27 Mar Espectroscopía de reflectancia NIR y sus aplicaciones
Espectroscopia NIR: análisis industrial y aplicaciones
La espectroscopia de reflectancia es un método de análisis altamente flexible que se puede aplicar a una amplia gama de investigaciones y procesos industriales. Con larga trayectoria como tecnología principal en detección remota, la espectroscopia de reflectancia se ha vuelto popular en mercados industriales como herramienta costo-efectiva para medir materiales, optimizar procesos y administrar costos.
¿Qué es la espectroscopia de reflectancia?
Definición y funcionamiento
Un espectrómetro es un instrumento que mide la intensidad de la luz como función de la longitud de onda.
Principio de funcionamiento:
- Se utiliza una red de difracción para separar la luz blanca en sus diferentes longitudes de onda.
- Un detector cuenta la cantidad de fotones que lo impactan.
- Los fotones se convierten en electrones y se almacenan durante un tiempo determinado.
- Los electrones se convierten en tensión y se les asigna un número digital.
Formatos espectrales
DN (Digital Number): Recuento de fotones en cada longitud de onda durante un tiempo determinado.
Reflectancia: Relación de la luz reflejada de la muestra dividida por la luz total disponible. Se define generalmente en materiales sólidos.
Transmitancia: Relación de la energía que atraviesa una muestra comparada con la luz total disponible. Se define generalmente en líquidos.
Absorbencia: Medición indirecta de la absorción usando Log [1/T] o Log [1/R], donde T es transmitancia y R es reflectancia.
Rango de longitud de onda
La espectroscopia de reflectancia NIR utiliza la región del infrarrojo cercano del espectro electromagnético (aproximadamente 700 a 2500 nanómetros). Al medir la luz dispersa a través de una muestra, los espectros de reflectancia NIR permiten determinar rápidamente las propiedades de un material sin alterar la muestra.
ASD ha llevado la tecnología NIR un paso más allá con sistemas híbridos que combinan regiones visibles y NIR (Vis/NIR), incluyendo longitudes de onda desde 350 nm hasta 2500 nm. Los instrumentos poseen tres espectrógrafos separados optimizados para regiones específicas, ofreciendo excelente rendimiento de luz espuria, alta sensibilidad fotométrica y rápido tiempo de escaneo.
Ventajas de la espectroscopia de reflectancia
- Altamente flexible, ideal para amplio rango de aplicaciones
- No destructiva, capaz de examinar superficies irregulares sin alterar la muestra
- Mayor potencia cuando se combina con modelos de calibración
- Análisis de múltiples componentes en un solo escaneo
- Fácil de operar para personal no especializado en química
- Portátil para campo: lo suficientemente pequeño para lugares remotos
- Segura, sin procedimientos de seguridad adicionales durante operación
El espectrómetro y los sistemas de espectroradiometría de ASD convierten los datos medidos en información accionable para optimizar procesos o mejorar la investigación.
Análisis de datos espectrales
Procesamiento de espectros
Los espectros NIR generalmente contienen características que se superponen y no son resultado de un solo componente. El software calcula automáticamente resultados de análisis cualitativos o cuantitativos, haciendo la espectrometría NIR muy fácil de usar e implementar.
Análisis cualitativo
Una rutina automatizada de búsqueda/concordancia de pico identifica el material presente, comparando el espectro con una biblioteca de materiales conocidos. Esta aplicación es valiosa para identificación de materia prima y estudio de composición de minerales u otras muestras naturales complejas.
Análisis cuantitativo
El análisis cuantitativo con NIR ofrece resultados muy reproducibles que frecuentemente reemplazan ensayos de laboratorio que insumen mucho tiempo. Los servicios técnicos pueden desarrollar calibraciones multivariantes personalizadas.
Detectores
Los tres detectores empleados para cubrir el rango 350–2500 nm son:
- VNIR (350–1000 nm): Matriz de 512 elementos de fotodiodos Si con filtro de orden
- SWIR 1 (1001–1830 nm): Red holográfica cóncava + fotodiodo InGaAs con enfriador Two-Stage TE
- SWIR 2 (1831–2500 nm): Red holográfica cóncava + fotodiodo InGaAs con enfriador Two-Stage TE
Los detectores de escaneo de un solo elemento en SWIR garantizan mediciones transparentes en 1001–2500 nm, eliminando incertidumbre por píxeles muertos y necesidad de interpolación de datos.
Bandas de absorción NIR
Las características espectrales en materia orgánica resultan principalmente de uniones con C, H, N y O. Estas características pueden superponerse y a menudo no son resultado de un solo componente. El gráfico técnico describe las regiones donde aparecen características de estas uniones.
Metodología de análisis espectral
Para analizar espectros adecuadamente, se realiza una medición inicial que detecta la cantidad total de luz disponible para iluminar la muestra. Esta medición se utiliza para normalizar la medición de muestra. Luego, se determina la relación entre la medición inicial y la luz reflejada de la muestra, eliminando características comunes, resultando en un espectro de características únicas de la muestra.
Se realiza una relación del material descendente (downwelling) y la energía reflejada usando números digitales (DN) para calcular valores de reflectancia/transmisión.
La relación entre energía reflejada del panel de referencia y energía reflejada de la muestra crea el espectro de reflectancia final.
Aplicación: NIR en viticultura
Las técnicas espectroscópicas de infrarrojo cercano (NIR) pueden emplearse para determinar indicadores fisiológicos del plan de riego basados en demanda de agua, en lugar de depender solo de clima o humedad del suelo.
Valor de NIR en viticultura
- NIR analiza clorofila en hojas de vid, contenido de azúcar, nutrientes y carbohidratos
- NIR mide propiedades físicas: firmeza, elasticidad y resistencia en lotes de uvas Cabernet Franc
- NIR discrimina maduración, efectos de parcelas y predice fases de maduración
- Análisis de bayas enteras con espectrómetro NIR para antocianina total (color), sólidos solubles totales (TSS) y pH
- NIR predice concentración y monitorea extracción y evolución de compuestos fenólicos durante fermentación de vino tinto
Quimiometría en viticultura
- Modelación cuantitativa de datos con software Indico Pro y LabSpec, configuraciones GRAMS
- Análisis de regresión para correlacionar métodos de laboratorio con reflectancia NIR
- Creación de predictores para múltiples componentes: azúcar/Brix, clorofila, carbohidratos, potencial de agua
- Múltiples predicciones en una sola medición
ASD ha sido empresa pionera en espectroscopia de campo durante más de 25 años, liderando la industria con espectroradiómetros NIR portátiles más confiables del mundo.
Aplicación: NIR en petrología
La petrología es el estudio de rocas, describiendo características (composición, textura, estructura, ocurrencia) y determinando procesos que contribuyeron a su formación.
Valor de espectrómetros de rango completo en petrología
- Espectros funcionan como “huellas dactilares” para buscar materiales similares e investigar composición
- Reflectancia difusa (DSR) es herramienta geológica exitosa para identificar fases minerales: no destructiva, rápida, económica
- Propiedades de dispersión dependen de longitud de onda y varían a lo largo de rango VIS-NIR, afectadas por absorbencia y estructura de granos
- Espectroscopia de reflectancia brinda información sobre intensidad metamórfica en rocas con mica blanca
- Campo portátil permite comprender variaciones en mineralogía y tipos de roca, decisivo para estrategia de exploración
Soluciones: Instrumentos TerraSpec
Los espectrómetros TerraSpec de ASD son instrumentos portátiles con óptima relación señal/ruido para mediciones rápidas y cobertura espectral 350–2500 nm. ASD ofrece distintas configuraciones e accesorios para diferentes enfoques de muestreo.
TerraSpec 4
Analizador de minerales para campo y laboratorio, mide con precisión amplio rango de muestras geológicas incluyendo arcilla y minerales de alteración. Elevada relación señal/ruido permite medir rocas oscuras con abundante contenido de minerales de silicato de hierro.
TerraSpec Halo
Identificador de minerales integrado (350–2500 nm) que mide regiones visibles e infrarrojo de onda corta. Incluye GPS integrado para información compatible con GIS, grabador de audio y estándar interno de longitud de onda. Software propietario de ASD identifica hasta siete minerales en muestra natural de una sola vez.
- Extensa biblioteca espectral con múltiples ejemplos de minerales, validada para identificación exacta
- Predicciones de múltiples minerales, niveles de confianza y escalares espectrales para monitorear cambios en cristalinidad y variaciones en composición
Ventajas para petrología
- Solución portátil para campo
- No destructiva
- Independiente del tamaño de partícula
- Mínima o ninguna preparación de muestra
- Mediciones en tiempo real, rápidas, costo-efectivas, análisis en el campo
- Registro digital automatizado de procesos
- Relación de mineralogía de afloramiento con imágenes multi e hiperespectrales
Halo Manager (software de escritorio) permite configuración del instrumento, visualización de resultados espectrales y mineral, exportación a software externo como The Spectral Geologist (TSG) Pro de AusSpec. Coordenadas GPS e identificaciones pueden exportarse a ENVI y GIS.
Aplicación: NIR en elaboración de cerveza y producción de etanol
El proceso de elaboración de cerveza consta de pasos críticos: molienda, maceración, cocción, filtrado, fermentación, maduración. La fermentación es crítica para calidad final debido a factores como temperatura, pH, composición de azúcares y tipo de levadura.
Valor de NIR en cervecería y etanol
- Análisis de respuesta espectral vegetal mediante detección remota para investigar condición fitosanitaria y nutricional
- Mediciones NIR útiles para fitocultura y monitoreo de maduración de cultivos
- NIR para pruebas de control de calidad: materias primas (cebada, malta, lúpulo, levadura), productos intermedios, productos terminados
- Análisis NIR en lúpulo para parámetros: humedad, ácidos α y β, aceite de lúpulo, índice de almacenamiento
- Etanol de múltiples fuentes de almidón (maíz, trigo, cebada, papas): NIR mide composición e ingredientes y predice rendimiento
- NIR mide composición de granos de destilería usados como alimento animal
- Muestras de cerveza se distinguen claramente por estadio de envejecimiento mediante NIR
Quimiometría en cervecería y etanol
- Calibraciones multivariantes para características composicionales y de procesamiento
- Análisis cuantitativo en tiempo real con calibraciones para LabSpec de ASD
- Regresión para correlacionar métodos laboratorio con reflectancia NIR
- Calibraciones para todas las etapas: humedad/proteína/almidón (recepción), calidad malta (maceración), carbohidratos (mosto), azúcares/ácido (fermentación), S/proteína/fibra (subproducto alimento)
- Múltiples análisis en una sola medición
Soluciones para cervecería
Espectrómetros ASD poseen elevada relación señal/ruido para óptima sensibilidad y velocidad, rango 350–2500 nm ideal para múltiples parámetros.
- LabSpec 4: Rendimiento laboratorio en diseño portátil, análisis sobremesa o transporte a muestra
- Muglight: Análisis de materias primas con mediciones reflectancia y absorbancia
- Rapid Analysis Probe: Recolección espectral de polvos y materiales granulares finos
Ventajas para cervecería y etanol
- Solución portátil para laboratorio y línea de producción
- No invasivo y no destructivo
- Mediciones en tiempo real, rápidas, costo-efectivas, análisis en campo
- Mínima o ninguna preparación de muestra
Aplicación: NIR en industria láctea
Espectroscopia NIR se ha utilizado para medir componentes de productos lácteos: leche, leche en polvo, suero, queso. La composición de leche tiene gran valor económico y proporciona información sobre metabolismo del ganado.
Valor de NIR en lácteos
- Espectros transmitancia Vis/NIR de muestras leche revelan predicciones exactas de grasas y proteínas (R² > 0.90) y lactosa (R² = 0.88)
- Contenido de componentes principales (grasas, proteínas, carbohidratos) determina calidad de leche en polvo: NIR es método viable
- Predictores basados en escáneres NIR brindan resultados más confiables que envejecimiento para contenido de aminoácidos en maduración de queso
- NIRS es método de detección rápido para laboratorios de control de calidad, determinando parámetros que métodos tradicionales no permitían correlacionar
Quimiometría en lácteos
- Calibraciones multivariantes para características composicionales: materia seca, grasa, agua, proteínas totales, lactosa, humedad
- Análisis cuantitativo en tiempo real con LabSpec de ASD
- Regresión para correlacionar métodos laboratorio con NIR
- Múltiples análisis en una sola medición
Soluciones y ventajas
Instrumentos ASD ofrecen portabilidad, relación señal/ruido óptima, cobertura 350–2500 nm. LabSpec 4, Muglight, Rapid Analysis Probe son ideales.
- Portátil para laboratorio y punto de muestreo
- No invasivo y no destructivo
- Mediciones tiempo real, rápidas, costo-efectivas, análisis en campo
- Mínima preparación y desperdicio de muestra
Aplicación: NIR en análisis de proteínas
En últimos 30 años, espectroscopia NIR de reflectancia demostró ser una de las herramientas más eficaces para calcular atributos de calidad en carne y productos cárnicos. Varias aplicaciones NIR predicen composición química de carne y brindan información sobre uniones moleculares y ultraestructura tisular.
Ventajas de NIR para proteínas
- Confiable: Espectroscopia NIR (NIRS) es técnica rápida, no destructiva, segura para control de calidad cárnico, permitiendo análisis simultáneos
- Portátil: Sistemas NIR de ASD pueden utilizarse en laboratorio, faena o planta de producción
- Mediciones tiempo real: Información útil para predecir características físicas y sensoriales en muestras cárnicas
- No destructiva: Medición directa de peces vivos; herramienta rápida y de alto rendimiento para operaciones de cosecha, decisiones sobre tiempo de cosecha, procesamiento, clasificación
Quimiometría en análisis de proteínas
- Modelos para características de calidad, fisicoquímicas, sensoriales: calorías, colágeno, colesterol, humedad, proteínas, grasas, ácidos grasos, pH, tonalidad, color, pérdidas descongelado/cocción, terneza sensorial
- Software The Unscrambler y GRAMS IQ para calibraciones multivariantes
- Múltiples análisis con una sola medición
- Análisis regresión para observar correlaciones entre variables
Soluciones
Espectrómetros ASD con elevada relación señal/ruido, rango 350–2500 nm, ideales para múltiples parámetros. LabSpec 4, Contact Probe, Muglight.
Ventajas para análisis de proteínas
- Confiable y reproducible
- Solución portátil para laboratorio y línea de producción
- Mediciones tiempo real, rápidas, costo-efectivas
- No destructiva
- Múltiples análisis con una sola medición
Más información: https://www.malvernpanalytical.com/es/products/product-range/asd-range/labspec-range/labspec-4-standard-res-lab-analyzer