NIR
Spettroscopia nel vicino infrarosso
La tecnologia NIR viene regolarmente utilizzata per analizzare le merci in entrata o direttamente nel processo di produzione. Il metodo consente una determinazione rapida e non distruttiva di vari parametri contemporaneamente.
Cos’è la spettroscopia nel vicino infrarosso?
La spettroscopia nel vicino infrarosso (NIR) si basa sulla risposta dei legami molecolari all’interno del campione alla radiazione NIR (da 800 nm a 2.500 nm). Quando la luce NIR interagisce con un campione, viene assorbita, diffusa o riflessa. Queste interazioni campione-luce producono uno spettro, che è una rappresentazione diretta della composizione e delle proprietà fisiche del campione.
Gli adsorbimenti (picchi) fanno riferimento a diversi gruppi funzionali a seconda di numero d’onda/lunghezza d’onda/energia della luce adsorbita. Ad esempio, uno spettro NIR di un prodotto contenente umidità mostra picchi per gruppi funzionali O-H nell’intervallo di circa 1.400 – 1.500 nm (7.100 – 6.500 cm-1) e di circa 1.900 – 2.000 nm (5.200 – 5.000 cm-1).
Figura 1: Esempio di spettri NIR di un tipo di campione
Figura 2: Regioni di adsorbimento di diversi gruppi funzionali
■ Bande combinate
■ 1° armonici
■ 2° armonici
■ 3° armonici
I picchi in uno spettro NIR sono ampi e tendono a sovrapporsi. In genere non è possibile ricavare informazioni direttamente dallo spettro. Sono invece necessarie calibrazioni basate sui dati di riferimento dei metodi standard (chimica per via umida). Questo è il motivo per cui la NIR è un cosiddetto metodo secondario, le misurazioni sono previsioni basate su modelli di calibrazione chemiometrica.
Sebbene la calibrazione stessa possa richiedere molte risorse, l’analisi di routine è molto rapida ed efficiente. La semplicità di utilizzo del metodo NIR consente agli operatori di qualsiasi livello di competenza di ottenere buoni risultati di misurazione. Per accelerare l’implementazione della tecnologia NIR, è possibile utilizzare applicazioni precalibrate che includono molteplici campioni di composizione e origine diverse.
Quali parametri possono essere misurati con la spettroscopia nel vicino infrarosso?
Dopo la calibrazione del sistema è possibile misurare molti parametri diversi, a condizione che un costituente abbia un effetto sugli spettri NIR. Per questo motivo, l’analisi NIR è principalmente un metodo per le sostanze organiche (le sostanze inorganiche presentano una bassa interazione con la luce NIR). Nella tabella sono riportati i parametri analizzati più di frequente, ma è possibile analizzarne molti altri come lattosio, sale, glutine, acidi, alcol ecc.
- umidità
- proteine
- grasso (o olio)
- ceneri
- fibra
- zucchero
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Come sviluppare un modello di calibrazione NIR
Indipendentemente dal tipo di applicazione, dall’analisi quantitativa o dall’identificazione, le matrici e le composizioni devono essere «insegnate» allo strumento.
Per creare una calibrazione quantitativa, i campioni devono essere misurati con lo strumento NIR e successivamente analizzati con un metodo di riferimento come Kjeldahl, estrazione di grassi, forno di essiccazione, HPLC, titolazione, ecc. Il modello di calibrazione verrà quindi creato in base agli spettri NIR insieme ai valori di riferimento assegnati. Poiché ogni matrice (tipo di prodotto) produce uno spettro diverso, è necessaria una calibrazione per matrice e parametro. Ad esempio, non è possibile utilizzare una calibrazione per l’umidità nel formaggio per determinare l’umidità nella farina.
Figura 3: Il processo di sviluppo di calibrazioni NIR quantitative
Ⓐ Misurazione con lo strumento NIR
Ⓑ Analisi di riferimento (ad es. estrazione)
Ⓒ Aggiunta di valori di riferimento agli spettri
Ⓓ Sviluppo o aggiornamento della calibrazione
Figura 4: Grafico di calibrazione NIR che mostra i valori previsti rispetto a quelli di riferimento
Seguendo questa procedura, è possibile creare calibrazioni per molti prodotti e parametri. In generale, la spettroscopia nel vicino infrarosso può essere applicata per misurare i parametri nell’intervallo percentuale; le determinazioni negli intervalli inferiori sono meno accurate o addirittura impossibili. Anche distinguere tra due diversi parametri con strutture chimiche simili può essere difficile.
In caso di identificazione di materie prime, vengono create le cosiddette calibrazioni cluster. Qui lo spettro NIR dei diversi prodotti viene registrato e quindi assegnato alle diverse sostanze. Se lo spettro di un materiale rientra in uno di questi cluster, viene riconosciuto come la relativa sostanza.
