เทคโนโลยี

NIR

เนียร์อินฟราเรดสเปกโทรสโกปี (Near Infrared Spectroscopy)

NIR ถูกนำมาใช้เป็นประจำในการวิเคราะห์สินค้าขาเข้าหรือใช้ในกระบวนการผลิตโดยตรง วิธีนี้ช่วยให้สามารถกำหนดวิเคราะห์หาปริมาณพารามิเตอร์ต่าง ๆ ได้อย่างรวดเร็วและไม่เป็นอันตรายควบคู่กัน

เนียร์อินฟราเรดสเปกโทรสโกปีคืออะไร

เนียร์อินฟราเรด (NIR) สเปกโทรสโกปีขึ้นอยู่กับปฏิกิริยาของของพันธะโมเลกุลภายในสารตัวอย่างต่อรังสี NIR (ขนาด 800 นาโนเมตรถึง 2,500 นาโนเมตร) เมื่อใดก็ตามที่แสง NIR ทำปฏิกิริยากับสารตัวอย่าง แสงจะถูกดูดซับ กระจาย หรือสะท้อนกลับ ปฏิกิริยาระหว่างแสงกับสารตัวอย่างเหล่านี้ส่งผลให้เกิดสเปกตรัม ซึ่งเป็นการแสดงผลโดยตรงขององค์ประกอบและคุณสมบัติทางกายภาพของสารตัวอย่าง

การดูดซับแสง (ค่าพีคส์) อ้างถึงหมู่ฟังก์ชันต่าง ๆ ขึ้นอยู่กับจำนวนคลื่น/ความยาวคลื่น/พลังงานของแสงที่ถูกดูดซับ ตัวอย่างเช่น สเปกตรัม NIR ของผลิตภัณฑ์ที่มีความชื้นแสดงค่าพีคส์สำหรับหมู่ฟังก์ชัน O-H ในช่วง Ca 1,400 ถึง 1,500 นาโนเมตร (7,100 ถึง 6,500 ซม.-1) และโดยประมาณ 1900 ถึง 2,000 นาโนเมตร (5200 ถึง 5,000 ซม.-1)

ภาพที่ 1: ตัวอย่างสเปกตรัม NIR ของตัวอย่างหนึ่งตัวอย่าง
ภาพที่ 2: บริเวณการดูดซับของหมู่ฟังก์ชันต่าง ๆ
■ แถบผลบวก (Combination bands)
■ แถบความถี่เกินครั้งที่หนึ่ง (1st overtones)
■ แถบความถี่เกินครั้งที่สอง (2nd overtones)
■ แถบความถี่เกินครั้งที่สาม (3rd overtones)

ค่าพีคส์ในสเปกตรัม NIR กว้างและมีแนวโน้มที่จะทับซ้อนกัน ในกรณีส่วนใหญ่เป็นไปไม่ได้ที่จะได้รับข้อมูลโดยตรงจากสเปกตรัม จำเป็นต้องทำการสอบเทียบตามข้อมูลอ้างอิงจากวิธีมาตรฐาน (การวิเคราะห์ทางเคมีแบบแผนเดิม) แทน นี่คือเหตุผลที่ว่า NIR เป็นวิธีที่เรียกว่าวิธีทุติยภูมิ การวัดเป็นการคาดคะเนตามแบบจำลองการสอบเทียบทางเคมี

แม้ว่าการสอบเทียบเองอาจต้องใช้ทรัพยากรมาก แต่ในการวิเคราะห์ที่ทำเป็นประจำนั้นรวดเร็วและมีประสิทธิภาพมาก ด้วยวิธี NIR ที่ใช้งานง่ายช่วยให้ผู้ปฏิบัติงานทุกระดับทักษะสามารถบรรลุผลการวัดที่ดีได้ เพื่อเพิ่มความเร็วในการใช้งาน NIR สามารถใช้แอปพลิเคชันที่ปรับเทียบค่าล่วงหน้าได้ ซึ่งรวมถึงตัวอย่างที่หลากหลายขององค์ประกอบและแหล่งกำเนิดที่แตกต่างกัน

