La technologie de la spectroscopie NIR expliquée
L’histoire de la spectroscopie infrarouge
L’histoire de la spectroscopie infrarouge remonte à la découverte par Sir William Herschel de ce qu’il appelait la “chaleur rayonnante” vers l’an 1800. À cette époque, le concept de ce que nous appelons aujourd’hui le spectre électromagnétique n’existait pas. Par conséquent, Herschel a conclu à tort que sa découverte était différente de la lumière visible dans la nature.
Cette erreur a été corrigée par Ampère en 1835, qui a montré que la lumière visible et la lumière infrarouge avaient les mêmes propriétés optiques, introduisant ainsi l’idée d’un spectre étendu. Plus tard, les travaux de James Clerk Maxwell et de Max Planck ont jeté les bases d’une compréhension complète du spectre électromagnétique illustré à la figure 1. Il en ressort que la région infrarouge (IR) n’est qu’un sous-ensemble du spectre électromagnétique voisin de la région visible, composé d’ondes dont les longueurs d’onde sont comprises entre 0,8 et 1000μm.
Le domaine infrarouge
Bien que l’interaction entre le rayonnement infrarouge et les molécules se produise dans l’ensemble de la région infrarouge, celle-ci présente des propriétés différentes selon la gamme de longueurs d’onde considérée. C’est pourquoi la région infrarouge est divisée en trois sous-régions : le proche infrarouge (NIR), l’infrarouge moyen (MIR) et l’infrarouge lointain (FIR), comme le montre le tableau 1.
L’une des propriétés qui distinguent le proche infrarouge du proche infrarouge, par exemple, est que ce dernier est dominé par des bandes d’absorption fondamentales étroites, tandis que le proche infrarouge contient principalement des bandes d’absorption larges provenant d’harmoniques.
Un problème pratique lié à l’utilisation de la spectroscopie est la capacité des radiations à traverser l’échantillon d’intérêt. Pour le proche infrarouge, le rayonnement peut traverser plusieurs cm de matériau, tandis que pour le proche infrarouge et le proche infrarouge, l’épaisseur de l’échantillon est mesurée en μm, ce qui complique considérablement la préparation de l’échantillon.
La physique de la spectroscopie NIR
Pour comprendre les principes fondamentaux de la spectroscopie infrarouge, il faut se tourner vers une interprétation de la mécanique quantique des molécules. Considérons tout d’abord la molécule d’eau telle qu’illustrée dans la figure 3. La molécule d’eau peut présenter des vibrations symétriques et asymétriques et/ou une flexion de son moment dipolaire moléculaire. L’interaction entre le rayonnement infrarouge et la molécule ne peut se produire que si la fréquence du rayonnement infrarouge et celle du moment dipolaire moléculaire correspondent.
Une approximation d’une molécule composée de deux atomes est un système composé de deux masses, m1 et m2, reliées par un ressort. Ce modèle est connu sous le nom d’oscillateur diatomique harmonique. Dans ce modèle, la fréquence fondamentale, v0, peut être calculée à l’aide de l’équation (1.0), où k est la constante de force de la liaison/du ressort et m la masse réduite des atomes.
En outre, l’énergie requise pour une transition vers un niveau d’excitation plus élevé de la molécule peut être calculée par l’équation (2), où h est la constante de Planck et n le nombre quantique vibrationnel entier. Le résultat du modèle de l’oscillateur harmonique est que les niveaux d’énergie sont équidistants et que seules les transitions vers des niveaux d’énergie adjacents sont autorisées.
Cependant, comme le modèle de l’oscillateur harmonique n’est pas applicable à des niveaux d’excitation plus élevés, car la liaison se rompt simplement, par exemple, le modèle de l’oscillateur anharmonique est utilisé à la place. Selon ce modèle, les niveaux d’excitation plus élevés sont donnés par l’équation (3), où X est la constante d’anharmonicité. Contrairement au modèle de l’oscillateur harmonique, le modèle de l’oscillateur anharmonique permet des transitions vers des niveaux d’excitation plus élevés que les niveaux voisins. Ces niveaux correspondent aux harmoniques 1, 2, etc. de la vibration fondamentale.
Une molécule polyatomique linéaire composée de N atomes possède 3N -5 degrés de liberté, tandis qu’une molécule polyatomique non linéaire possède 3N – 6 degrés de liberté, ce qui se traduit par de larges bandes d’absorption. Dans l’infrarouge moyen, les transitions primaires sont les transitions dites fondamentales correspondant aux transitions entre n = 0 et n = 1.
Par conséquent, les larges bandes d’absorption ne sont pas observées ici car elles absorbent beaucoup moins d’énergie. Cependant, comme la région du proche infrarouge est dominée par des harmoniques (Δn > 1) qui nécessitent beaucoup moins d’énergie, les bandes d’absorption observées dans cette région sont larges et se chevauchent, comme l’illustre la figure 4.
