Présentation
Dans notre précédent blog sur Spectroscopie NIR, nous avons abordé la définition de la spectroscopie NIR. Nous vous encourageons à lire cet article si vous n'êtes pas familier avec la spectroscopie NIR. Mais voici un bref récapitulatif des points clés. Le NIR est une méthode analytique non destructive opérant dans la région du proche infrarouge du spectre électromagnétique. Cette région s'étend sur des plages de longueurs d'onde comprises entre environ 900 nanomètres et 2 500 nanomètres (nm) ; en interagissant avec le matériau, la lumière contient des informations précieuses sur la composition moléculaire et les propriétés des matériaux. Contrairement à d'autres techniques spectroscopiques, le NIR ne nécessite pas de préparation approfondie des échantillons, ce qui le rend idéal pour des analyses rapides et de routine. Ses principes fondamentaux sont ancrés dans l'interaction entre la lumière et la matière, ce qui nous permet de comprendre des compositions de matériaux complexes en temps réel.
Dans ce blog, nous explorons plus en détail certains des principes fondamentaux de la spectroscopie NIR. Continuez à lire pour plus de détails 👇🏼
Quel est le principe de fonctionnement de la spectroscopie NIR ?
« Le principe d'identification NIR repose sur le fait qu'un matériau absorbe l'énergie NIR et la transmet, la transréfléchit ou la réfléchit selon un schéma unique en fonction des caractéristiques physiques et chimiques de l'échantillon. Par conséquent, nous pouvons utiliser le NIR pour des analyses qualitatives et quantitatives. Dans le spectre électromagnétique, la région NIR est située dans la plage de longueurs d'onde comprise entre 780 et 2565 nm et dans la plage de nombres d'ondes 12820-3959 cm1. Elle couvre donc la gamme de longueurs d'onde adjacente à l'infrarouge moyen, qui peut s'étendre jusqu'à la région visible. » (source)
Le principe de fonctionnement de la spectroscopie NIR repose sur l'interaction entre la lumière proche infrarouge et les vibrations moléculaires au sein d'un échantillon. Cette interaction conduit à la formation de bandes d'absorption caractéristiques, permettant une analyse qualitative et quantitative dans diverses applications.
Lorsque la lumière dans le proche infrarouge interagit avec une substance, elle induit des transitions vibratoires dans les liaisons moléculaires, impliquant notamment des harmoniques et des combinaisons de vibrations fondamentales. Les vibrations fondamentales se produisent à des niveaux d'énergie plus élevés, généralement dans la région de l'infrarouge moyen. Cependant, la spectroscopie NIR exploite les harmoniques et les combinaisons de ces vibrations fondamentales qui se situent dans le domaine du proche infrarouge.
Ces harmoniques et combinaisons fournissent une empreinte unique pour différentes structures moléculaires. L'absorption de la lumière proche infrarouge par l'échantillon entraîne la formation de bandes d'absorption. Ces bandes sont caractéristiques des constituants moléculaires présents dans l'échantillon. La quantité de lumière absorbée à des longueurs d'onde spécifiques correspond à la concentration des espèces moléculaires respectives.
La spectroscopie NIR excelle dans l'analyse quantitative en raison de sa capacité à corréler l'intensité des bandes d'absorption avec la concentration de composants spécifiques dans un échantillon. Les modèles d'étalonnage sont développés à partir d'échantillons de référence connus, ce qui permet de prédire avec précision la composition d'échantillons inconnus.
Vous voulez savoir si le NIR est la solution adaptée à vos besoins analytiques ?
Quelles sont les différentes manières dont les échantillons peuvent interagir avec la lumière pour une analyse NIR réussie ?
Pour capturer le spectre d'absorption de l'échantillon, les spectromètres utilisent généralement l'une des trois méthodes d'échantillonnage suivantes :
1. Boîte de vitesses :
L'échantillonnage par transmission consiste à diriger la lumière à travers un porte-échantillon transparent NIR. Il est généralement utilisé dans les matériaux transparents et translucides NIR tels que les liquides, les huiles, les carburants, les polymères/plastiques, etc. Il implique généralement une source lumineuse sur un côté de l'échantillon et un détecteur sur le côté opposé. L'échantillon est souvent placé dans un récipient ou une cuvette transparent NIR.
Selon la loi de Beer-Lambert, la quantité de lumière absorbée par l'échantillon est en corrélation avec les niveaux de concentration de ses différentes compositions et l'épaisseur de l'échantillon. Par conséquent, la conception du porte-échantillon doit garantir que l'épaisseur de l'échantillon interagissant avec la lumière entrant dans le spectromètre NIR est toujours la même pour chaque mesure.
2. Réflectance diffuse :
Lors de l'échantillonnage par réflectance diffuse, la lumière incidente est diffusée dans différentes directions lorsqu'elle interagit avec la surface de l'échantillon.
Cette technique est avantageuse pour les échantillons hétérogènes et opaques et est souvent utilisée dans les applications d'analyse des sols et d'évaluation de la qualité des aliments. Il est également utilisé pour l'analyse de surface des polymères et des revêtements.
