Nella prima parte di questa serie, è stata fornita una breve panoramica storica sia per la spettroscopia nell'infrarosso (IR) che per quella nel vicino infrarosso (NIR), nonché per la trasformazione di Fourier (FT) e la spettroscopia dispersiva. Alcuni miti sono stati discussi e messi a tacere e abbiamo dimostrato che la spettroscopia di trasformazione di Fourier (FT-NIR) non è necessariamente l'unico né il modo migliore per integrare misure spettroscopiche riproducibili nei processi industriali. Al contrario, gli strumenti dispersivi sono una solida possibilità con opportunità ideali per il trasferimento del modello, l'alta risoluzione e l'elevata resa luminosa anche per applicazioni sensibili. Il NIR dispersivo è buono come FT-NIR.

Ora verranno chiariti altri due equivoci. Qui entreremo più nel dettaglio confrontando le gamme di lunghezze d'onda IR e NIR. Inoltre, mostreremo che la maggior parte delle applicazioni IR possono essere realizzate anche con la spettroscopia NIR e che ciò comporta molti vantaggi economici per gli operatori degli impianti. Nel resto di questo articolo, confronteremo la spettroscopia NIR e IR direttamente da un punto di vista dell'integrazione del processo e mostreremo un caso di studio reale di sviluppo di applicazioni con una strategia di sostituzione IR. Con questo, concludiamo che il NIR dispersivo è migliore per l'integrazione dei processi rispetto a FT-IR.
 

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• Mito 4
• Mito 5
• Sommario

Mito 4: molte applicazioni IR non possono essere implementate con NIRS a causa della sua specificità inferiore e limiti di rilevamento più elevati

Dalla teoria, è noto che, proprio come per la spettroscopia UV-VIS, anche la spettroscopia NIR e IR seguono la Legge di Lambert-Beer. Qui l'estinzione misurata dipende dalla lunghezza del cammino ottico, dai coefficienti di estinzione specifici della sostanza e dalla concentrazione dell'analita. Se sei interessato a vedere la pubblicazione originale di Lambert, puoi trovarla di seguito.
 

Photometria sive de mensura et gradibus luminis, colorum et umbrae

A causa degli elevati coefficienti di estinzione dei componenti organici nella gamma IR, è possibile determinare in modo affidabile anche basse concentrazioni. Tuttavia, o è necessaria una forte diluizione del campione (cosa difficilmente possibile in un processo produttivo), oppure la lunghezza del cammino ottico viene drasticamente ridotta. Solitamente vengono utilizzate cuvette da 50–200 µm per la gamma di lunghezze d'onda IR.

Tuttavia, questo ha inconvenienti significativi all'interno del processo: i flussi di campionamento potrebbero essere sporchi o formare depositi sull'ottica di tanto in tanto, il che significa che la pulizia è molto difficile e può portare a disallineamenti accidentali. Se l'ottica deve essere smontata, una misurazione riproducibile è difficilmente possibile in seguito poiché l'applicazione è stata creata per una lunghezza del percorso fissa altamente precisa. Ciò richiede procedure di ricalibrazione costose e dispendiose in termini di tempo per riadattare i modelli di calibrazione, con i relativi tempi di fermo per lo/gli strumento/i. L'affidabilità operativa è compromessa perché le misurazioni non possono essere eseguite durante questo periodo. In questo caso, l'applicazione deve essere trasferita a una soluzione di campionamento con una lunghezza del percorso maggiore, come nell'intervallo di lunghezze d'onda NIR.

Sviluppo del metodo: di cosa si tratta? Dai un'occhiata ai nostri articoli del blog correlati su questo argomento di seguito.

Come implementare la spettroscopia NIR nel tuo laboratorio

Pre-calibrazioni in spettroscopia NIR: risultati immediati

Nella gamma di lunghezze d'onda NIR vengono utilizzate sonde a immersione e celle a flusso con lunghezze di percorso significativamente maggiori (0,5–20 mm). Questi sono regolati da distanziali o da viti filettate in modo da poter effettuare una regolazione estremamente riproducibile. In caso di contaminazione, anche la pulizia è molto più semplice.

Un altro punto da considerare è che la luce infrarossa è bloccata attraverso l'ottica convenzionale. Per la gamma di lunghezze d'onda IR, è necessario utilizzare materiali più costosi (ad es. zaffiro o calcogenuro).

Per le lunghezze d'onda NIR, è possibile utilizzare vetro o quarzo che trasmettono quasi il 100% della luce NIR. NIRS consente di utilizzare fibre ottiche a basso contenuto di OH per misurare punti a lunghe distanze dall'analizzatore (ad es. >100 m dal punto di campionamento allo strumento), mentre uno spettrometro/fotometro IR deve essere collegato come sistema completo a ciascun punto di misura individuale. Pertanto gli strumenti IR non si adattano facilmente ad ambienti pericolosi.

Le fibre ottiche NIR e le finestre delle celle a flusso (o sonde a immersione per misurazioni in linea dirette) sono più semplici e abbastanza economiche e sono quindi molto economiche. 

