière première, des étalonnages dits « en grappe » sont créés. Ici, le spectre NIR des différents produits est enregistré, puis affecté aux différentes substances. Si le spectre d’un matériau correspond à l’une de ces grappes, il est reconnu comme cette substance.
Figure 5 : Comment créer des étalonnages en grappes dans la spectroscopie proche infrarouge
Ⓐ mesure à l’aide de l’instrument NIR
Ⓑ analyse de référence (p. ex. HPLC)
Ⓒ affectation de substances aux spectres
Ⓓ création ou mise à jour de l’étalonnage
Figure 6 : Exemple de projection 2D d’un étalonnage en grappes de la NIR
Ⓐ Cellulose
Ⓑ Silice
Ⓒ Glucose
Ⓓ Amidon
Conseils pour créer des modèles d’étalonnage concluants dans la NIR
L’exactitude et la précision des mesures à l’aide d’un instrument NIR reposent sur les modèles d’étalonnage qui dépendent eux-mêmes du nombre d’échantillons d’étalonnage, de la sélection des échantillons d’étalonnage, ainsi que de la qualité des valeurs de référence obtenues avec les méthodes d’analyse primaires.
Facteurs à prendre compte dans la création des modèles d’étalonnage dans la NIR
Les échantillons d’étalonnage doivent être représentatifs de toute la gamme de variabilité du produit, comme la composition, la taille des particules, les écarts fournisseur/lot, les impuretés, les plages de température, la saison, etc.
Le nombre d’échantillons nécessaires pour créer des étalonnages n’est pas facile à prévoir. Les échantillons doivent être répartis uniformément sur toute la plage d’échantillons attendus ; si le champ d’action est grand, il faut plus d’échantillons au total pour créer un étalonnage que si le champ d’action est limité. Plus la quantité d’échantillons est élevée et plus la variabilité qu’ils couvrent est importante, plus le modèle d’étalonnage devient robuste.
La plage d’étalonnage doit être supérieure au champ d’action pour améliorer les performances aux limites du champ d’action. Les prédictions en dehors de la plage d’étalonnage ne sont que des extrapolations.
Les étalonnages NIR robustes nécessitent des valeurs de référence fiables. Les erreurs standard et l’incertitude de mesure des méthodes de référence doivent être prises en compte, car elles sont reportées sur les modèles d’étalonnage. Plus les résultats de la méthode de référence sont précis et exacts, plus le modèle d’étalonnage l’est également. Ces méthodes doivent être maintenues constantes tout au long du cycle de création de l’étalonnage NIR, car différentes méthodes de laboratoire peuvent présenter des résultats différents et avoir une précision et une exactitude différentes les unes par rapport aux autres.
NIR versus IR versus Raman
Ces trois méthodes d’analyse donnent une empreinte structurelle et fournissent des mesures en quelques secondes. Néanmoins, il existe quelques différences.
Tableau 1 : Avantages et inconvénients de la spectroscopie NIR, IR et Raman
Avantages | Limites | |
|---|---|---|
NIR | - Peut pénétrer les échantillons bien mieux que l’IR moyenne portée - Possibilité de mesurer des échantillons plus hétérogènes (contrairement à l’ATR-IR) - Inutile de préparer et de diluer des échantillons - Méthode non destructive - Peut mesurer des paramètres ayant des liaisons polaires (O-H, N-H, S-H, C-O, etc.) - Composants du système simples, y compris des modules de lampe simples comme source lumineuse | - Résolution inférieure à celle de la spectroscopie IR et Raman - Si un échantillon est mesuré à travers un récipient/sac, il doit également être étalonné - Difficultés à mesurer les substances inorganiques ou les molécules apolaires, telles que les hétérocycles |
IR | - Bandes d’absorption forte (vibrations fondamentales par rapport aux harmoniques) - Bonne séparation des bandes d’absorption - Peut servir à quantifier les composants individuels d’un mélange en fonction de la résistance de la bande d’absorption - Peut servir à identifier des substances à partir de bibliothèques de spectres | - Non utilisable avec des échantillons contenant de grandes quantités d’eau, car des pics d’eau peuvent chevaucher des pics d’intérêt - Préparation des échantillons plus complexe (s’il ne s’agit pas de l’ATR-IR, qui n’est qu’une méthode de surface) - Les porte-échantillons et les composants de l’instrument bon marché et facilement accessibles (tels que les sondes à fibre optique) en verre de quartz ou saphir ne peuvent pas être utilisés en raison de leur propre absorption |
Raman | - Méthode non destructive - Pics plus étroits et meilleure séparation que la NIR - Mesures rapides grâce au laser comme source lumineuse - Pas d’effets sur la taille des particules ou la structure des cristaux, ce qui pourrait, en revanche, être une information importante - Les récipients/sacs n’ont que peu d’effet sur les mesures | - Utilisable uniquement pour détecter les liaisons apolaires - Inutilisable pour l’analyse de la teneur en humidité - Le laser comme source lumineuse entraîne une complexité accrue des composants de l’instrument et un risque de surchauffe des échantillons - Les échantillons révélant une fluorescence sont difficiles à mesurer |
Dans l’ensemble, les trois méthodes jouent un rôle clé dans le contrôle de la qualité et la technologie des processus. Il convient d’évaluer soigneusement laquelle apporte le plus d’avantages à l’application concernée.