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Cos’è la NIRS ?
La spettroscopia è una branca della fisica che si occupa di descrivere l’interazione tra la radiazione elettromagnetica e la materia. NIRS è l’acronimo per Near-Infrared Spectroscopy ovvero Spettroscopia del vicino (nel senso di attiguo al visibile) infrarosso. In questa porzione dello spettro elettromagnetico, la tecnica è in grado di andare a determinare la composizione chimica e alcune proprietà fisiche.
La spettroscopia nel vicino infrarosso (NIR) è stata una delle tecniche analitiche in più rapida crescita dagli anni ’90. Negli ultimi anni, con lo sviluppo della chemiometria, della fibra ottica e della tecnologia informatica, la spettroscopia NIR è stata applicata a molti campi e si è aperta la strada anche dell’automazione industriale.
Tra campi in cui è più diffuso ricordiamo cui agricoltura e zootecnia, alimentare, chimica, petrolchimica e farmaceutica. Le applicazioni spaziano dal controllo qualità puntuale fino a visioni più olistiche come il controllo di processo.
Spettroscopia: Accenni teorici
Il processo alla base della spettroscopia consiste nell’assorbimento di una radiazione e susseguente rilassamento allo stato fondamentale.
A seconda del tipo di spettroscopia vi possono essere diverse tipologie di assorbimento (e.g. molecolare e vibrazionale), in tutti i casi l’energia che è stata assorbita viene ceduta all’ambiente secondo processi differenti (emissione di luce, calore, ecc.) e ognuno di questi processi può essere sfruttato per determinare le caratteristiche del composto in esame.
Ad esempio, nella spettroscopia UV-Vis, l’assorbimento della luce visibile da parte di un composto chimico viene misurato in base all’assorbimento della radiazione elettromagnetica da parte degli elettroni che costituiscono il composto.
Quando un elettrone assorbe la radiazione, entra nel cosiddetto stato eccitato dove è “caricato” con più energia rispetto al suo stato normale (“fondamentale”). Tuttavia, gli elettroni non rimangono eccitati a lungo e decadono nel loro stato fondamentale poco dopo rilasciando energia secondo un profilo caratteristico.
Poiché il comportamento degli elettroni è strettamente dipendente dai legami chimici instaurati tra i vari elementi, sono necessarie diverse quantità di energia per entrare nello stato eccitato quindi la spettroscopia UV-Vis può determinarne la natura del legami misurando la quantità di energia che gli elettroni rilasciano nel processo di rilassamento.
Il NIR
Il NIR è la porzione di spettro elettromagnetico compresa tra la luce visibile (VIS) e la luce nel medio infrarosso (MIR). La gamma di lunghezze d’onda della regione spettrale NIR definita da ASTM è 780~2’526 nm (12’820~3’959 cm-1).
L’origine degli spettri NIR è imputabile alla variazione di stato vibrazionale delle molecole: il processo di promozione ad uno stato vibrazionale eccitato e il susseguente rilassamento allo stato fondamentale provoca una emissione di luce infrarossa che viene registrata mediante un opportuno detector.
Quando esposta ad opportuna sorgente luminosa, una molecola assorbe i fotoni e avvia il processo noto come transizione vibrazionale: stretching, bending, wagging, ecc. tipici anche dell’infrarosso medio.
Similmente a quanto accade nella spettroscopia UV-Vis illustrata sopra, la natura della specie chimica in oggetto darà origine a delle vibrazioni caratteristiche.
Come funziona il NIR ?
Come già detto, a seconda della risposta del materiale alle diverse lunghezze d’onda è possibile tracciare un profilo di assorbimento, strettamente dipendente dalle caratteristiche del campione stesso.
Da un punto di vista fisico, le bande influenzate dalla radiazione NIR sono le bande di combinazione e le overtones; ne risulta un segnale piuttosto debole ma molto caratteristico. Date le caratteristiche di questo segnale, non è possibile andare ad utilizzare direttamente il profilo NIR, entra quindi in campo la chemiometria che, tramite opportuni campioni, permette la calibrazione del segnale sulla risposta desiderata.
Durante il processo di calibrazione, viene raccolto un certo numero di campioni rappresentativi di ciò che si intende monitorare dei quali si misura lo spettro e si determinano le grandezze di interesse (e.g. umidità, grassi, proteine).
Una volta completata questa fase si passa alla modellizzazione vera e propria, coinvolgendo tutti gli strumenti matematici opportuni.