Figura 5: Come sviluppare calibrazioni in cluster nella spettroscopia nel vicino infrarosso
Ⓐ Misurazione con lo strumento NIR
Ⓑ Analisi di riferimento (ad es. HPLC)
Ⓒ Assegnazione delle sostanze agli spettri
Ⓓ Sviluppo o aggiornamento della calibrazione
Figura 6: Esempio di una proiezione 2D di una calibrazione in cluster NIR
Ⓐ Cellulosa
Ⓑ Silice
Ⓒ Glucosio
Ⓓ Amido
Suggerimenti per lo sviluppo di modelli di calibrazione NIR di successo
L’accuratezza e la precisione delle misurazioni con uno strumento NIR si basano sui modelli di calibrazione che dipendono dal numero di campioni di calibrazione, dalla selezione dei campioni di calibrazione e dalla qualità dei valori di riferimento ottenuti con i metodi di analisi primari.
Fattori nello sviluppo del modello di calibrazione NIR
I campioni di calibrazione devono essere rappresentativi dell’intera gamma di variabilità del prodotto, quali composizione, dimensioni delle particelle, variazioni fornitore/lotto, impurità, intervalli di temperatura, stagione e così via.
Il numero di campioni necessari per realizzare le calibrazioni non è facile da prevedere. I campioni devono essere distribuiti uniformemente nell’intero intervallo di campioni previsto; se l’intervallo di lavoro è ampio, è necessario un maggior numero di campioni totali per realizzare una calibrazione rispetto a quello richiesto se l’intervallo è ridotto. Maggiore è la quantità di campioni e più elevata è la variabilità da essi coperta, maggiore sarà la solidità del modello di calibrazione.
Per migliorare le prestazioni ai limiti dell’intervallo di lavoro, l’intervallo di calibrazione deve essere superiore all’intervallo di lavoro. Le previsioni al di fuori dell’intervallo di calibrazione sono mere estrapolazioni.
Le calibrazioni NIR robuste richiedono valori di riferimento affidabili. Gli errori standard e l’incertezza di misurazione dei metodi di riferimento devono essere tenuti in considerazione poiché vengono riportati sui modelli di calibrazione. Maggiori sono l’accuratezza e la precisione dei risultati del metodo di riferimento, più accurato e preciso sarà il modello di calibrazione. Questi metodi devono essere mantenuti costanti per tutto il ciclo di sviluppo della calibrazione NIR, poiché diversi metodi di laboratorio possono mostrare risultati diversi e presentano inoltre accuratezza e precisione diverse l’uno rispetto all’altro.
Confronto tra NIR, IR e Raman
Tutti e tre i metodi di analisi forniscono un’impronta strutturale e misurazioni in pochi secondi. Tuttavia, ci sono alcune differenze.
Tabella 1: Vantaggi e svantaggi della spettroscopia NIR, IR e Raman
Vantaggi | Limitazioni | |
|---|---|---|
NIR | - Può penetrare i campioni molto meglio dell’IR a medio raggio - Possibilità di misurare campioni più eterogenei (a differenza di ATR-IR) - Non sono necessarie la preparazione e la diluizione del campione - Metodo non distruttivo - È in grado di misurare i parametri con legami polari (O H, N-H, S-H, C-O ecc.) - Componenti di sistema semplici, tra cui semplici moduli lampada come sorgente luminosa | - Risoluzione inferiore rispetto a IR e Raman - Se un campione viene misurato attraverso un contenitore/sacchetto, anche questo deve essere calibrato - Sostanze inorganiche difficili da misurare o molecole non polari come gli eterociti |
IR | - Forti bande di assorbimento (vibrazioni fondamentali vs armonici) - Buona separazione delle bande di adsorbimento - Può essere utilizzato per quantificare i singoli componenti in una miscela in base alla forza della banda di adsorbimento - Può essere utilizzato per identificare le sostanze in base alle librerie di spettri | - Non può essere utilizzato con campioni contenenti elevate quantità di acqua poiché i picchi d’acqua potrebbero sovrapporsi ai picchi di interesse - Preparazione dei campioni più complessa (se non ATR-IR, che è solo un metodo di superficie) - I portacampioni e i componenti dello strumento (come le sonde a fibre ottiche), realizzati in quarzo o saphire economici e facilmente accessibili non possono essere utilizzati a causa del loro absorbimento |
Raman | - Metodo non distruttivo - Picchi più stretti e separazione migliore rispetto a NIR - Misurazioni rapide grazie al laser come sorgente luminosa - Nessun effetto sulle dimensioni delle particelle o sulla struttura del cristallo, che d’altro canto potrebbero essere informazioni importanti - I contenitori/sacchetti hanno un effetto minimo sulle misurazioni | - Può essere utilizzato solo per rilevare legami non polari - Non può essere utilizzato per l’analisi del contenuto di umidità - Il laser come sorgente luminosa comporta una maggiore complessità dei componenti dello strumento e il pericolo di surriscaldamento dei campioni - I campioni che presentano fluorescenza sono difficili da misurare |
In generale, tutti e tre i metodi svolgono un ruolo chiave nel controllo qualità e nella tecnologia di processo e deve essere valutato attentamente quale metodo apporti il maggior vantaggio all’applicazione richiesta.