L'hétérogénéité de l'échantillon fait référence à la distribution inégale des composants ou des propriétés au sein d'un échantillon. Le traitement d'échantillons hétérogènes en chimie analytique et en spectroscopie pose des défis, étant donné que la composition, la structure ou les caractéristiques peuvent varier d'une région à l'autre. L'analyse de tels échantillons nécessite des techniques capables de fournir des mesures représentatives, compte tenu de ces variations.
En spectroscopie NIR, il est préférable d'utiliser des instruments capables de capturer une grande surface d'échantillon afin de minimiser les effets indésirables de l'hétérogénéité des échantillons et de garantir la représentativité des échantillons mesurés. Dans certains cas où l'hétérogénéité des échantillons est élevée (comme les fourrages), des techniques impliquant le mouvement de l'échantillon ou de l'instrument pendant la mesure peuvent être utilisées pour améliorer la représentativité. Il peut également être nécessaire de broyer les échantillons. Cependant, il s'agit généralement de l'option la moins souhaitable car elle implique la destruction de l'échantillon.
3. Transflectance :
La transflectance est une combinaison de « transmission » et de « réflectance ». Lors des mesures de transflectance, la lumière incidente pénètre dans l'échantillon, et la lumière transmise et réfléchie est collectée et analysée simultanément.
Cette technique est particulièrement utile lorsqu'il s'agit d'échantillons semi-transparents ou partiellement réfléchissants, car elle présente des avantages dans les situations où les méthodes traditionnelles de transmission ou de réflectance à elles seules peuvent ne pas fournir suffisamment d'informations. La spectroscopie de transflectance trouve des applications dans divers domaines, notamment la pharmacie, la biologie et la science des matériaux, offrant une approche polyvalente pour recueillir des données complètes à partir d'échantillons présentant une combinaison de transparence et de réflectivité. Comme pour les mesures de transmission, l'épaisseur des échantillons influe sur la lecture du spectromètre NIR. Pour effectuer des mesures de transflectance précises, il convient de prêter attention à la conception des composants optiques et à la géométrie de l'installation afin de garantir la cohérence et la répétabilité de la présentation de l'échantillon à la lumière.
Comment sélectionner la technique d'échantillonnage adaptée à mon analyse NIR ?
Le choix de la bonne technique d'échantillonnage est essentiel pour garantir le succès et la précision des mesures analytiques. Le choix de la technique dépend de différents facteurs, notamment :
- La nature de l'échantillon, son état physique et les informations spécifiques recherchées. Il est essentiel de comprendre les caractéristiques de l'échantillon, telles que la transparence, la réflectivité et l'homogénéité. Par exemple, les techniques de transmission conviennent aux échantillons transparents, tandis que la réflectance diffuse est avantageuse pour les matériaux hétérogènes et opaques.
- Les capacités de l'instrument, avec des facteurs tels que la sensibilité, la résolution et la vitesse, influencent la décision.
- L'aspect pratique de la méthode d'échantillonnage en termes de facilité d'utilisation, de rentabilité et d'exigences en matière de préparation des échantillons.
En fin de compte, une prise en compte réfléchie de ces facteurs garantit la sélection d'une technique d'échantillonnage qui correspond aux objectifs analytiques et aux caractéristiques spécifiques de l'échantillon étudié.
D'autres facteurs doivent être pris en compte lors du choix de la solution de détection spectrale la mieux adaptée à vos besoins. Notre article sur considérations lors de la sélection de la bonne solution de détection spectrale peut vous donner quelques informations.
Vous ne savez pas quelle technique d'échantillonnage vous convient le mieux ?
Comment interpréter les spectres NIR ?
L'interprétation des spectres NIR nécessite une application synergique de la chimiométrie pour développer des modèles d'étalonnage qui extraient des informations précieuses et facilitent les analyses qualitatives et quantitatives.
Que sont les modèles d'étalonnage ?
Les modèles d'étalonnage sont des modèles mathématiques qui sont entraînés pour faire des prédictions. Ils tirent des enseignements des données passées, aidant les outils ou les systèmes à reconnaître les modèles et les liens entre différents facteurs. Une fois entraînés, ces modèles peuvent faire des prévisions éclairées dans de nouvelles situations. Dans le contexte de la spectroscopie NIR, les modèles d'étalonnage sont les outils qui nous aident à faire des prédictions sur les propriétés d'un échantillon sur la base de son spectre NIR. C'est comme apprendre à un système intelligent à comprendre la relation entre le spectre des paramètres à analyser.
Qu'est-ce que la chimiométrie ?
La chimiométrie est un domaine multidisciplinaire au cœur de l'interprétation des spectres NIR. Combinant les principes de la chimie et des méthodes statistiques avancées, la chimiométrie aide les analystes à extraire des modèles et des tendances significatifs à partir d'ensembles de données spectrales complexes.
Les méthodes de chimiométrie les plus couramment utilisées sont les suivantes :
- Analyse en composantes principales (PCA) : La PCA est appliquée à la spectroscopie NIR lorsqu'il s'agit de traiter de nombreuses données spectrales. Il permet d'identifier les caractéristiques les plus critiques des spectres en fonction d'un plus petit nombre de facteurs (composants principaux), simplifiant ainsi l'interprétation de spectres complexes dans des applications telles que l'identification des matériaux
- Régression des moindres carrés partiels (PLSR) : Le PLSR établit une relation linéaire entre les données spectrales et les valeurs de référence des propriétés d'intérêt. Il est couramment utilisé en spectroscopie NIR pour l'analyse quantitative. Il est utilisé pour prévoir les concentrations de composants spécifiques dans un échantillon, comme la teneur en humidité des produits agricoles.
- Analyse des clusters : L'analyse en grappes consiste à regrouper les échantillons en fonction des similitudes de leurs modèles spectraux NIR. Cette technique est utile pour identifier des modèles ou des sous-classes inhérents à un ensemble d'échantillons. Il est utilisé dans les applications de catégorisation telles que le tri des ingrédients.
Comment sont développés les modèles d'étalonnage ?
Les étapes clés pour créer un modèle d'étalonnage sont les suivantes :
- Nous commençons par collecter plusieurs échantillons et mesurer leurs propriétés à l'aide de méthodes traditionnelles pour générer des données de référence.
- Nous capturons les spectres NIR de l'ensemble d'échantillons pour générer des données spectrales.
- La chimiométrie est appliquée aux données de référence et spectrales appariées afin de déterminer dans quelle mesure les caractéristiques spécifiques des spectres correspondent aux propriétés qui nous intéressent.
- Pour analyser les performances du modèle, celui-ci est testé avec un autre ensemble d'échantillons avec des valeurs de référence connues
Le processus de développement du modèle d'étalonnage est illustré dans le schéma suivant.
Une fois que le modèle d'étalonnage est entraîné, il devient un prédicteur fiable. Lorsque nous avons un nouvel échantillon dont la propriété est inconnue, nous pouvons le projeter dans la lumière infrarouge, capturer son spectre et utiliser le modèle d'étalonnage pour estimer ou prédire ses propriétés.
Comment sélectionner l'ensemble d'échantillons utilisé pour développer des modèles d'étalonnage ?
Lors de la préparation de l'ensemble d'échantillons pour le développement d'un modèle d'étalonnage, des considérations minutieuses sont essentielles pour garantir la précision et la fiabilité du modèle, notamment :
- Représentativité : Assurez-vous que l'ensemble d'échantillons couvre la gamme complète des variations des propriétés d'intérêt, en capturant diverses conditions et les valeurs aberrantes potentielles.
- Taille de l'échantillon : trouvez un équilibre ; un nombre suffisant d'échantillons est nécessaire pour assurer la robustesse, mais une taille d'échantillon trop grande peut introduire une complexité inutile.
- Homogénéité : les échantillons doivent être cohérents en termes de propriétés et de caractéristiques afin d'éviter toute confusion dans le modèle.
- Représentation dans le monde réel : Assurez-vous que l'ensemble d'échantillons reflète avec précision les conditions et les variations rencontrées dans les applications pratiques afin d'améliorer l'applicabilité pratique du modèle.
- Facteurs d'interférence : recherchez les variables interférentes ou confusionnelles dans l'ensemble d'échantillons qui pourraient introduire du bruit et des performances du modèle d'impact.
La création d'un modèle d'étalonnage est un processus fastidieux qui nécessite une attention particulière et une expertise approfondie. S'appuyer sur des modèles robustes existants s'avère avantageux car ces modèles ont été rigoureusement validés et affinés, offrant ainsi une base fiable pour diverses applications. L'expertise joue un rôle crucial dans la compréhension des complexités du développement de modèles, en garantissant que le modèle construit est précis et applicable à un large éventail de scénarios. Essentiellement, l'exploitation de l'expertise existante et de modèles robustes accélère la construction du modèle d'étalonnage, améliorant ainsi l'efficacité et la précision de la prédiction des propriétés des nouveaux échantillons.
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Accélérer l'adoption du NIR avec NeoSpectra : un parcours fluide vers le succès de la spectroscopie
En explorant les principes fondamentaux de la spectroscopie NIR, nous avons révélé sa capacité à fournir des informations pertinentes sur la composition et les propriétés des matériaux. Cependant, lorsqu'il s'agit de décider d'adopter la spectroscopie NIR pour répondre à des besoins analytiques, les décisions initiales à prendre, telles que le choix de la bonne méthode d'échantillonnage ou le développement d'un modèle d'étalonnage robuste, peuvent sembler décourageantes au départ.
La plateforme NeoSpectra garantit que ces décisions peuvent être prises facilement, garantissant ainsi que le processus d'adoption est un jeu d'enfant pour les organisations, quel que soit leur niveau d'expertise en spectroscopie NIR.
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