พารามิเตอร์ใดบ้างที่สามารถวัดได้ด้วยเทคนิคเนียร์อินฟราเรดสเปกโทรสโกปี

สามารถวัดพารามิเตอร์ต่างๆ ได้มากมายหลังจากปรับเทียบค่าระบบแล้ว ตราบใดที่องค์ประกอบมีผลกับสเปกตรัม NIR การวิเคราะห์ NIR เป็นวิธีการหลักสำหรับสารอินทรีย์เนื่องจากข้อเท็จจริงนี้ (สารอนินทรีย์มีปฏิกิริยากับแสง NIR ต่ำ) พารามิเตอร์ที่วิเคราะห์บ่อยที่สุดจะแสดงในตาราง แต่อาจมีอีกมากมาย เช่น แลคโตส เกลือ กลูเตน กรด แอลกอฮอล์ ฯลฯ

  • ความชื้น
  • โปรตีน
  • ไขมัน (หรือน้ำมัน)
  • เถ้า
  • ไฟเบอร์
  • น้ำตาล

สำหรับการใช้งานด้านอาหาร โปรดอ่านคู่มือการวิเคราะห์อาหารของแชมเปี้ยน(Champion's Guide to Food Analytics)ได้ฟรี

วิธีการพัฒนาโมเดลการสอบเทียบ NIR

ไม่ขึ้นกับประเภทของการใช้งาน การวิเคราะห์หรือการระบุ เมตริกซ์ และองค์ประกอบเชิงปริมาณต้อง "ให้การศึกษา" กับเครื่องมือ

ในการสร้างการสอบเทียบเชิงปริมาณ ต้องวัดสารตัวอย่างด้วยเครื่องมือ NIR จากนั้นจึงวิเคราะห์ด้วยวิธีอ้างอิง เช่น เทคนิคเจลดาห์ล, การสกัดไขมัน, เตาอบเพื่อการทำให้แห้ง, HPLC, การไตเตรต เป็นต้น จากนั้นโมเดลการปรับเทียบค่าจะถูกสร้างขึ้นโดยใช้สเปกตรัม NIR ร่วมกับค่าอ้างอิงที่กำหนด เนื่องจากทุกเมตริกซ์ (ประเภทผลิตภัณฑ์) ให้สเปกตรัมที่แตกต่างกัน จึงจำเป็นต้องมีการสอบเทียบหนึ่งครั้งต่อเมตริกซ์และพารามิเตอร์ ตัวอย่างเช่น ไม่สามารถใช้การสอบเทียบความชื้นในชีสเพื่อกำหนดวิเคราะห์หาปริมาณความชื้นในแป้งได้

ภาพที่ 3: กระบวนการพัฒนาการสอบเทียบ NIR เชิงปริมาณ
Ⓐ การวัดด้วยเครื่องมือ NIR
Ⓑ การวิเคราะห์อ้างอิง (เช่น การสกัด)
Ⓒ การเพิ่มค่าอ้างอิงให้กับสเปกตรัม
Ⓓ พัฒนาหรืออัปเดตการสอบเทียบ
ภาพที่ 4: แผนผังการสอบเทียบ NIR แสดงค่าที่คาดการณ์เทียบกับค่าอ้างอิง

โดยทำตามขั้นตอนนี้ สามารถสร้างการสอบเทียบสำหรับผลิตภัณฑ์และพารามิเตอร์ได้หลายแบบ โดยทั่วไป สามารถใช้เนียร์อินฟราเรดสเปกโทรสโกปีในการวัดพารามิเตอร์ในช่วงเปอร์เซ็นต์ การกำหนดในช่วงที่ต่ำกว่านั้นมีความแม่นยำน้อยกว่าหรือเป็นไปไม่ได้เลย การแยกความแตกต่างระหว่างพารามิเตอร์สองตัวที่มีโครงสร้างทางเคมีที่คล้ายคลึงกันอาจเป็นสิ่งที่ท้าทายเช่นกัน

ในกรณีของการระบุวัตถุดิบ เรียกว่าการสอบเทียบแบบจัดกลุ่มจะถูกสร้างขึ้น ในที่นี้ สเปกตรัม NIR ของผลิตภัณฑ์ต่าง ๆ จะถูกบันทึกและกำหนดให้กับสารต่าง ๆ ถ้าสเปกตรัมของวัสดุเข้ากับกลุ่มใดกลุ่มหนึ่ง ก็จะถือเป็นสารนี้

