NIR

O que é espectroscopia de infravermelho próximo?

A base da espectroscopia de infravermelho próximo (NIR) é a resposta das ligações moleculares da amostra à radiação NIR (800 nm – 2.500 nm). Quando a luz NIR interagir com a amostra, ela será absorvida, dispersada ou refletida. Essas interações entre a amostra e a luz produzem um espectro, que é uma representação direta da composição e das propriedades físicas da amostra.

As absorções (picos) representam diferentes grupos funcionais, dependendo do número de onda/comprimento de onda/energia da luz que é absorvida. Por exemplo: o espectro NIR de um produto contendo umidade terá picos de grupos funcionais O-H na faixa de referência 1.400 – 1.500 nm (7.100 – 6.500 cm-1) e 1.900 – 2.000 nm (5.200 – 5.000 cm-1).

Figura 1: Exemplo de espectros NIR de um tipo de amostra

Figura 2: Regiões de absorção nos diferentes grupos funcionais

■ Bandas que se sobrepõem

■ Primeiros sobretons

■ Segundos sobretons

■ Terceiros sobretons

Os picos do espectro NIR são amplos e tendem a se sobrepor. Em geral, não é possível derivar informações diretamente do espectro. Na verdade, precisamos de calibrações que se baseiam em dados de referência de métodos consagrados (química úmida). Por isso, a tecnologia NIR é conhecida como um método secundário; a medição é uma predição baseada em modelos de calibração quimométricos.

Embora a calibração em si demande muitos recursos, a análise de rotina é muito rápida e eficiente. A simplicidade do método NIR permite que operadores com qualquer nível de habilidade tenham bons resultados nas medições. Para acelerar a implementação do NIR, é possível usar aplicações pré-calibradas que incluem muitas amostras com composições e origens diferentes.

Que parâmetros podem ser mensurados com a espectroscopia de infravermelho próximo?

Muitos parâmetros diferentes podem ser aferidos após a calibração do sistema, desde que os constituintes tenham efeito sobre os espectros NIR. Por isso, a análise NIR é um método usado primariamente em substâncias orgânicas (substâncias inorgânicas têm pouca interação com luz NIR). Na tabela constam os parâmetros mais frequentemente analisados, mas muitos outros (como lactose, sal, glúten, ácidos, álcool etc.) são possíveis também.

• umidade
• proteínas
• gorduras (ou óleos)
• cinzas
• fibras
• açúcares

Vide as aplicações alimentícias em nosso guia “Análise de processos de alimentos: O Guia do Campeão”.

Como desenvolver um modelo de calibração de NIR

Independentemente do tipo de aplicação — identificação ou análise quantitativa —, é preciso “ensinar” ao equipamento quais são as matrizes e as composições.

Para montar uma calibração quantitativa, é preciso medir as amostras com o equipamento de NIR e analisá-las depois com um dos métodos de referência, como Kjeldahl, extração de gordura, secagem em estufa, HPLC, titulação etc. Montamos o modelo de calibração com os espectros NIR e os valores de referência atribuídos. Como cada matriz (tipo de produto) gera um espectro diferente, só é necessário fazer uma calibração por matriz e parâmetro. Por exemplo, a calibração de umidade em queijo não pode ser usada para determinar umidade em farinha.

Figura 3: Processo de desenvolver calibrações quantitativas para NIR

Ⓐ medir com o equipamento de NIR
Ⓑ análise de referência (p. ex., extração)
Ⓒ acrescer valor de referência ao espectro
Ⓓ desenvolver ou atualizar a calibração

Figura 4: Gráfico de calibração de NIR relacionando valores preditos e de referência

Seguindo esse procedimento, podemos criar calibrações para muitos produtos e parâmetros. Em geral, a espectroscopia de infravermelho próximo pode ser aplicada para medir parâmetros dentro de uma faixa de referência percentual; as determinações com os menores valores nessa faixa são menos precisas — ou até mesmo, impossíveis. Distinguir dois parâmetros com estruturas químicas semelhantes um do outro também pode ser um desafio.

No caso da identificação de matérias-primas, usa-se as calibrações coletivas. Nessas calibrações, fica registrado o espectro NIR de diferentes produtos, que por sua vez é atribuído a diferentes substâncias. Se o espectro da matéria-prima corresponder a um desses grupos, ela será reconhecida como essa respectiva substância.

Figura 5: Como desenvolver calibrações coletivas na espectroscopia de infravermelho próximo

Ⓐ medir com o equipamento de NIR
Ⓑ análise de referência (p. ex., HPLC)
Ⓒ espectro atribuído às diferentes substâncias
Ⓓ desenvolver ou atualizar a calibração

Figura 6: Exemplo de projeção 2D de calibração coletiva de NIR

Ⓐ celulose
Ⓑ sílica
Ⓒ glicose
Ⓓ amido

Dicas para desenvolver bons modelos de calibração de NIR

A acurácia e a precisão das medidas com o equipamento de NIR são fundamentadas nos modelos de calibração, que por sua vez dependem da quantidade de amostras de calibração, da seleção dessas amostras e da qualidade dos valores de referência gerados nos métodos das análises primárias.

NIR, IV e Raman

Esses três métodos de análise geram uma impressão digital do material em segundos, mas, mesmo assim, eles têm diferenças.

Tabela 1: Vantagens e desvantagens das espectroscopias NIR, IV e Raman

Globalmente, os três métodos têm papéis importantes na tecnologia de controle da qualidade e processos; é preciso avaliar com cuidado qual deles é melhor na aplicação em questão.