Différentes applications sur le terrain pour les spectromètres portables proche infrarouge
(Réflexion diffuse)
La spectroscopie proche infrarouge a été découverte par William Herschel en 1800, lorsqu'il a observé que la région située en dehors du spectre visible dispersé, proche de la longueur d'onde du rouge, augmentait la température d'un thermomètre. Plus tard, il a vérifié que les rayons invisibles suivent également les propriétés ondulatoires telles que la réflexion, la réfraction, l'interférence et la diffraction. Le proche infrarouge ne représente qu'une petite partie de la lumière infrarouge, qui comprend également l'infrarouge moyen et l'infrarouge lointain. Le domaine spectral proche infrarouge peut être défini comme la région comprise entre 780 nm et 2 500 nm, soit 4 000 et 12 820 cm-1. Il peut être comparé au domaine de l'infrarouge moyen, qui s'étend de 2,5 μm à 25 μm, et au domaine de l'infrarouge lointain, qui couvre la plage de 25 μm à 1 mm. Ceci est illustré dans la figure 1 ci-dessous :
Figure 1 : Position du spectre proche infrarouge dans le rayonnement électromagnétique
Lorsque l'énergie lumineuse interagit avec un matériau, elle est absorbée à des fréquences de résonance associées à la structure atomique et moléculaire du matériau. Les liaisons moléculaires sont capables de s'étirer et de se plier, et les fréquences de résonance absorbées pour ces vibrations se situent généralement dans l'infrarouge moyen. Il s'agit des vibrations fondamentales correspondant à l'étirement, à la flexion, au balancement et à la torsion des liaisons moléculaires telles que C-C, C-O, C-N, C-H, O-H et N-H. Par conséquent, le signal dans l'infrarouge moyen est très puissant et les pics d'absorption sont importants. Cependant, l'infrarouge moyen est généralement utilisé pour l'analyse qualitative des produits pétrochimiques, des plastiques et des polymères contenant peu d'eau.
Pour les analyses quantitatives, on utilise généralement la région proche infrarouge du spectre lumineux. Cette région contient principalement des harmoniques et des bandes combinées, principalement attribuées aux vibrations de l'hydrogène, telles que CH (graisses, huiles, hydrocarbures), OH (eau, alcool) et NH (protéines). Les spectres proche infrarouge n'ont pas la même résolution que les spectres infrarouge moyen et les niveaux de signal sont environ 100 fois plus faibles. Cependant, ils présentent d'autres avantages. Par exemple, la matière proche infrarouge peut généralement être collectée par réflexion diffuse ou à travers un matériau (transmission) sans la préparation d'échantillon requise pour les mesures infrarouge moyen. De plus, le proche infrarouge convient à la mesure de matériaux à forte et faible teneur en eau.
La figure 2 ci-dessous montre les harmoniques et les spectres combinés proches de l’IR.
Figure 2 : Liaisons et longueurs d'onde correspondantes associées aux spectres proches infrarouges
Plusieurs méthodes sont utilisées pour collecter les spectres proches infrarouges. La trans-réflectance, où le faisceau lumineux proche infrarouge pénètre le milieu et est également réfléchi par d'éventuels germes (780-1100 nm), la transmission, où la lumière ayant traversé le matériau est détectée (1200-1850 nm), et enfin la réflectance diffuse (1200-1850 nm).
La figure 3 ci-dessous montre la technique de réflexion diffuse.
Figure 3 : Réflectance diffuse d'une surface
La spectroscopie proche infrarouge peut être utilisée dans de nombreux domaines différents où l'eau est abondante dans le matériau et où il n'y a pas besoin de préparation du matériau.
Un spectromètre comme NirvascanIl peut émettre une lumière proche de l'infrarouge à 45 degrés d'une lampe infrarouge et détecter la réflectance diffuse à une température normale. Les matériaux à détecter peuvent être des comprimés, des céréales, des stupéfiants, du plastique, etc. Généralement, le matériau est broyé en fine poudre, puis NirvascanLa fenêtre du spectromètre est placée juste au-dessus de la poudre et une mesure est prise.