ภาพที่ 5: วิธีการพัฒนาการสอบเทียบแบบจัดกลุ่มในเนียร์อินฟราเรดสเปกโทรสโกปี
Ⓐ การวัดด้วยเครื่องมือ NIR
Ⓑ การวิเคราะห์อ้างอิง (เช่น HPLC)
Ⓒ กำหนดสารให้กับสเปกตรัม
Ⓓ พัฒนาหรืออัปเดตการสอบเทียบ
ภาพที่ 6: ตัวอย่างของการฉายภาพ 2 มิติของการสอบเทียบแบบจัดกลุ่ม NIR
Ⓐ เซลลูโลส
Ⓑ ซิลิกา
Ⓒ กลูโคส
Ⓓ แป้ง

เคล็ดลับในการพัฒนาโมเดลการสอบเทียบ NIR ที่ประสบความสำเร็จ

ความถูกต้องและความแม่นยำของการวัดด้วยเครื่องมือ NIR นั้นขึ้นอยู่กับโมเดลการสอบเทียบซึ่งขึ้นอยู่กับจำนวนของตัวอย่างการสอบเทียบ การเลือกสารตัวอย่างการสอบเทียบ ตลอดจนคุณภาพของค่าอ้างอิงที่ได้จากวิธีการวิเคราะห์เบื้องต้น

ปัจจัยในการพัฒนาโมเดลการสอบเทียบ NIR

  • ตัวอย่างที่จะนำมาทำการสอบเทียบนั้นควรเป็นตัวอย่างของความแปรปรวนของผลิตภัณฑ์ทั้งหมด เช่น องค์ประกอบ ขนาดอนุภาค ความแปรปรวนของซัพพลายเออร์/กลุ่มผลิตภัณฑ์ สิ่งเจือปน ช่วงอุณหภูมิ ฤดูกาล และอื่น ๆ

  • จำนวนตัวอย่างที่จำเป็นสำหรับการสร้างการสอบเทียบนั้นไม่สามารถคาดเดาได้ง่าย ตัวอย่างควรกระจายอย่างเท่าเทียมกันตลอดช่วงของตัวอย่างที่คาดหวัง หากช่วงการทำงานมีขนาดใหญ่ จำเป็นต้องมีตัวอย่างทั้งหมดเพื่อสร้างการสอบเทียบมากกว่าช่วงที่มีขนาดเล็ก ยิ่งปริมาณตัวอย่างมากและครอบคลุมถึงความแปรปรวนมากเท่าใด โมเดลการสอบเทียบก็จะยิ่งมีประสิทธิภาพมากขึ้นเท่านั้น

  • ช่วงการสอบเทียบควรมากกว่าช่วงการทำงาน เพื่อปรับปรุงประสิทธิภาพที่ขีดจำกัดช่วงการทำงาน การคาดคะเนที่อยู่นอกช่วงการสอบเทียบเป็นเพียงการคาดการณ์

  • การสอบเทียบ NIR ที่มีประสิทธิภาพต้องการค่าอ้างอิงที่เชื่อถือได้ ข้อผิดพลาดมาตรฐานและความไม่แน่นอนในการวัดค่าของวิธีการอ้างอิงจำเป็นต้องได้รับการพิจารณา เนื่องจากจะนำไปใช้กับโมเดลการสอบเทียบ ยิ่งผลลัพธ์จากวิธีอ้างอิงถูกต้องและแม่นยำมากเท่าใด โมเดลการสอบเทียบก็จะยิ่งถูกต้องและแม่นยำยิ่งขึ้นเท่านั้น วิธีการเหล่านี้ควรทำให้คงที่ตลอดวงจรการพัฒนาการสอบเทียบ NIR เนื่องจากวิธีการในห้องปฏิบัติการที่แตกต่างกันสามารถแสดงผลที่แตกต่างกัน และยังมีความถูกต้องและความแม่นยำที่แตกต่างกันเมื่อเทียบกับวิธีการอื่น

