NIR

เนียร์อินฟราเรดสเปกโทรสโกปีคืออะไร

เนียร์อินฟราเรด (NIR) สเปกโทรสโกปีขึ้นอยู่กับปฏิกิริยาของของพันธะโมเลกุลภายในสารตัวอย่างต่อรังสี NIR (ขนาด 800 นาโนเมตรถึง 2,500 นาโนเมตร) เมื่อใดก็ตามที่แสง NIR ทำปฏิกิริยากับสารตัวอย่าง แสงจะถูกดูดซับ กระจาย หรือสะท้อนกลับ ปฏิกิริยาระหว่างแสงกับสารตัวอย่างเหล่านี้ส่งผลให้เกิดสเปกตรัม ซึ่งเป็นการแสดงผลโดยตรงขององค์ประกอบและคุณสมบัติทางกายภาพของสารตัวอย่าง

การดูดซับแสง (ค่าพีคส์) อ้างถึงหมู่ฟังก์ชันต่าง ๆ ขึ้นอยู่กับจำนวนคลื่น/ความยาวคลื่น/พลังงานของแสงที่ถูกดูดซับ ตัวอย่างเช่น สเปกตรัม NIR ของผลิตภัณฑ์ที่มีความชื้นแสดงค่าพีคส์สำหรับหมู่ฟังก์ชัน O-H ในช่วง Ca 1,400 ถึง 1,500 นาโนเมตร (7,100 ถึง 6,500 ซม.-1) และโดยประมาณ 1900 ถึง 2,000 นาโนเมตร (5200 ถึง 5,000 ซม.-1)

ภาพที่ 1: ตัวอย่างสเปกตรัม NIR ของตัวอย่างหนึ่งตัวอย่าง

ภาพที่ 2: บริเวณการดูดซับของหมู่ฟังก์ชันต่าง ๆ

■ แถบผลบวก (Combination bands)

■ แถบความถี่เกินครั้งที่หนึ่ง (1st overtones)

■ แถบความถี่เกินครั้งที่สอง (2nd overtones)

■ แถบความถี่เกินครั้งที่สาม (3rd overtones)

ค่าพีคส์ในสเปกตรัม NIR กว้างและมีแนวโน้มที่จะทับซ้อนกัน ในกรณีส่วนใหญ่เป็นไปไม่ได้ที่จะได้รับข้อมูลโดยตรงจากสเปกตรัม จำเป็นต้องทำการสอบเทียบตามข้อมูลอ้างอิงจากวิธีมาตรฐาน (การวิเคราะห์ทางเคมีแบบแผนเดิม) แทน นี่คือเหตุผลที่ว่า NIR เป็นวิธีที่เรียกว่าวิธีทุติยภูมิ การวัดเป็นการคาดคะเนตามแบบจำลองการสอบเทียบทางเคมี

แม้ว่าการสอบเทียบเองอาจต้องใช้ทรัพยากรมาก แต่ในการวิเคราะห์ที่ทำเป็นประจำนั้นรวดเร็วและมีประสิทธิภาพมาก ด้วยวิธี NIR ที่ใช้งานง่ายช่วยให้ผู้ปฏิบัติงานทุกระดับทักษะสามารถบรรลุผลการวัดที่ดีได้ เพื่อเพิ่มความเร็วในการใช้งาน NIR สามารถใช้แอปพลิเคชันที่ปรับเทียบค่าล่วงหน้าได้ ซึ่งรวมถึงตัวอย่างที่หลากหลายขององค์ประกอบและแหล่งกำเนิดที่แตกต่างกัน

พารามิเตอร์ใดบ้างที่สามารถวัดได้ด้วยเทคนิคเนียร์อินฟราเรดสเปกโทรสโกปี

สามารถวัดพารามิเตอร์ต่างๆ ได้มากมายหลังจากปรับเทียบค่าระบบแล้ว ตราบใดที่องค์ประกอบมีผลกับสเปกตรัม NIR การวิเคราะห์ NIR เป็นวิธีการหลักสำหรับสารอินทรีย์เนื่องจากข้อเท็จจริงนี้ (สารอนินทรีย์มีปฏิกิริยากับแสง NIR ต่ำ) พารามิเตอร์ที่วิเคราะห์บ่อยที่สุดจะแสดงในตาราง แต่อาจมีอีกมากมาย เช่น แลคโตส เกลือ กลูเตน กรด แอลกอฮอล์ ฯลฯ

• ความชื้น
• โปรตีน
• ไขมัน (หรือน้ำมัน)
• เถ้า
• ไฟเบอร์
• น้ำตาล

สำหรับการใช้งานด้านอาหาร โปรดอ่านคู่มือการวิเคราะห์อาหารของแชมเปี้ยน(Champion's Guide to Food Analytics)ได้ฟรี

วิธีการพัฒนาโมเดลการสอบเทียบ NIR

ไม่ขึ้นกับประเภทของการใช้งาน การวิเคราะห์หรือการระบุ เมตริกซ์ และองค์ประกอบเชิงปริมาณต้อง "ให้การศึกษา" กับเครื่องมือ

