Introdução
Em nosso blog anterior sobre Espectroscopia NIR, abordamos a definição de espectroscopia NIR. Recomendamos que você leia este artigo se não estiver familiarizado com a espectroscopia NIR. Mas aqui está uma rápida recapitulação dos principais pontos. O NIR é um método analítico não destrutivo que opera na região do infravermelho próximo do espectro eletromagnético. Essa região se estende nas faixas de comprimento de onda de aproximadamente 900 nanômetros a 2500 nanômetros (nm); ao interagir com o material, a luz guarda informações valiosas sobre a composição molecular e as propriedades dos materiais. Ao contrário de outras técnicas espectroscópicas, o NIR não exige uma preparação extensiva da amostra, o que o torna adequado para análises rápidas e rotineiras. Seus princípios fundamentais estão enraizados na interação entre luz e matéria, o que nos permite entender composições complexas de materiais em tempo real.
Neste blog, exploramos mais detalhadamente alguns dos principais fundamentos da espectroscopia NIR. Continue lendo para obter detalhes 👇🏼
Qual é o princípio de funcionamento da espectroscopia NIR?
“O princípio de identificação NIR é baseado no motivo pelo qual um material absorve energia NIR e a transmite, transreflete ou reflete em um padrão único de acordo com as características físicas e químicas da amostra. Portanto, podemos usar o NIR para análises qualitativas e quantitativas. No espectro eletromagnético, a região NIR está localizada na faixa de comprimento de onda entre 780 e 2565 nm e na faixa de número de onda de 12820-3959 cm1, portanto, cobre a faixa de comprimento de onda adjacente ao infravermelho médio, que pode se estender até a região visível. ” (fonte)
O princípio de funcionamento da espectroscopia NIR gira em torno da interação entre a luz infravermelha próxima e as vibrações moleculares dentro de uma amostra. Essa interação leva à formação de bandas de absorção características, permitindo análises qualitativas e quantitativas em várias aplicações.
À medida que a luz infravermelha próxima interage com uma substância, ela induz transições vibracionais nas ligações moleculares, envolvendo especificamente sobretons e combinações de vibrações fundamentais. As vibrações fundamentais ocorrem em níveis de energia mais altos, normalmente na região do infravermelho médio. No entanto, a espectroscopia NIR aproveita os tons e combinações dessas vibrações fundamentais que se enquadram na faixa do infravermelho próximo.
Esses tons e combinações fornecem uma impressão digital exclusiva para diferentes estruturas moleculares. A absorção da luz infravermelha próxima pela amostra leva à formação de bandas de absorção. Essas bandas são características dos constituintes moleculares presentes na amostra. A quantidade de luz absorvida em comprimentos de onda específicos corresponde à concentração das respectivas espécies moleculares.
A espectroscopia NIR se destaca na análise quantitativa devido à sua capacidade de correlacionar a intensidade das bandas de absorção com a concentração de componentes específicos em uma amostra. Os modelos de calibração são desenvolvidos usando amostras de referência conhecidas, permitindo previsões precisas da composição de amostras desconhecidas.
Quer saber se o NIR é a solução certa para suas necessidades analíticas?
Quais são as diferentes maneiras pelas quais as amostras podem interagir com a luz para uma análise NIR bem-sucedida?
Para capturar o espectro de absorção da amostra, os espectrômetros geralmente usam um desses três métodos de amostragem:
1. Transmissão:
A amostragem por transmissão consiste em direcionar a luz através de um suporte de amostra transparente NIR. É normalmente usado em materiais NIR transparentes e translúcidos, como líquidos, óleos, combustíveis, polímeros/plásticos, etc. Normalmente envolve uma fonte de luz em um lado da amostra e um detector no lado oposto. A amostra geralmente é colocada em um recipiente ou cubeta transparente NIR.
De acordo com a lei de Beer-Lambert, a quantidade de luz absorvida pela amostra se correlaciona com os níveis de concentração de suas diferentes composições e a espessura da amostra. Portanto, o design do porta-amostras precisa garantir que a espessura da amostra que interage com a luz que entra no espectrômetro NIR seja sempre a mesma para todas as medições.
2. Refletância difusa:
Na amostragem por refletância difusa, a luz incidente é espalhada em várias direções ao interagir com a superfície da amostra.
Essa técnica é vantajosa para amostras heterogêneas e opacas e é frequentemente usada em aplicações de análise de solo e avaliação da qualidade de alimentos. Também é usado para análise de superfície de polímeros e revestimentos.
