NIR
Spektroskopi inframerah dekat
NIR biasa digunakan untuk menganalisis barang masuk atau langsung dalam proses produksi. Metode ini memungkinkan penetapan berbagai parameter secara cepat dan nondestruktif secara bersamaan.
Apa itu spektroskopi inframerah dekat?
Spektroskopi Inframerah Dekat (Near Infrared Spectroscopy, "NIR") didasarkan pada respons ikatan molekuler dalam sampel terhadap radiasi NIR (800 nm hingga 2.500 nm). Setiap kali cahaya NIR berinteraksi dengan sampel, cahaya tersebut diserap, dihamburkan, atau dipantulkan. Interaksi antara sampel dan cahaya ini menghasilkan spektrum, yang merupakan representasi langsung dari komposisi dan sifat fisik sampel.
Penyerapan (puncak) merujuk pada gugus fungsi yang berbeda tergantung pada bilangan gelombang/panjang gelombang/energi cahaya yang diserap. Misalnya, spektrum NIR dari produk yang mengandung uap air menunjukkan puncak gugus fungsi O-H dalam rentang sekitar 1.400 hingga 1.500 nm (7.100 hingga 6.500 cm-1) dan sekitar 1.900 hingga 2.000 nm (5.200 hingga 5.000 cm-1).
Gambar 1: Contoh spektrum NIR dari satu jenis sampel
Gambar 2: Daerah penyerapan gugus fungsi yang berbeda
■ combination band
■ overtone ke-1
■ overtone ke-2
■ overtone ke-3
Puncak dalam spektrum NIR itu luas dan cenderung tumpang tindih. Kemungkinan memperoleh informasi langsung dari spektrum sangat kecil. Sebagai gantinya, kalibrasi berdasarkan data referensi dari metode standar (kimia basah) diperlukan. Karena hal ini, NIR menjadi metode sekunder dan pengukuran merupakan prediksi berdasarkan model kalibrasi kemometrik.
Meskipun kalibrasi sendiri mungkin memerlukan banyak sumber daya, analisis rutin sangat cepat dan efisien. Kemudahan penggunaan metode NIR memungkinkan operator, terlepas dari apa pun tingkat keterampilannya, mendapatkan hasil pengukuran yang baik. Untuk mempercepat penerapan NIR, aplikasi terkalibrasi dapat digunakan sebelumnya yang menyertakan sampel manifold dengan komposisi dan sumber yang berbeda.
Parameter apa saja yang dapat diukur dengan spektroskopi inframerah dekat?
Beragam parameter dapat diukur setelah sistem dikalibrasi, selama zat penyusun dapat memberi efek pada spektrum NIR. Analisis NIR menjadi metode yang digunakan terutama untuk zat organik karena fakta ini (zat anorganik menunjukkan interaksi rendah dengan cahaya NIR). Parameter yang paling sering dianalisis ditunjukkan dalam tabel, tetapi beberapa parameter lain mungkin juga dianalisis untuk beberapa zat, seperti laktosa, garam, gluten, asam, alkohol, dll.
- kelembapan
- protein
- lemak (atau minyak)
- abu
- serat
- gula
Untuk aplikasi pada makanan, lihat Panduan Champion tentang Analisis Makanan yang bisa diakses secara gratis.
Cara mengembangkan model kalibrasi NIR
Terlepas dari jenis aplikasi, analisis kuantitatif, atau identifikasinya, matriks dan komposisi perlu 'diajarkan' ke instrumen.
Untuk mengembangkan kalibrasi kuantitatif, sampel harus diukur dengan instrumen NIR, lalu dianalisis dengan metode referensi, seperti Kjeldahl, ekstraksi lemak, oven pengeringan, HPLC, titrasi, dll. Kemudian, model kalibrasi akan dikembangkan berdasarkan spektrum NIR dan nilai referensi yang diberikan. Karena setiap matriks (jenis produk) menghasilkan spektrum yang berbeda, satu kali kalibrasi per matriks dan parameter perlu dilakukan. Misalnya, kalibrasi kadar air dalam keju tidak dapat digunakan untuk menentukan kadar air dalam tepung.
Gambar 3: Proses pengembangan kalibrasi NIR kuantitatif
Ⓐ pengukuran dengan instrumen NIR
Ⓑ analisis referensi (misal, ekstraksi)
Ⓒ menambahkan nilai referensi ke spektrum
Ⓓ mengembangkan atau memperbarui kalibrasi
Gambar 4: Plot kalibrasi NIR menunjukkan nilai prediksi versus nilai referensi
Dengan mengikuti prosedur ini, kalibrasi untuk banyak produk dan parameter dapat dibuat. Secara umum, spektroskopi inframerah dekat dapat diterapkan untuk mengukur parameter dalam rentang persentase; penetapan dalam rentang yang lebih rendah kurang akurat, bahkan tidak mungkin dilakukan. Membedakan antara dua parameter berbeda dengan struktur kimia yang serupa juga bisa menjadi tantangan.
Dalam identifikasi bahan mentah, kalibrasi kluster terbentuk. Pada tahap ini, spektrum NIR dari beragam produk dicatat, lalu ditetapkan ke zat-zat yang berbeda. Jika spektrum suatu bahan cocok dengan salah satu kluster tersebut, spektrum akan dikenali sebagai zat tersebut.