ในการสร้างการสอบเทียบเชิงปริมาณ ต้องวัดสารตัวอย่างด้วยเครื่องมือ NIR จากนั้นจึงวิเคราะห์ด้วยวิธีอ้างอิง เช่น เทคนิคเจลดาห์ล, การสกัดไขมัน, เตาอบเพื่อการทำให้แห้ง, HPLC, การไตเตรต เป็นต้น จากนั้นโมเดลการปรับเทียบค่าจะถูกสร้างขึ้นโดยใช้สเปกตรัม NIR ร่วมกับค่าอ้างอิงที่กำหนด เนื่องจากทุกเมตริกซ์ (ประเภทผลิตภัณฑ์) ให้สเปกตรัมที่แตกต่างกัน จึงจำเป็นต้องมีการสอบเทียบหนึ่งครั้งต่อเมตริกซ์และพารามิเตอร์ ตัวอย่างเช่น ไม่สามารถใช้การสอบเทียบความชื้นในชีสเพื่อกำหนดวิเคราะห์หาปริมาณความชื้นในแป้งได้

ภาพที่ 3: กระบวนการพัฒนาการสอบเทียบ NIR เชิงปริมาณ

Ⓐ การวัดด้วยเครื่องมือ NIR
Ⓑ การวิเคราะห์อ้างอิง (เช่น การสกัด)
Ⓒ การเพิ่มค่าอ้างอิงให้กับสเปกตรัม
Ⓓ พัฒนาหรืออัปเดตการสอบเทียบ

ภาพที่ 4: แผนผังการสอบเทียบ NIR แสดงค่าที่คาดการณ์เทียบกับค่าอ้างอิง

โดยทำตามขั้นตอนนี้ สามารถสร้างการสอบเทียบสำหรับผลิตภัณฑ์และพารามิเตอร์ได้หลายแบบ โดยทั่วไป สามารถใช้เนียร์อินฟราเรดสเปกโทรสโกปีในการวัดพารามิเตอร์ในช่วงเปอร์เซ็นต์ การกำหนดในช่วงที่ต่ำกว่านั้นมีความแม่นยำน้อยกว่าหรือเป็นไปไม่ได้เลย การแยกความแตกต่างระหว่างพารามิเตอร์สองตัวที่มีโครงสร้างทางเคมีที่คล้ายคลึงกันอาจเป็นสิ่งที่ท้าทายเช่นกัน

ในกรณีของการระบุวัตถุดิบ เรียกว่าการสอบเทียบแบบจัดกลุ่มจะถูกสร้างขึ้น ในที่นี้ สเปกตรัม NIR ของผลิตภัณฑ์ต่าง ๆ จะถูกบันทึกและกำหนดให้กับสารต่าง ๆ ถ้าสเปกตรัมของวัสดุเข้ากับกลุ่มใดกลุ่มหนึ่ง ก็จะถือเป็นสารนี้

ภาพที่ 5: วิธีการพัฒนาการสอบเทียบแบบจัดกลุ่มในเนียร์อินฟราเรดสเปกโทรสโกปี

Ⓐ การวัดด้วยเครื่องมือ NIR
Ⓑ การวิเคราะห์อ้างอิง (เช่น HPLC)
Ⓒ กำหนดสารให้กับสเปกตรัม
Ⓓ พัฒนาหรืออัปเดตการสอบเทียบ

ภาพที่ 6: ตัวอย่างของการฉายภาพ 2 มิติของการสอบเทียบแบบจัดกลุ่ม NIR

Ⓐ เซลลูโลส
Ⓑ ซิลิกา
Ⓒ กลูโคส
Ⓓ แป้ง

เคล็ดลับในการพัฒนาโมเดลการสอบเทียบ NIR ที่ประสบความสำเร็จ

ความถูกต้องและความแม่นยำของการวัดด้วยเครื่องมือ NIR นั้นขึ้นอยู่กับโมเดลการสอบเทียบซึ่งขึ้นอยู่กับจำนวนของตัวอย่างการสอบเทียบ การเลือกสารตัวอย่างการสอบเทียบ ตลอดจนคุณภาพของค่าอ้างอิงที่ได้จากวิธีการวิเคราะห์เบื้องต้น

NIR เทียบกับ IR เทียบกับ Raman

วิธีการวิเคราะห์ทั้งสามวิธีให้ผลลัพธ์ทางโครงสร้างเฉพาะวิธีการและให้ผลลัพธ์การวัดภายในไม่กี่วินาที อย่างไรก็ตาม มีความแตกต่างบางประการ

ตารางที่ 1 : ข้อดีและข้อเสียของสเปกโทรสโกปีของ NIR, IR และ Raman
 

โดยรวมแล้ว ทั้งสามวิธีมีบทบาทสำคัญในการควบคุมคุณภาพและเทคโนโลยีกระบวนการ และควรได้รับการประเมินอย่างรอบคอบว่าวิธีใดให้ประโยชน์สูงสุดกับการใช้งานที่ตรวจสอบ