NIR
Espectroscopia de infravermelho próximo
A tecnologia NIR é usada para analisar produtos recebidos ou diretamente no processo produtivo. O método possibilita a determinação rápida e não destrutiva de diversos parâmetros ao mesmo tempo.
O que é espectroscopia de infravermelho próximo?
A base da espectroscopia de infravermelho próximo (NIR) é a resposta das ligações moleculares da amostra à radiação NIR (800 nm – 2.500 nm). Quando a luz NIR interagir com a amostra, ela será absorvida, dispersada ou refletida. Essas interações entre a amostra e a luz produzem um espectro, que é uma representação direta da composição e das propriedades físicas da amostra.
As absorções (picos) representam diferentes grupos funcionais, dependendo do número de onda/comprimento de onda/energia da luz que é absorvida. Por exemplo: o espectro NIR de um produto contendo umidade terá picos de grupos funcionais O-H na faixa de referência 1.400 – 1.500 nm (7.100 – 6.500 cm-1) e 1.900 – 2.000 nm (5.200 – 5.000 cm-1).
Figura 1: Exemplo de espectros NIR de um tipo de amostra
Figura 2: Regiões de absorção nos diferentes grupos funcionais
■ Bandas que se sobrepõem
■ Primeiros sobretons
■ Segundos sobretons
■ Terceiros sobretons
Os picos do espectro NIR são amplos e tendem a se sobrepor. Em geral, não é possível derivar informações diretamente do espectro. Na verdade, precisamos de calibrações que se baseiam em dados de referência de métodos consagrados (química úmida). Por isso, a tecnologia NIR é conhecida como um método secundário; a medição é uma predição baseada em modelos de calibração quimométricos.
Embora a calibração em si demande muitos recursos, a análise de rotina é muito rápida e eficiente. A simplicidade do método NIR permite que operadores com qualquer nível de habilidade tenham bons resultados nas medições. Para acelerar a implementação do NIR, é possível usar aplicações pré-calibradas que incluem muitas amostras com composições e origens diferentes.
Que parâmetros podem ser mensurados com a espectroscopia de infravermelho próximo?
Muitos parâmetros diferentes podem ser aferidos após a calibração do sistema, desde que os constituintes tenham efeito sobre os espectros NIR. Por isso, a análise NIR é um método usado primariamente em substâncias orgânicas (substâncias inorgânicas têm pouca interação com luz NIR). Na tabela constam os parâmetros mais frequentemente analisados, mas muitos outros (como lactose, sal, glúten, ácidos, álcool etc.) são possíveis também.
- umidade
- proteínas
- gorduras (ou óleos)
- cinzas
- fibras
- açúcares
Vide as aplicações alimentícias em nosso guia “Análise de processos de alimentos: O Guia do Campeão”.
Como desenvolver um modelo de calibração de NIR
Independentemente do tipo de aplicação — identificação ou análise quantitativa —, é preciso “ensinar” ao equipamento quais são as matrizes e as composições.
Para montar uma calibração quantitativa, é preciso medir as amostras com o equipamento de NIR e analisá-las depois com um dos métodos de referência, como Kjeldahl, extração de gordura, secagem em estufa, HPLC, titulação etc. Montamos o modelo de calibração com os espectros NIR e os valores de referência atribuídos. Como cada matriz (tipo de produto) gera um espectro diferente, só é necessário fazer uma calibração por matriz e parâmetro. Por exemplo, a calibração de umidade em queijo não pode ser usada para determinar umidade em farinha.
Figura 3: Processo de desenvolver calibrações quantitativas para NIR
Ⓐ medir com o equipamento de NIR
Ⓑ análise de referência (p. ex., extração)
Ⓒ acrescer valor de referência ao espectro
Ⓓ desenvolver ou atualizar a calibração
Figura 4: Gráfico de calibração de NIR relacionando valores preditos e de referência
Seguindo esse procedimento, podemos criar calibrações para muitos produtos e parâmetros. Em geral, a espectroscopia de infravermelho próximo pode ser aplicada para medir parâmetros dentro de uma faixa de referência percentual; as determinações com os menores valores nessa faixa são menos precisas — ou até mesmo, impossíveis. Distinguir dois parâmetros com estruturas químicas semelhantes um do outro também pode ser um desafio.
No caso da identificação de matérias-primas, usa-se as calibrações coletivas. Nessas calibrações, fica registrado o espectro NIR de diferentes produtos, que por sua vez é atribuído a diferentes substâncias. Se o espectro da matéria-prima corresponder a um desses grupos, ela será reconhecida como essa respectiva substância.