Gambar 5: Cara mengembangkan kalibrasi kluster dalam spektroskopi inframerah dekat
Ⓐ pengukuran dengan instrumen NIR
Ⓑ analisis referensi (misalnya, HPLC)
Ⓒ menetapkan zat ke spektrum
Ⓓ mengembangkan atau memperbarui kalibrasi
Gambar 6: Contoh proyeksi 2D kalibrasi kluster NIR
Ⓐ Selulosa
Ⓑ Silika
Ⓒ Glukosa
Ⓓ Pati
Tips untuk mengembangkan model kalibrasi NIR yang berhasil
Keakuratan dan presisi pengukuran dengan instrumen NIR didasarkan pada model kalibrasi yang bergantung pada jumlah sampel kalibrasi, pemilihan sampel kalibrasi, dan kualitas nilai referensi yang diperoleh dengan metode analisis primer.
Faktor dalam pengembangan model kalibrasi NIR
Sampel kalibrasi harus merepresentasikan seluruh rentang variabilitas produk, seperti komposisi, ukuran partikel, varian pemasok/batch, ketakmurnian, rentang suhu, musim, dan sebagainya.
Jumlah sampel yang dibutuhkan untuk mengembangkan kalibrasi tidak mudah diprediksi. Sampel harus didistribusikan secara merata ke seluruh rentang sampel yang ditentukan; jika rentang kerjanya besar, total sampel yang diperlukan untuk membangun kalibrasi lebih banyak daripada jika rentangnya kecil. Makin banyak jumlah sampel dan variabilitas yang dicakup oleh rentang, makin efektif model kalibrasinya.
Rentang kalibrasi harus lebih besar daripada rentang kerja, untuk meningkatkan kinerja pada batas rentang kerja. Prediksi di luar rentang kalibrasi hanya sekadar ekstrapolasi.
Kalibrasi NIR yang efektif memerlukan nilai referensi yang andal. Kesalahan standar dan ketidakpastian pengukuran metode referensi perlu dipertimbangkan karena akan diteruskan ke model kalibrasi. Makin akurat dan presisi hasil metode referensi, makin akurat dan presisi model kalibrasinya. Metode ini harus dijaga agar tetap konstan selama siklus pengembangan kalibrasi NIR, terutama karena metode laboratorium yang berbeda dapat menunjukkan hasil yang berbeda dan memiliki akurasi dan presisi yang berbeda.
NIR vs. IR vs. Raman
Ketiga metode analisis tersebut menghasilkan ciri khas struktural dan pengukuran dalam hitungan detik. Meski demikian, ketiganya memiliki beberapa perbedaan.
Tabel 1: Kelebihan dan Kekurangan Spektroskopi NIR, IR, dan Raman
Kelebihan | Keterbatasan | |
|---|---|---|
NIR | - Dapat menembus sampel jauh lebih baik daripada IR rentang menengah - Kemungkinan untuk mengukur sampel yang lebih heterogen (berbeda dengan ATR-IR) - Tidak memerlukan preparasi dan pengenceran sampel - Metode nondestruktif - Dapat mengukur parameter dengan ikatan polar (O-H, N-H, S-H, C-O, dll.) - Komponen sistem sederhana, termasuk modul lampu sederhana sebagai sumber cahaya | - Resolusi lebih buruk dibanding IR dan Raman - Jika diukur melalui wadah/kantong, sampel perlu dikalibrasi juga - Sulit untuk mengukur zat anorganik atau molekul nonpolar seperti heterosiklik |
IR | - Band penyerapan yang kuat (getaran vs. overtone dasar) - Pemisahan band penyerapan yang baik - Dapat digunakan untuk mengukur komponen individu dalam campuran dengan kekuatan band penyerapan - Dapat digunakan untuk mengidentifikasi zat berdasarkan pustaka spektrum | - Tidak dapat digunakan dengan sampel yang mengandung banyak air karena puncak air mungkin tumpang tindih dengan puncak yang diinginkan - Preparasi sampel lebih kompleks (jika bukan ATR-IR, yang hanya merupakan metode permukaan) - Penahan sampel dan komponen instrumen (seperti probe serat optik) yang murah, mudah didapatkan, dan terbuat dari kaca kuarsa atau safir tidak dapat digunakan mengingat daya serap kedua jenis kaca tersebut |
Raman | - Metode nondestruktif - Puncaknya lebih sempit dan pemisahannya lebih baik daripada NIR - Pengukuran cepat karena menggunakan laser sebagai sumber cahaya - Partikel atau struktur kristal tidak memengaruhi; yang juga bisa menjadi informasi penting - Wadah/kantung hanya sedikit memengaruhi pengukuran | - Hanya dapat digunakan untuk mendeteksi ikatan nonpolar - Tidak dapat digunakan untuk analisis kadar air - Laser sebagai sumber cahaya menyebabkan komponen instrumen makin kompleks dan bahaya sampel menjadi terlalu panas - Sampel yang menunjukkan fluoresensi sulit diukur |
Secara keseluruhan, ketiga metode berperan penting dalam kontrol kualitas dan teknologi proses. Namun, evaluasi harus dilakukan dengan hati-hati untuk menentukan metode mana yang paling bermanfaat bagi aplikasi yang diminta.