Efekty prezentacji próbek w spektroskopii bliskiej podczerwieni (NIR)

Spektroskopia NIR jest pożądaną metodą z powodu swojej unikalnej zdolności do pomiaru szerokiego zakresu różnych typów materiałów, takich jak proszki, ciecze, ciała stałe czy maziste – często bez specjalnego przygotowywania próbek. Użytkownicy mogą mierzyć takie materiały w ich aktualnym stanie, oszczędzając czas analizy i zwiększając liczbę analizowanych próbek w jednostce czasu. Jednak przy tworzeniu metody dla spektroskopii NIR należy zachować ostrożność, aby zapewnić powtarzalną prezentację próbek niezależnie od użytkownika i od czasu.

Zmiany wynikające z różnego umieszczania próbek w spektrometrze mogą wprowadzić niepożądaną zmienność pobieranych widm. Może to być przyczyną dużych błędów w tworzonych ilościowych modelach kalibracyjnych. Dwa najważniejsze czynniki wpływające na prezentację próbek to rozmiar i spójność cząsteczek. Jeśli zachodzą fluktuacje zarówno rozmiaru cząsteczek, jak i ich spójności, światło w obszarze NIR oddziałuje w różny sposób z próbkami, wprowadzając efekt rozproszenia w widmie próbek. Rysunek 1 przedstawia efekty związane z różną spójnością dla cukru pudru w szklanej fiolce. Należy zwrócić uwagę, że w miarę stopniowego upakowania w fiolce pojawia się przesunięcie w pobieranym widmie.

Rys. 1. Widma cukru pudru dla próbek o różnym stopniu upakowania w fiolce

Rozmiar cząsteczek (ziaren) badanej substancji wpływa w różny sposób w zależności od jednorodności próbki. Jeśli chemiczne przygotowanie próbki jest identyczne (wykonane w bardzo podobny i powtarzalny sposób), wtedy efekty wynikające z rozmiaru cząsteczek są mniej groźne i manifestują się jako przesunięcie linii bazowej jednej próbki w porównaniu z innymi próbkami. Rozważmy na przykład cukier krystaliczny i cukier puder. Chemicznie oba materiały są identyczne, a jedyną różnicą jest rozmiar cząsteczek. Rozmiar ten wpływa na rozproszenie światła w próbce. Rysunek 2 pokazuje przesunięcie widma będące skutkiem rozmiaru cząsteczek.

Rys. 2. Porównanie widm absorpcyjnych cukru krystalicznego i cukru pudru

Rysunek 2 pokazuje utratę jednoznaczności widma dla cukru pudru. Podczas gdy główne maksima są wciąż widoczne, mniejsze, subtelne maksima są mniej wyraźne. Kiedy zmiany w rozmiarze cząsteczek są bardziej prawdopodobne w materiale próbek, ważne jest uwzględnienie tych zmian w modelu kalibracyjnym. Stosując korekcję oraz pochodną linii bazowej do danych widmowych, można wyeliminować większość niekorzystnych efektów wynikających ze zmienności rozmiaru cząsteczek, jak pokazano na rys. 3. Jeśli model kalibracyjny koncentruje się na tych mniej zaznaczonych maksimach, może być konieczny osobny model kalibracji.

Rys. 3. Pochodne drugiego rzędu z korekcją linii bazowej dla cukru krystalicznego i cukru pudru.

Dla jednorodnych próbek, jak mieszaniny biomasy czy pasze, efekty wynikające z rozmiaru cząsteczek stają się bardziej krytyczne. Różne cząsteczki mogą mieć różny skład chemiczny, dlatego też uwzględnienie tej zmienności jest bardzo ważne przy tworzeniu modelu kalibracyjnego. Rysunek 4 pokazuje dziesięć różnych widm zebranych z drewnianych wiórów (trocin) w dwóch różnych okresach (time 1 i time 2). Widma charakteryzują się bardzo dużą zmiennością.

Rys. 4. Widma absorpcyjne próbek wiórów drewnianych

Uśrednienie 10 skanów daje zupełnie inny wynik, jak pokazano na rys. 5, a także drugą pochodną widma z korekcją linii bazowej (rys. 6).

Rys. 5. Uśrednione widma absorpcyjne próbek wiórów drewnianych

Rys. 6. Drugie pochodne z korekcją linii bazowej dla uśrednionych próbek trocin

Pracując z niejednorodnymi próbkami należy używać wystarczającego uśredniania widm, by uwzględnić niejednorodność materiału. Niepowodzenie przy uwzględnianiu tej zmienności wprowadza niepotrzebną zmienność do modelu kalibracyjnego, co w konsekwencji wpływa na wypadkową jakość i dokładność modelu.

Podsumowując, prezentacja próbek w spektrometrze NIR jest istotnym czynnikiem wpływającym na dobrą jakość modelu. Należy prawidłowo zrozumieć efekty wynikające ze spójności materiału próbki, różnego rozmiaru cząsteczek i prezentacji próbki w spektrometrze. Właściwe uwzględnienie tych czynników w modelu kalibracyjnym da bardzo dobre wyniki oraz bardziej niezawodną dokładność przewidywania.

© 2015 Viavi Solutions, Inc.

Specyfikacje i opis wyrobu znajdujące się w tym dokumencie mogą ulec zmianie bez uprzedniego powiadomienia.

e-mail: ospcustomerservice@viavisolutions.com

e-mail: kabelkom@kabelkom.pl

tel. +33 1 30 81 50 41

tel. +48 33 8185555

www.kabelkom.pl

osp.viavisolutions.com