Udostępnij artykuł
W pierwszym artykule z naszej serii o spektroskopii bliskiej podczerwieni (NIR) wyjaśniliśmy, czym jest spektroskopia NIR. Niniejszy artykuł skupia się na różnicy między spektroskopią bliskiej podczerwieni a spektroskopią w podczerwieni (IR), która jest często nazywana również spektroskopią w średniej podczerwieni (mid-IR). Omówimy również, dlaczego spektroskopia NIR może być bardziej odpowiednia niż spektroskopia IR w przypadku wyzwań analitycznych w laboratorium i przemysłowych procesach produkcyjnych.
Różnice w długościach fal i energii
Spektroskopię NIR zdefiniowaliśmy jako analizę oddziaływania między światłem NIR a materią. W analizie spektroskopowej światło jest definiowane przez długość fali (a nie przez przyłożoną energię). Jeśli brzmi to jak nowość, możesz zapoznać się z pierwszym artykułem na blogu z tej serii::
Długość fali światła jest odwrotnie skorelowana z jego energią. Dlatego im mniejsza długość fali, tym większa energia. Widmo elektromagnetyczne pokazano na rysunku 1. Obszar NIR leży pomiędzy obszarem widzialnym (wyższa energia) a obszarem podczerwieni (niższa energia) przy długości fali od 780 do 2500 nm.
Światło zarówno z obszaru IR, jak i NIR widma elektromagnetycznego indukuje drgania w niektórych częściach cząsteczek (znanych jako grupy funkcyjne). Tym samym spektroskopia IR i NIR należy do grupy spektroskopii oscylacyjnej. Rysunek 2 przedstawia kilka grup funkcyjnych i cząsteczek, które są aktywne w regionie NIR.
Różnica w drganiach indukowanych przez promieniowanie podczerwone lub światło NIR wynika z wyższej energii długości fal NIR w porównaniu z tymi w obszarze IR.
Drgania w obszarze podczerwieni są klasyfikowane jako fundamentalne – co oznacza przejście ze stanu podstawowego do pierwszego stanu wzbudzonego. Z drugiej strony, drgania w obszarze bliskiej podczerwieni są albo pasmami kombinowanymi (wzbudzenie dwóch drgań w połączeniu), albo nadtonami. Za nadtony, uważa się, że drgania od stanu podstawowego do poziomu wzbudzenia powyżej stanu pierwszego (rysunek 3). Te kombinacje pasm i nadtonów mają mniejsze prawdopodobieństwo wystąpienia niż drgania podstawowe, a co za tym idzie, intensywność pasm lub pasm absorpcyjnych w zakresie NIR jest niższa niż pasm w obszarze IR.
Można to lepiej zrozumieć, posługując się analogią do wchodzenia po schodach. Większość ludzi wspina się po jednym stopniu na raz, ale czasami można zobaczyć ludzi w pośpiechu, którzy pokonują dwa lub trzy schody jednocześnie. Jest to podobne do IR i NIR: jeden krok (IR – drgania podstawowe) jest znacznie bardziej powszechny w porównaniu z aktem wchodzenia po dwóch lub więcej schodach jednocześnie (NIR – nadtony, pasma kombinowane). Drgania w obszarze NIR są mniej prawdopodobne niż drgania IR. Dlatego odpowiednie pasma absorpcyjne mają mniejszą intensywność.
Zalety spektroskopii NIR w porównaniu ze spektroskopią IR
Powyższy zarys teoretyczny pozwala nam wyprowadzić następujące zalety NIR w porównaniu ze spektroskopią IR.
Mniejsza intensywność pasm NIRS, a tym samym mniejsze wysycenie detektora
W przypadku ciał stałych można użyć czystych próbek w takiej postaci, w jakiej się znajdują, w fiolce odpowiedniej do analizy NIR. W przypadku analizy w podczerwieni należy albo utworzyć pastylkę KBr, albo ostrożnie nanieść stałą próbkę na okienko ATR (Attenuated Total Reflectance), nie wspominając o dokładnym oczyszczeniu wszystkiego później.
W przypadku cieczy widma NIR powinny być mierzone w jednorazowych fiolkach o średnicy 4 mm (lub 8 mm), które są łatwe do napełnienia, nawet w przypadku substancji lepkich. Analiza w podczerwieni wymaga bardzo krótkich dróg optycznych(<0,5 mm). Potrzebne są albo kosztowne kuwety kwarcowe, albo komory przepływowe, z których żadne nie jest łatwe do napełnienia.
Światło o wyższej energii z NIRS, a tym samym głębsza penetracja próbki
Oznacza to, że NIRS dostarcza informacji o próbce zbiorczej, a nie tylko o charakterystyce powierzchni, jak w przypadku spektroskopii w podczerwieni.
NIRS może być używany do identyfikacji i analizy ilościowej
Naukowcy często używają spektroskopii w podczerwieni do wykrywania obecności pewnych grup funkcyjnych w cząsteczce (tylko identyfikacja). W rzeczywistości analiza ilościowa jest jedną z mocnych stron wykorzystania spektroskopii NIR (patrz poniżej).
NIRS jest wszechstronny
Spektroskopię NIR można stosować do ilościowego oznaczania substancji chemicznych (np. wilgoć, zawartości API), oznaczanie parametrów chemicznych (np. liczba hydroksylowa, całkowita liczba kwasowa) lub parametry fizyczne (np. gęstość, lepkość, lepkość względna, I lepkość właściwa). Możesz kliknąć te łącza, aby pobrać bezpłatne Noty aplikacyjne dla każdego przykładu.
NIRS współpracuje ze światłowodami
Oznacza to, że można łatwo przenieść metodę z laboratorium bezpośrednio do środowiska procesowego za pomocą analizatora z długim, niskodyspersyjnym przewodem światłowodowym i wytrzymałą sondą. Przewody światłowodowe nie są możliwe do stosowania z promieniowaniem podczerwonym ze względu na ograniczenia fizyczne.
Spektroskopia NIR ≠ IR
Podsumowując, NIR jest inną metodą analityczną niż IR, chociaż obie są rodzajami spektroskopii oscylacyjnej. NIR jest szybszy i łatwiejszy w obsłudze niż IR. Nie wymaga przygotowania próbki i może dostarczyć informacji o materiale zbiorczym. Jest również wszechstronny. Spektroskopia NIR pozwala na analizę ilościową różnego rodzaju parametrów chemicznych i fizycznych, a także może być realizowana w środowisku procesowym.
Obejrzyj nasz film, aby dowiedzieć się więcej o głównych różnicach między spektroskopią IR i NIR.
W kolejnej odsłonie tej serii skupimy się na procesie wdrażania spektrometru bliskiej podczerwieni w laboratorium na konkretnym przykładzie.
Jak wdrożyć spektroskopię NIR w przepływie pracy laboratoryjnej?
Dodatkowa, specjalistyczna wiedza
Przewodnik po analizie spektroskopowej bliskiej podczerwieni przemysłowych procesów produkcyjnych
Aby dowiedzieć się więcej o szczegółach dotyczących spektroskopii NIR, np. nadtonach i pasmach kombinacyjnych, wielowymiarowej analizie danych i chemometrii, pobierz tę monografię.