NIR เทียบกับ IR เทียบกับ Raman

วิธีการวิเคราะห์ทั้งสามวิธีให้ผลลัพธ์ทางโครงสร้างเฉพาะวิธีการและให้ผลลัพธ์การวัดภายในไม่กี่วินาที อย่างไรก็ตาม มีความแตกต่างบางประการ

ตารางที่ 1 : ข้อดีและข้อเสียของสเปกโทรสโกปีของ NIR, IR และ Raman
 
 

ประโยชน์

ข้อจำกัด

NIR

 

- สามารถเจาะตัวอย่างได้ดีกว่า IR ระดับกลาง 

- ความเป็นไปได้ที่จะวัดตัวอย่างที่ต่างกันมากขึ้น (ตรงกันข้ามกับ ATR-IR) 

- ไม่ต้องเตรียมและเจือจางตัวอย่าง 

- วิธีการแบบไม่ทำให้เกิดความเสียหาย 

- สามารถวัดค่าพารามิเตอร์ด้วยพันธะโพลาร์ (O-H, N-H, S-H, C-O เป็นต้น) 

- ส่วนประกอบของระบบที่เรียบง่าย รวมถึงโมดูลหลอดไฟอย่างง่ายเป็นแหล่งกำเนิดแสง

- ความละเอียดต่ำกว่าเมื่อเทียบกับ IR และ Raman 

- หากวัดตัวอย่างผ่านภาชนะ/ถุง จะต้องทำการสอบเทียบด้วย 

- ยากต่อการวัดสารอนินทรีย์หรือโมเลกุลที่ไม่มีขั้ว เช่น เฮเทอโรไซเคิล

IR

- แถบดูดซับแรง (แถบการสั่นสะเทือนและแถบความถี่เกินพื้นฐาน) 

- แยกแถบดูดซับได้ดี 

- สามารถใช้ในการหาปริมาณส่วนประกอบแต่ละอย่างในส่วนผสมโดยความแข็งแรงของแถบดูดซับ 

- สามารถใช้เพื่อระบุสารตามคลังเก็บข้อมูลสเปกตรัม

 

- ไม่สามารถใช้กับตัวอย่างที่มีน้ำปริมาณมาก เนื่องจากค่าพีคส์ของน้ำอาจทับซ้อนกับค่าพีคส์ที่ต้องการวัดได้ 

- การเตรียมตัวอย่างที่ซับซ้อนมากขึ้น (หากไม่ใช่ ATR-IR ซึ่งเป็นวิธีพื้นผิวเท่านั้น) 

- ตัวจับตัวอย่างและส่วนประกอบเครื่องมือราคาถูกและเข้าถึงได้ง่าย (เช่น หัววัดไฟเบอร์ออปติก) ที่ทำจากแก้วควอตซ์หรือแซฟไฟร์ไม่สามารถใช้งานได้เนื่องจากการดูดซับในตัว

Raman

- วิธีการแบบไม่ทำให้เกิดความเสียหาย 

- ค่าพีคส์ที่แคบกว่าและการแยกตัวได้ดีกว่า NIR 

- การวัดที่รวดเร็วเนื่องจากเลเซอร์เป็นแหล่งกำเนิดแสง 

- ไม่มีขนาดอนุภาคหรือเอฟเฟกต์โครงสร้างผลึก ซึ่งอาจจะเป็นข้อมูลสำคัญอีกทางหนึ่ง 

- ภาชนะ/ถุงมีผลเพียงเล็กน้อยต่อการวัด

- สามารถใช้ตรวจจับพันธะไม่มีขั้วเท่านั้น 

- ไม่สามารถใช้สำหรับการวิเคราะห์สารที่มีความชื้น 

- เลเซอร์เป็นแหล่งกำเนิดแสงทำให้เกิดความซับซ้อนมากขึ้นในส่วนประกอบเครื่องมือและอันตรายจากความร้อนสูงเกินไปของตัวอย่าง 

- ตัวอย่างที่มีการเรืองแสงนั้นวัดได้ยาก

โดยรวมแล้ว ทั้งสามวิธีมีบทบาทสำคัญในการควบคุมคุณภาพและเทคโนโลยีกระบวนการ และควรได้รับการประเมินอย่างรอบคอบว่าวิธีใดให้ประโยชน์สูงสุดกับการใช้งานที่ตรวจสอบ