La figure 4 ci-dessous montre le processus de prise de mesure de l’aspirine.
Figure 4a - Aspirine dans un mortier Fig. 4 b Aspirine moulue prête à être mesurée
Figure 4 c - Mesure du spectre proche infrarouge de l'aspirine
Figure 4 d - Le spectre de réflectance de l'aspirine montre des pics d'absorption
Deux pics d'absorption évidents sont observés à près de 1 100 et 1 600 nm, associés à l'étirement C-O de l'aspirine, dont le moment dipolaire est important. Plus le moment dipolaire d'une liaison est élevé, plus le signal proche infrarouge est fort.
One interesting application of near IR is sorting plastic for recycling. Plastics are made using different types of polymers by using low temperature injection molding. Right now the process of sorting is done manually by using recycling codes. Different types of plastic on a moving rail are separated by workers by referring to their recycling codes as shown in figure 5.
Figure 5 : Tri manuel du plastique pour le recyclage
Chaque type de polymère possédant sa propre signature spectrale NIR, le processus de séparation peut être considérablement accéléré en identifiant les différents types de plastiques grâce à leur signature spectrale. La figure 6 ci-dessous illustre le concept selon lequel une source et un détecteur NIR sont utilisés pour collecter les spectres d'un mélange de plastiques. Le détecteur utilise également un système d'imagerie pour identifier la position des différents types de plastiques sur la bande transporteuse en fonction de leurs spectres. À l'arrivée au point de collecte, des buses d'air programmées soufflent de l'air avec une force de poussée variable sur les différents types de plastiques, qui tombent dans différents bacs et sont séparés.
Figure 6 : Tri NIR des plastiques
L'industrie agroalimentaire peut également bénéficier de la technique NIR, car elle permet d'utiliser le proche infrarouge pour quantifier la teneur en matières grasses, en protéines et en humidité. Les producteurs de blé et d'orge ont besoin de connaître la teneur en protéines et en matières grasses de leurs récoltes. La figure 7 illustre ce concept.
Figure 7 : Différents types de blé ont une teneur en protéines différente qui peut être mesurée à partir de l'absorption de la liaison NH.
D'autres exemples d'application sont l'identification des stupéfiants, la détection des champignons, la quantification de la dureté des pilules, l'identification des minéraux, l'inspection de la qualité des aliments, les tests des pigments de peinture, la surveillance de la santé agricole, la réflectance des revêtements, etc. Les techniques NIR peuvent également être utilisées pour identifier les caractéristiques physiques des échantillons solides telles que la taille des particules et la densité de tassement d'un matériau.
En résumé, la technique NIR est une technique rapide et non destructive qui ne nécessite aucune préparation d'échantillon et peut être utilisée pour identifier, quantifier et trier de nombreux matériaux dans différents secteurs. Elle peut être utilisée pour la surveillance des procédés et est particulièrement utile pour déterminer la teneur en humidité de différents matériaux.
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Références :
1- Une revue de la spectroscopie proche infrarouge et de la chimiométrie dans les technologies pharmaceutiques, Y.Reggo et al, Journal of Pharmaceutical and Biomedical analysis, (44), 2007.
2- Détermination des protéines et de l'humidité dans le blé et l'orge par transmission proche infrarouge, P. Williams et al. J. Agric. Food Chem, (33), 1985.
3- Développement d'une méthode de mesure non destructive de la concentration en nitrates dans les feuilles de légumes par spectroscopie proche IR, Hiromitoichi Ito et.al, actes du 18e congrès mondial, la fédération internationale de contrôle automatique, Milan, Italie, 2011.
4- Recyclage et élimination des déchets d'emballages alimentaires en plastique 8, plus d'informations sur les technologies de tri des déchets plastiques, Robert Humphries, mars 2017.
Comparing the NIR spectrosc