A heterogeneidade da amostra se refere à distribuição desigual de componentes ou propriedades em uma amostra. Lidar com amostras heterogêneas em química analítica e espectroscopia apresenta desafios, uma vez que a composição, estrutura ou características podem variar em diferentes regiões. A análise dessas amostras requer técnicas capazes de fornecer medidas representativas, considerando essas variações.
Na espectroscopia NIR, é preferível usar instrumentos que possam capturar uma grande área de amostra para minimizar os efeitos indesejados da heterogeneidade da amostra e garantir a representatividade das amostras medidas. Em alguns casos em que a heterogeneidade da amostra é alta (como forragens), técnicas envolvendo o movimento da amostra ou do instrumento durante a medição podem ser empregadas para melhorar a representatividade. Como alternativa, as amostras podem precisar ser moídas. No entanto, essa geralmente é a opção menos desejável, pois envolve a destruição da amostra.
3. Transflectância:
A transflexão é uma combinação de “transmissão” e “refletância”. Nas medições de transflectância, a luz incidente penetra na amostra e a luz transmitida e refletida são coletadas e analisadas simultaneamente.
Essa técnica é particularmente valiosa ao lidar com amostras semitransparentes ou parcialmente refletivas, oferecendo vantagens em situações em que os métodos tradicionais de transmissão ou refletância por si só podem não fornecer informações suficientes. A espectroscopia de transflexão encontra aplicações em vários campos, incluindo produtos farmacêuticos, biologia e ciência dos materiais, fornecendo uma abordagem versátil para coletar dados abrangentes de amostras que exibem uma combinação de transparência e refletividade. Semelhante às medições de transmissão, a espessura das amostras afeta a leitura do espectrômetro NIR. Para fazer medições precisas de transflectância, deve-se dar atenção ao design dos componentes ópticos e à geometria da configuração para garantir a consistência e a repetibilidade de como a amostra é apresentada à luz.
Como selecionar a técnica de amostragem adequada para minha análise NIR?
Selecionar a técnica de amostragem correta é fundamental para garantir o sucesso e a precisão das medições analíticas. A escolha da técnica depende de vários fatores, incluindo:
- A natureza da amostra, seu estado físico e as informações específicas buscadas. Compreender as características da amostra, como transparência, refletividade e homogeneidade, é essencial. Por exemplo, as técnicas de transmissão são adequadas para amostras transparentes, enquanto a refletância difusa é vantajosa para materiais heterogêneos e opacos.
- As capacidades do instrumento, com fatores como sensibilidade, resolução e velocidade, influenciam a decisão.
- A praticidade do método de amostragem em termos de facilidade de uso, custo-benefício e requisitos de preparação da amostra.
Em última análise, a consideração cuidadosa desses fatores garante a seleção de uma técnica de amostragem que se alinhe aos objetivos analíticos específicos e às características da amostra sob investigação.
Outros fatores devem ser considerados ao escolher a solução de detecção espectral que melhor atenda às suas necessidades. Nosso artigo sobre considerações ao selecionar a solução correta de detecção espectral pode lhe dar algumas dicas.
Não tem certeza de qual técnica de amostragem é mais adequada para você?
Como interpretar os espectros NIR?
A interpretação dos espectros NIR requer uma aplicação sinérgica da quimiometria para desenvolver modelos de calibração que extraiam informações valiosas e facilitem a análise qualitativa e quantitativa.
O que são modelos de calibração?
Os modelos de calibração são modelos matemáticos treinados para fazer previsões. Eles aprendem com dados anteriores, ajudando ferramentas ou sistemas a reconhecer padrões e conexões entre diferentes fatores. Uma vez treinados, esses modelos podem fazer previsões informadas em novas situações. No contexto da espectroscopia NIR, os modelos de calibração são as ferramentas que nos ajudam a fazer previsões sobre as propriedades de uma amostra com base em seu espectro NIR. É como ensinar um sistema inteligente a entender a relação entre o espectro dos parâmetros a serem analisados.
O que são quimiometria?
A quimiometria é um campo multidisciplinar no centro da interpretação dos espectros NIR. Combinando princípios da química e métodos estatísticos avançados, a quimiometria ajuda os analistas a extrair padrões e tendências significativos de conjuntos de dados espectrais complexos.
Os métodos quimiométricos mais usados incluem:
- Análise de componentes principais (PCA): O PCA é aplicado na espectroscopia NIR ao lidar com muitos dados espectrais. Ele ajuda a identificar as características mais críticas nos espectros para um número menor de fatores (componentes principais), simplificando a interpretação de espectros complexos em aplicações como identificação de materiais
- Regressão parcial de mínimos quadrados (PLSR): O PLSR estabelece uma relação linear entre os dados espectrais e os valores de referência das propriedades de interesse. É comumente usado em espectroscopia NIR para análise quantitativa. É empregado ao prever concentrações de componentes específicos em uma amostra, como o teor de umidade em produtos agrícolas.
- Análise de cluster: A análise de agrupamento envolve o agrupamento de amostras com base nas semelhanças em seus padrões espectrais NIR. Essa técnica é valiosa na identificação de padrões ou subclasses inerentes em um conjunto de amostras. É usado em aplicações de categorização, como classificação de ingredientes.
Como os modelos de calibração são desenvolvidos?
As principais etapas para criar um modelo de calibração são:
- Começamos coletando várias amostras e medindo suas propriedades usando métodos tradicionais para gerar dados de referência.
- Capturamos os espectros NIR do conjunto de amostras para gerar dados espectrais.
- A quimiometria é aplicada aos dados espectrais e de referência pareados para determinar como as características específicas dos espectros correspondem às propriedades nas quais estamos interessados.
- Para analisar o desempenho do modelo, o modelo é testado com outro conjunto de amostras com valores de referência conhecidos
O processo de desenvolvimento do modelo de calibração é ilustrado no diagrama a seguir.
Depois que o modelo de calibração é treinado, ele se torna um preditor confiável. Quando temos uma nova amostra com uma propriedade desconhecida, podemos lançar luz NIR sobre ela, capturar seu espectro e usar o modelo de calibração para estimar ou prever suas propriedades.
Como selecionar o conjunto de amostras usado para desenvolver modelos de calibração?
Ao preparar o conjunto de amostras para o desenvolvimento de um modelo de calibração, considerações cuidadosas são cruciais para garantir a precisão e a confiabilidade do modelo, incluindo:
- Representatividade: garanta que o conjunto de amostras cubra toda a gama de variações nas propriedades de interesse, capturando diversas condições e possíveis valores atípicos.
- Tamanho da amostra: encontre um equilíbrio; um número adequado de amostras é necessário para a robustez, mas um tamanho de amostra excessivamente grande pode introduzir complexidade desnecessária.
- Homogeneidade: as amostras devem ser consistentes em termos de suas propriedades e características para evitar a introdução de confusão no modelo.
- Representação no mundo real: garanta que o conjunto de amostras reflita com precisão as condições e variações encontradas em aplicações práticas para aprimorar a aplicabilidade prática do modelo.
- Fatores de interferência: tela para variáveis interferentes ou confusas no conjunto de amostras que podem introduzir ruído e impactar o desempenho do modelo.
A criação de um modelo de calibração é um processo demorado que exige uma análise cuidadosa e exige experiência substancial. Desenvolver modelos robustos existentes se mostra vantajoso, pois esses modelos passaram por rigorosa validação e refinamento, oferecendo uma base confiável para diversas aplicações. A experiência desempenha um papel crucial na navegação pelas complexidades do desenvolvimento do modelo, garantindo que o modelo construído seja preciso e aplicável a uma ampla variedade de cenários. Em essência, aproveitar a experiência existente e os modelos robustos acelera a construção do modelo de calibração, promovendo eficiência e precisão na previsão das propriedades de novas amostras.
Precisa de modelos de calibração prontos e confiáveis?
Acelerando a adoção do NIR com o NeoSpectra: uma jornada perfeita para o sucesso espectroscópico
Em nossa exploração dos princípios fundamentais da espectroscopia NIR, revelamos sua capacidade de fornecer informações perspicazes sobre a composição e as propriedades do material. No entanto, ao decidir adotar a espectroscopia NIR para atender às necessidades analíticas, as decisões iniciais envolvidas, como escolher o método de amostragem correto ou desenvolver um modelo de calibração robusto, podem inicialmente parecer assustadoras.
A plataforma NeoSpectra garante que essas decisões possam ser facilmente tomadas, garantindo que o processo de adoção seja fácil para as organizações, independentemente de seu nível de especialização em espectroscopia NIR.
Os dispositivos NeoSpectra podem ser facilmente combinados com uma variedade de acessórios de amostragem para atender a diversos tipos de amostras. Esses acessórios são cuidadosamente criados para oferecer flexibilidade, operação fácil de usar e máxima precisão, fornecendo às organizações soluções versáteis.
Em relação aos modelos de calibração, o NeoSpectra LabStore elimina a complexidade da equação. Ele fornece uma ampla variedade de modelos de calibração prontos para uso, meticulosamente elaborados e mantidos por laboratórios de renome e desenvolvedores de modelos especializados. Isso garante precisão e confiabilidade incomparáveis, tornando a plataforma NeoSpectra uma solução abrangente para organizações que iniciam sua jornada com a espectroscopia NIR.