Spectroscopie FT-NIR
La spectroscopie par transformée de Fourier (FT), telle qu’elle est utilisée dans les systèmes Q-Interline, est l’une des rares méthodes d’enregistrement d’un spectre. Elle se distingue des technologies des réseaux de diodes, des technologies dispersives et des technologies mems par plusieurs applications positives, ainsi que par des domaines d’application où la FT n’est pas le bon choix technologique.
L’aspect le plus intéressant de notre technologie est, de loin, sa stabilité dans le temps, associée à des spécifications optiques inégalées (voir ci-dessous). En tant que seul spectromètre commercial sur le marché, il dispose d’une spécification publiée pour la similitude d’unité à unité, ce qui en fait le choix idéal pour les clients possédant plus d’une unité, car ils bénéficient de l’avantage de ne calibrer que l’unité mère et de copier les calibrations directement sur les esclaves, sans transformations ni ajustements.
Le traitement du signal sur 24 bits a permis à l’appareil de travailler avec une gamme dynamique inégalée jusqu’à présent. Des pics de 4 abs et des niveaux de bruit inférieurs à 1 micro-abs constituent la nouvelle norme de facto.
Comparaison des spécifications
Il n’est pas trivial de comparer les performances publiées du moteur Quant, utilisé dans toutes les solutions Q-Interline, à celles d’autres spectromètres commerciaux. Il n’existe pas de norme industrielle pour de telles spécifications et chacun a tendance à commercialiser son côté le plus performant. Nous pensons que des normes élevées sont importantes et qu’un spectromètre plus performant soutiendra votre dossier commercial de la meilleure façon possible.
Les performances d’un spectromètre peuvent être divisées en spécifications à court et à long terme, mais collectivement, seuls quelques paramètres sont importants.
- Le spectromètre trouvera-t-il un pic donné dans le spectre à la même position dans le temps et d’une unité à l’autre ? Si ce n’est pas le cas, le modèle d’étalonnage PLS réagira fortement.
- La spécification pertinente est la précision et la répétabilité de l’axe x (également d’unité à unité).
- Au fil du temps, le spectromètre enregistrera-t-il le pic à la même hauteur ?
- La spécification pertinente peut être la stabilité de la résolution et les paramètres de bruit.
- Le spectromètre indiquera-t-il que le pic a la même forme dans le temps et d’une unité à l’autre ? Si ce n’est pas le cas, le modèle PLS réagira fortement car les charges PLS ne correspondront plus.
- Les spécifications pertinentes sont la résolution, la stabilité de la bande passante, etc.
| Paramètres | Spécifications publiées par Quant | Signification |
|---|---|---|
| Précision de l’axe X | < 0.01 cm-1 or < 0.0018 nm | Tout pic donné sera précis jusqu’aux dernières décimales et généralement 200 fois supérieur à celui des principales marques de dispersifs. |
| Précision de l’axe X | < 0.006 cm-1 or < 0.0011 | Cela signifie que le pic est retrouvé à plusieurs reprises dans la même position, ce qui est synonyme de stabilité pour l’utilisateur final. Généralement 10 fois mieux que les principales marques de produits dispersifs. |
| Bruit | >500.000:1 (InAs) or < 1 uAbs | Notre niveau de bruit extrêmement faible, 20 à 100 fois supérieur à celui de la plupart des concurrents, nous permet d’observer des différences ou des changements minimes dans les produits et les processus. |
| Résolution | Variable 2 -64 cm-1 = 0.2 – 6 nm | La résolution en elle-même n’est pas très importante en raison de la nature des produits avec des pics larges, mais la stabilité de la forme de l’instrument permet un transfert plus facile des modèles. |
Spectroscopie à fibre optique
Les fibres optiques jouent un rôle important dans le développement d’un système FT-NIR moderne en ligne et donc dans la solution de Q-Interline, InSight Pro.
L’utilisation de fibres permet l’échantillonnage à distance, c’est-à-dire que le spectromètre peut être placé hors de danger et la lumière est envoyée par des fibres vers des sondes de mesure et des cellules.
L’InSight Pro utilise des faisceaux de fibres d’une longueur pouvant atteindre 30 mètres. L’utilisation de fibres optiques favorise en outre l’utilisation du multiplexage optique, qui permet à plusieurs fibres d’envoyer et de recevoir de la lumière du même spectromètre. Cela permet de réduire le prix par point de mesure.
Pour en savoir plus sur la théorie des fibres optiques, cliquez sur le lien vidéo.
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Notre vision est d’être le meilleur fournisseur de solutions analytiques FT-NIR au monde. Nous aidons nos clients.
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Nous travaillons avec des clients des secteurs des produits laitiers, de l’agriculture, de l’alimentation et des ingrédients et, dans les pays nordiques, avec des clients des secteurs pharmaceutique et chimique.