Scarica la nostra Brochure di seguito per informazioni sulle sonde di campionamento e sulle fibre ottiche di Metrohm Process Analytics.

Soluzioni di campionamento per gli analizzatori di processo NIRS

Il più delle volte l'analizzatore di processo è installato in un'area sicura lontano da condizioni pericolose, mentre le fibre luminose e le sonde si trovano in un'area elettrica a prova di esplosione. Ciò significa che l'analizzatore ha ricevuto un'etichetta ATEX, Classe I Div2 / Classe I Div1 (a seconda del paese di installazione) che certifica la sicurezza ottica intrinseca. Per gli operatori dell'impianto, questo tipo di configurazione equivale a un notevole risparmio sui costi e minore sforzo poichè il sistema non deve essere completamente integrato in un'area pericolosa, come di solito accade con i fotometri IR.

Maggiori informazioni sulle nostre soluzioni per analizzatori NIRS Ex-proof nella nostra Brochure gratuita.

Analizzatori antideflagranti NIRS – Operazioni sicure in aree pericolose: buona pratica con l'esperienza di Metrohm Process Analytics

I risultati degli analizzatori di processo NIRS vengono trasferiti tramite protocolli di comunicazione di processo standard a un sistema di controllo distribuito o a un controllore logico programmabile (DCS, PLC). Ciò consente il controllo e la regolazione in tempo reale del processo, anche da lunghe distanze dal punto di campionamento (Figura 1).

La Tabella 1 mostra i vantaggi più importanti della spettroscopia NIR rispetto a IR e riassume perché NIRS è il modo più economico di monitoraggio del processo senza perdere alcuna specificità e potenza di rilevamento.

Ora che il confronto hardware è completo, è il momento di discutere le possibilità applicative. Le applicazioni possono essere trasferite dalla gamma IR alla gamma NIR?
 

Nel nostro precedente post sul blog, sono stati descritti i vantaggi generali della spettroscopia NIR rispetto a IR. Scopri di più di seguito.

NIR vs IR: Qual è la differenza?

Guarda il nostro video per conoscere le principali differenze tra la spettroscopia IR e NIR.

Le informazioni spettroscopiche nella gamma NIR si sovrappongono alle bande di assorbimento delle vibrazioni fondamentali della gamma IR. Inoltre, ci sono armoniche/sfumature nella gamma NIR che corrispondono a multipli della vibrazione fondamentale con frequenza più alta ma intensità inferiore (Figura 3). 

In poche parole: le informazioni della gamma IR si trovano anche nella gamma NIR. Quindi, per rispondere alla domanda se le applicazioni sono trasferibili dalla spettroscopia IR a quella NIR—assolutamente!

Oltre ai vantaggi hardware, ci sono anche molti vantaggi applicativi per NIRS. Il rilevamento simultaneo di forti bande combinate e deboli bande armoniche nella gamma di lunghezze d'onda NIR consente un elevato grado di flessibilità per quanto riguarda i campi di misura. È possibile coprire concentrazioni dal 100% fino all'intervallo mg/L (ppm), il che ci porta al mito 5.

Mito 5: solo le concentrazioni più elevate (>500 mg/L) di analiti possono essere misurate con NIRS / NIRS viene utilizzato solo per l'analisi di tendenza approssimativa

Questo mito si è sicuramente dimostrato falso, come si vede sia nella letteratura scientifica che sul campo. Esistono ora numerose applicazioni NIRS sviluppate da Metrohm Process Analytics in cui, ad esempio, il contenuto di umidità residua in alcoli o solventi viene monitorato nel flusso del prodotto finale.

Scopri di più su ciò che rende Metrohm Process Analytics speciale e trova una selezione delle nostre applicazioni NIRS di processo gratuite qui.

Siamo pionieri: Metrohm Process Analytics

Application Finder Metrohm: processo NIRS

Perché funziona? Molto semplicemente, è una combinazione del miglior hardware, che si traduce in un eccellente rapporto segnale-rumore e un punto di campionamento ben definito. Gli utenti possono recuperare una grande quantità di informazioni dagli spettri ottenuti sfruttando l'intera gamma di lunghezze d'onda e le dinamiche associate nello spettro. Presta particolare attenzione ai dettagli dello sviluppo dell'applicazione è la chiave finale.

Nei casi in cui è richiesto il monitoraggio in tempo reale di concentrazioni molto basse di analiti, non è più sufficiente cercare semplicemente lo spettrometro «giusto». Piuttosto, gioca un ruolo decisivo un'analisi preciss con un metodo di rilevamento primario effettuato con know-how esperto, perché ogni applicazione resiste o cade con il metodo primario.

Ad esempio, il metodo principale di scelta per la determinazione del basso contenuto d'acqua è la titolazione Karl Fischer (KF). Metrohm Process Analytics offre una combinazione unica di questo metodo di laboratorio ad alta precisione e l'analisi di processo spettroscopica nel vicino infrarosso in linea. Questo avvantaggia l'utente poichè sia il metodo primario che il metodo secondario (NIRS) sono coperti dallo stesso fornitore.