Figura 5: Como desenvolver calibrações coletivas na espectroscopia de infravermelho próximo
Ⓐ medir com o equipamento de NIR
Ⓑ análise de referência (p. ex., HPLC)
Ⓒ espectro atribuído às diferentes substâncias
Ⓓ desenvolver ou atualizar a calibração
Figura 6: Exemplo de projeção 2D de calibração coletiva de NIR
Ⓐ celulose
Ⓑ sílica
Ⓒ glicose
Ⓓ amido
Dicas para desenvolver bons modelos de calibração de NIR
A acurácia e a precisão das medidas com o equipamento de NIR são fundamentadas nos modelos de calibração, que por sua vez dependem da quantidade de amostras de calibração, da seleção dessas amostras e da qualidade dos valores de referência gerados nos métodos das análises primárias.
Fatores para desenvolver um modelo de calibração NIR
As amostras de calibração precisam ser representativas de toda a gama de variabilidades do produto, como composição, tamanhos de partícula, variações de fornecedor/lote, impurezas, faixas de temperatura, época do ano etc.
Não é fácil prever a quantidade de amostras de que você vai precisar para montar a calibração. É preciso distribuir homogeneamente as amostras em toda a gama prevista de material; se a gama for muito grande, serão necessárias mais amostras no total para calibrar do que com uma gama menor. Quanto maior a quantidade de amostras e quanto mais variabilidade elas representarem, mais robusto será o modelo de calibração.
Essa faixa de valores deve ser mais ampla do que a faixa dos valores com os quais você efetivamente trabalhará, para melhorar o desempenho com valores limítrofes. As medições fora da faixa de calibração só podem ser consideradas uma extrapolação
Para que a calibração de NIR seja robusta, os valores de referência precisam ser confiáveis. É preciso considerar o erro-padrão e as limitações dos métodos de referência, porque tudo isso é transposto para o modelo de calibração. Quanto mais acurados e precisos forem os resultados do método de referência, mais acurado e preciso será o modelo de calibração. Esses métodos precisam continuar constantes no decorrer do ciclo de desenvolvimento da calibração de NIR, pois diferentes métodos laboratoriais podem ter diferentes resultados — e também acurácia e precisão diferentes, um em relação ao outro.
NIR, IV e Raman
Esses três métodos de análise geram uma impressão digital do material em segundos, mas, mesmo assim, eles têm diferenças.
Tabela 1: Vantagens e desvantagens das espectroscopias NIR, IV e Raman
Benefícios | Limitações | |
|---|---|---|
NIR | - Melhor penetrância nas amostras que infravermelho médio. - Possível medir amostras mais heterogêneas (impossível na ATR-IR). - Não é necessário preparar nem diluir a amostra. - Método não destrutivo. - Possível medir parâmetros com ligações polares (O-H, N-H, S-H, C-O etc.). - Os componentes do sistema são simples; aceita inclusive módulo de lâmpada simples como fonte de luz. | - Resolução inferior a IV e Raman. - Se a amostra for medida dentro de recipiente/saco, ela também precisará ser calibrada. - Difícil medir substâncias inorgânicas ou moléculas não polares, como compostos heterocíclicos. |
IR | - Bandas de absorção fortes (vibrações fundamentas versus sobretons). - Boa separação das bandas de absorção. - Pode ser usada para quantificar componentes individuais em uma mistura pela intensidade da banda de absorção. - Pode ser usada para identificar substâncias com base em bibliotecas de espectros. | - Não pode ser usada com amostras contendo grandes quantidades de água, porque picos de água podem se sobrepor aos picos de interesse. - Preparo mais complexo da amostra (exceto ATR-IR, que é um método de superfície). - Não é possível usar no equipamento copos coletores e outros componentes (como sensores de fibra ótica) baratos e mais acessíveis que sejam feitos de quartzo de vidro ou safira, por causa da absorção desses materiais. |
Raman | - Método não destrutivo. - Picos mais estreitos e separação melhor que o NIR. - Medidas rápidas por causa da fonte de luz a laser. - Nenhum efeito no tamanho das partículas ou na estrutura de cristal, que podem ser informações importantes para outros fins. - Coletores/sacos têm pouco efeito nas medidas. | - Só pode ser usada para detectar ligações não polares. - Não pode ser usada para análise de teor de umidade. - O fato de a fonte de luz ser um laser deixa os componentes do equipamento mais complexos e acarreta perigo de superaquecer as amostras. - Amostras com fluorescência são difíceis de se medir. |
Globalmente, os três métodos têm papéis importantes na tecnologia de controle da qualidade e processos; é preciso avaliar com cuidado qual deles é melhor na aplicação em questão.