Vantaggi della spettroscopia NIR
La spettroscopia NIR è un metodo moderno per il controllo della qualità del prodotto.
Tutte queste caratteristiche possono essere combinate per effettuare molte applicazioni, tra cui l’anticontraffazione, direttamente in situ, grazie alla portabilità di questi sistemi. Ricapitoliamo i principali vantaggi:
- Velocità (di solito 5 – 10s)
- Il pretrattamento del campione è nullo o poco rilevante.
- Facilità d’uso.
- Elevata precisione e riproducibilità dell’analisi
- Non vengono usati solventi né altre sostanze chimiche.
- Possibilità di Controllo di processo
- Capacità di misurare attraverso imballaggi in vetro e plastica
- Trasferimento di un metodo da uno strumento all’altro
- Analisi delle proprietà fisiche e chimiche
Sfruttando le diverse configurazioni (Trasmissione, riflessione, transflessione, …) ed una opportuna accessorista è possibile analizzare campioni in diversi stati di aggregazione (liquidi, gelatine, polveri, solidi, ecc.)
Rispetto ai metodi di analisi chimica tradizionale, l’analisi spettroscopica NIR è più veloce e più semplice. Le misurazioni possono essere eseguite molto rapidamente, di solito il tempo di analisi è di soli 5-10 secondi. Non richiede la preparazione preliminare del campione e una formazione speciale del personale.
Campi di applicazione del NIR
Oggi, molti produttori si sforzano non solo di fornire un prodotto finale della massima qualità, ma anche di migliorare l’efficienza attraverso analisi di laboratorio e ottimizzazione di processo.
Il controllo della qualità del prodotto è necessario e viene effettuato in tutti i rami dell’industria e dell’agricoltura. Tuttavia, la maggior parte dei metodi di analisi utilizzati, pur consentendo misurazioni con la precisione richiesta, impiegano un notevole investimento di tempo e denaro. In certi casi, ad esempio, durante la campagna di raccolta o direttamente in produzione è necessario andare ad effettuare dei campionamenti selettivi che, oltre a rischiare di non essere rappresentativi, il risultato dell’analisi non è mai in tempo reale.
Il NIR permette di aumentare il numero di analisi e di ottenere i risultati in tempo reale.
I campi di applicazione più comuni in cui viene utilizzata la spettroscopia NIR sono agricoltura, alimenti e mangimi, prodotti farmaceutici e riciclaggio della plastica. Negli alimenti e nei mangimi, la spettroscopia NIR è uno strumento efficace per misurare l’umidità, le proteine, i grassi, gli acidi grassi liberi, l’etanolo, la densità, i solidi, gli acidi organici, il profilo dei carboidrati e altri importanti costituenti. La spettroscopia NIR ha anche applicazioni nelle scienze dei materiali in quanto può essere utilizzata come strumento per misurare lo spessore del film e studiare le caratteristiche ottiche delle nanoparticelle.
Qualitade: Tecnologia al servizio dell’Agrifood
Qualitade si occupa di integrazione di sistemi IoT e relativa analisi dei dati. Qualitade offre soluzioni ad alto valore tecnologico dalla grande semplicità di utilizzo e dall’elevata precisione, sviluppate e costantemente aggiornate per il settore Agrifood, grazie alla presenza nel team di tecnologi alimentari, chemiometri, data scientists e sviluppatori software.
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QualiControl permette di monitorare la tua produzione durante la lavorazione e ottenere i risultati in pochi secondi.
Lo strumento proposto è uno spettrometro NIR portatile, robusto, compatto e facile da maneggiare progettato per l’uso accanto alla linea di produzione, aiuta a ridurre i tempi di inattività durante la produzione e fornisce un rapido controllo della qualità del campione. L’interfaccia utente intuitiva consente a tutti di utilizzare lo strumento e un’ampia gamma di calibrazioni già pronte completa la soluzione.
Con QualiControl puoi analizzare una vasta gamma di prodotti sfruttando tutti i vantaggi della portabilità e del tempo reale. Allo stesso tempo, le dimensioni compatte dello spettrometro NIR sono ideali, poiché risultano convenienti da utilizzare sul campo, nonché da integrare in reattori e macchine industriali.
L’analisi viene effettuata esattamente dove serve, il risultato è disponibile in pochi secondi ed inoltre viene visualizzato in tempo reale su qualunque dispositivo abbia accesso a QualiControl.
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Cosa puoi analizzare con QualiControl ?
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