Scopri di più sulla potenza della titolazione NIRS e Karl Fischer con la nostra brochure gratuita e nel nostro post sul blog correlato.

Brochure: analisi del contenuto d'acqua

Analisi dell'umidità: titolazione Karl Fischer, NIRS o entrambi?

In Metrohm Process Analytics, lo sviluppo dell'applicazione e l'integrazione del sistema nei processi industriali consiste sempre in passaggi dettagliati che combinano la sinergia di hardware di laboratorio e di processo e le competenze dei diversi specialisti di prodotto:

• Applicazioni personalizzate: Nel lavoro di laboratorio di routine, il titolatore KF genera risultati da vari campioni raccolti dal processo. Nel frattempo, gli spettri di quegli stessi campioni vengono registrati nel flusso di campioni per un vero sviluppo del metodo in linea.
• Collegamento tra analisi di laboratorio e di processo: Per determinare il contenuto d'acqua in un flusso di processo, viene creato un modello di calibrazione robusto collegando gli spettri dell'analisi in linea ai risultati ottenuti dal metodo primario (titolazione KF). Grazie alla disponibilità del metodo primario, dell'hardware NIR e delle conoscenze chemiometriche da un'unica fonte, il metodo sviluppato è preciso e ottimizzato per il cliente.
• Soluzioni di processo completamente automatizzate: Il monitoraggio continuo e in tempo reale dell'acqua residua mostra risultati affidabili. Oltre alla comunicazione dei risultati, ci sono ancora più dettagli che portano a un'applicazione di processo robusta e stabile a lungo termine in grado di resistere alle sfide dello sviluppo del metodo. In Metrohm Process Analytics, andiamo oltre l'analisi di processo di base con vantaggi aggiuntivi per gli utenti finali. Ad esempio, i segnali raccolti da un punto di campionamento vengono trasferiti al nostro software di processo. Le informazioni dai campioni prelevati per l'analisi primaria possono quindi essere abbinate allo spettro del processo. Di conseguenza, questi metodi possono essere adattati in modo molto preciso durante lo sviluppo del metodo di processo e forniranno sempre i valori corretti al timestamp corretto.

Questa procedura consente di sostituire con successo gli analizzatori di processo IR soggetti a errori e antieconomici con un unico analizzatore di processo NIR dotato di diversi punti di misurazione.La Figura 4 mostra i grafici dell'andamento del processo di due analizzatori IR e un The NIR Analyzer a cinque canali dotato di due punti di misura. 

Scopri di più sull'analizzatore di processo NIRS XDS di seguito e scarica la nostra Application Note di processo gratuita per saperne di più su questa applicazione.

NIRS XDS Process Analyzer

Monitoraggio del contenuto di umidità con processo in linea nell'ossido di propilene

Sia la dinamica che la sensibilità sono mostrate nelle tendenze NIR in modo che anche le più piccole differenze siano evidenti (Figura 4), che è un tratto desiderabile per tempi di intervento rapidi nel monitoraggio del processo.

Con un corretto sviluppo del metodo, le concentrazioni di analiti fino a <10 mg/L possono essere determinate in linea e online con la spettroscopia NIR, anche per campioni molto igroscopici che rendono difficili le misurazioni di riferimento. Con l'analisi NIRS, l'errore può essere ridotto al di sotto di 5 mg/L.

Sommario

Persistono ancora diversi miti sulla spettroscopia NIR online, FT-NIR e FT-IR, sebbene questa serie di blog abbia messo a tacere alcuni di essi.

La spettroscopia nel vicino infrarosso è uno degli strumenti analitici più importanti utilizzati nella tecnologia analitica di processo (PAT) ed è attualmente utilizzata in quasi tutti i rami dell'industria. I vantaggi hardware degli analizzatori di processo NIRS superano chiaramente le tecniche di misurazione IR. Gli analizzatori di processo NIRS possono sostituire i fotometri IR storicamente utilizzati anche per analiti a concentrazioni molto basse nell'intervallo mg/L (ppm). Oltre all'eccellente ottica nello spettrometro dispersivo, ciò è dovuto anche alla buona preparazione di un'analisi primaria rappresentativa e di un concetto di campionamento intelligente.

Utilizzando questi effetti sinergici di hardware NIR altamente accurato e sensibile, comprensione del processo e analisi di riferimento, è possibile creare una soluzione di processo personalizzata per ciascuna attività applicativa negli ambienti di processo. 

La tua conoscenza "take-aways"

Monitoraggio in linea del contenuto di acqua nelle frazioni di nafta mediante NIRS

Monitoraggio del contenuto di umidità con processo in linea nell'ossido di propilene

Monitoraggio dei parametri di qualità nei bagni di pulizia standard

Webinar gratuiti da Metrohm Process Analytics

White Paper: Titolazione Karl Fischer e spettroscopia nel vicino infrarosso in perfetta sinergia

Brochure: Analizzatori antideflagranti NIRS – Operazioni sicure in aree pericolose: buone pratiche con l'esperienza di Metrohm Process Analytics