Por Que Devo Me Preocupar Com Os Fótons? Otimizando A Qualidade De Suas Medições Raman De Processo

A espectroscopia Raman é um método poderoso e conveniente para medições de processos em tempo real que está ganhando ampla adoção em uma variedade de indústrias. Muitos usuários tratam os analisadores Raman como “caixas pretas” que magicamente fornecem informações químicas, mas um entendimento básico das considerações estatísticas inerentes à espectroscopia Raman permite que usuários astutos selecionem o melhor hardware e otimizem as configurações de medição para seus requisitos de processo específicos. Nesta postagem do blog, fornecemos uma visão geral acessível das estatísticas de fótons, relação sinal-ruído e precisão quimiométrica, e explicamos seu impacto sobre a precisão, resolução, confiabilidade e velocidade de suas medições de monitoramento de processo.

Uma das melhores coisas sobre os fótons (partículas de luz) é que eles carregam informações valiosas sobre as misturas químicas e matrizes que são críticas para o seu processo – se você tiver o equipamento e algoritmos certos para decodificar sua mensagem. Se você é químico de processos, engenheiro de processos ou gerente de produção, ou se desempenha algum tipo de função semelhante em sua organização, provavelmente não pensa muito sobre fótons. Você se preocupa em executar bem o seu processo, evitando problemas, aumentando o rendimento e outros fatores importantes. Então, por que você deveria se preocupar com os fótons? O ponto principal é – mais fótons fornecem melhores medições!

Se você iluminar uma amostra química – seja um sólido, um líquido, um gás ou alguma mistura deles – com um laser, uma pequena fração desses fótons de laser irá interagir com as moléculas em sua matriz e sofrer uma mudança no comprimento de onda (a mudança de cor). Esta é a “mudança Raman” e medir os padrões de mudança informa quais moléculas estão presentes e suas proporções relativas. A espectroscopia Raman tem excelente “especificidade”, o que significa que pode detectar diferenças sutis em misturas e distinguir diferentes espécies químicas umas das outras. No entanto, a principal desvantagem do método Raman que a maioria dos usuários encontra é que o sinal Raman é muito fraco. Esse efeito de espalhamento quando o fóton é deslocado para um comprimento de onda maior e, portanto, fornece algumas informações químicas, só acontece se você tiver sorte, tipicamente 1 em um milhão a 1 em um bilhão de fótons. Esta é a razão pela qual alguns usuários em potencial pensam que o Raman não pode ser usado de forma eficaz na análise de processos. Menos óbvio para os usuários pode ser o motivo pelo qual o sinal Raman fraco é um problema tão grande. Por que você não pode fazer medições sobre os poucos fótons espalhados por Raman? Bem, o problema é que esse sinal está lutando contra o ruído.

Ruído é qualquer variação aleatória ou erro em uma medição, seja espectroscópica ou não. Em um sistema analisador Raman, existem muitas fontes potenciais de ruído. O detector, normalmente um CCD, que coleta esses fótons e os transforma em um sinal eletrônico, tem algumas fontes de ruído. O laser que fornece a iluminação, ou a chamada “excitação”, pode variar em intensidade ou mudança no comprimento de onda, e todos esses vários fatores levam a mudanças no sinal Raman que não são representativas do que realmente está acontecendo quimicamente, e assim aqueles são considerados uma fonte de ruído.

A própria amostra, se entrar ou sair do foco com o sistema de detecção Raman, ou se houver mudanças em sua opacidade e transparência, também pode servir como fonte de ruído. Às vezes, se a concentração química real na amostra está mudando rapidamente, isso pode aparecer como ruído, mas você deve ter muito cuidado nesses casos, pois essas variações são, na verdade, um sinal útil que está dizendo algo sobre as características de sua amostra. Mas mesmo com a engenhosa engenharia que foi empregada nos modernos analisadores Raman para minimizar essas fontes de ruído, ainda há um ruído intrínseco inerente associado aos próprios fótons.

Devido à estranheza da mecânica quântica, os fótons às vezes agem como partículas, às vezes agem como ondas, às vezes como um híbrido dos dois, mas eles são sempre quantizados na detecção por um CCD ou detector semelhante – não existe um fóton fracionário . Eles estão chegando em momentos aleatórios e isso leva a uma certa característica de ruído chamada ruído de disparo ou ruído de Poisson que é igual à raiz quadrada do número de fótons. Portanto, durante qualquer intervalo de tempo determinado (por exemplo, fazendo uma exposição com seu CCD), mesmo se tudo estiver estável, mesmo se seu laser estiver estável, mesmo se sua amostra estiver absolutamente estacionária, o número de fótons que você detecta dentro desse intervalo de tempo vai variar. Vai mudar por causa da natureza do tempo de chegada aleatório dos próprios fótons. Se, por exemplo, você tiver 10.000 fótons em média, mas fizer essa medição repetidamente, verá que as medições saltam e obtêm uma resposta diferente a cada vez, normalmente variando pela raiz quadrada de 10.000, que é 100.

Na Tornado, muitas vezes somos questionados sobre a compensação entre a relação sinal-ruído e a velocidade de medição. Essa é uma preocupação crítica em qualquer medição de processo em que as coisas podem acontecer rapidamente. Ter medições rápidas e oportunas é importante, se não absolutamente crítico. