Spettrometro nel vicino infrarosso

Principio della tecnologia dello spettrometro nel vicino infrarosso

Lo spettro del vicino infrarosso viene generato principalmente quando la vibrazione molecolare passa dallo stato fondamentale a un livello energetico elevato a causa della natura non risonante della vibrazione molecolare. Ciò che viene registrato è principalmente il raddoppio della frequenza e l'assorbimento combinato della frequenza della vibrazione del gruppo contenente idrogeno X-H (X=C, N, O). . Gruppi diversi (come anelli metilici, metilenici, benzenici, ecc.) o lo stesso gruppo presentano evidenti differenze nella lunghezza d'onda e nell'intensità di assorbimento del vicino infrarosso in diversi ambienti chimici.

La spettroscopia nel vicino infrarosso contiene ricche informazioni strutturali e compositive ed è molto adatta per misurare la composizione e le proprietà delle sostanze organiche idrocarburiche. Tuttavia, nella regione dello spettro del vicino infrarosso, l'intensità di assorbimento è debole, la sensibilità è relativamente bassa e le bande di assorbimento sono ampie e si sovrappongono notevolmente. Pertanto, è molto difficile condurre un’analisi quantitativa basandosi sul metodo tradizionale di determinazione di una curva di lavoro. Lo sviluppo della chemiometria ha gettato le basi matematiche per risolvere questo problema. Funziona secondo il principio che se la composizione del campione è la stessa, il suo spettro sarà lo stesso e viceversa. Se stabiliamo la corrispondenza tra lo spettro e i parametri da misurare (chiamato modello analitico), finché viene misurato lo spettro del campione, i dati dei parametri di qualità richiesti possono essere rapidamente ottenuti attraverso lo spettro e la corrispondenza di cui sopra.

Come misurare la spettroscopia nel vicino infrarosso

Come l'analisi convenzionale della spettrometria di assorbimento molecolare, la misurazione dello spettro di trasmissione dei campioni di soluzione nella tecnologia della spettroscopia nel vicino infrarosso è uno dei principali metodi di misurazione. Inoltre, è comunemente utilizzato anche per misurare direttamente lo spettro di riflettanza diffusa di campioni solidi, come scaglie, granuli, polveri e persino campioni liquidi o pastosi viscosi. Nel campo della spettroscopia del vicino infrarosso, i metodi di misurazione comunemente utilizzati includono trasmissione, riflessione diffusa, trasmissione diffusa e trasflettanza.

1. Modalità di trasmissione

Come altri spettri di assorbimento molecolare, la misurazione dello spettro di trasmissione del vicino infrarosso viene utilizzata per campioni liquidi chiari, trasparenti e uniformi. L'accessorio di misurazione più comunemente utilizzato è una cuvetta al quarzo e l'indice di misurazione è l'assorbanza. La relazione tra assorbanza spettrale, lunghezza del percorso ottico e concentrazione del campione è coerente con la legge di Lambert-Beer, ovvero l'assorbanza è direttamente proporzionale alla lunghezza del percorso ottico e alla concentrazione del campione. Questa è la base per l'analisi quantitativa della spettroscopia nel vicino infrarosso.

La sensibilità della spettroscopia nel vicino infrarosso è molto bassa, quindi generalmente non è necessario diluire il campione durante l'analisi. Tuttavia, i solventi, compresa l'acqua, hanno un evidente assorbimento della luce nel vicino infrarosso. Quando il percorso ottico della cuvetta è troppo grande, l'assorbanza sarà molto elevata, addirittura saturata. Pertanto, per ridurre gli errori di analisi, è meglio controllare l'assorbanza dello spettro misurato tra 0,1-1 e generalmente vengono utilizzate cuvette da 1-10 mm. A volte per comodità, vengono spesso visualizzate misurazioni di spettroscopia nel vicino infrarosso con assorbanza pari a 0,01, o fino a 1,5 o anche 2.

2. Modalità di riflessione diffusa

Gli eccezionali vantaggi della tecnologia della spettroscopia nel vicino infrarosso, come la misurazione non distruttiva, l'assenza di necessità di preparazione del campione, la semplicità e la velocità, ecc., derivano principalmente dalla modalità di raccolta dello spettro di riflessione diffusa. La modalità di riflessione diffusa può essere utilizzata per la misurazione di campioni solidi come polveri, blocchi, fogli e seta, nonché campioni semisolidi come paste e paste. Il campione può avere qualsiasi forma, ad esempio frutta, compresse, cereali, carta, latticini, carne, ecc. Non è richiesta alcuna preparazione speciale del campione e può essere misurato direttamente.

Lo spettro di riflessione diffusa del vicino infrarosso non è conforme alla legge di Lambert-Beer, ma studi precedenti hanno scoperto che l'assorbanza della riflessione diffusa (in realtà il logaritmo negativo del rapporto tra riflettanza del campione e riflettanza di riferimento) e la concentrazione hanno una certa relazione in determinate condizioni . Per una relazione lineare, le condizioni che devono essere soddisfatte includono che lo spessore del campione sia sufficientemente grande, l'intervallo di concentrazione ristretto, lo stato fisico del campione e le condizioni di misurazione spettrale siano coerenti, ecc. Pertanto, l'uso della spettroscopia a riflettanza diffusa può anche essere utilizzato per analisi quantitative utilizzando la correzione multivariata come la spettroscopia di trasmissione.

3. Modalità di trasmissione diffusa

La modalità di trasmissione diffusa è una misurazione dello spettro di trasmissione di un campione solido. Quando la luce incidente irradia un campione solido non troppo spesso, la luce viene trasmessa e riflessa diffusamente all'interno del campione, per poi attraversarlo e registrarne lo spettro sullo spettrometro. Questo è lo spettro di trasmissione diffusa. La modalità di trasmissione diffusa viene spesso utilizzata per misurazioni di spettroscopia nel vicino infrarosso di compresse, campioni di carta da filtro e campioni di strati sottili. La sua assorbanza spettrale ha una relazione lineare con la concentrazione del componente.

4. Modalità transflettiva

La misurazione dello spettro di trasmissione di una soluzione campione consiste nel far passare la luce incidente attraverso il campione e misurare lo spettro di trasmissione sull'altro lato. Diversamente da questo, nella modalità transflettiva, uno specchio riflettente viene posizionato dietro la soluzione campione. La luce incidente attraversa il campione e viene riflessa dallo specchio prima di entrare nuovamente nella soluzione campione. Lo spettro transflettivo viene misurato sullo stesso lato della luce incidente. La luce attraversa il campione due volte, quindi la lunghezza del percorso ottico è doppia rispetto a quella di un normale spettro di trasmissione. La modalità transflettiva è progettata per la comodità di misurazione degli spettri. Poiché la luce incidente e la luce riflessa si trovano sullo stesso lato, è possibile installare sia il percorso della luce incidente che quello riflesso in un'unica sonda e installare una cavità all'estremità anteriore della sonda. La parte superiore è un riflettore. Quando è in uso, la sonda viene inserita nella soluzione, la soluzione entra nella cavità, la luce risplende nella soluzione dal percorso della luce incidente, viene riflessa nella soluzione sul riflettore, quindi entra nel percorso della luce riflessa ed entra nel spettrometro per misurare lo spettro. In sostanza, anche lo spettro di trasmissione e riflessione è uno spettro di trasmissione, quindi la sua assorbanza ha una relazione lineare con la concentrazione.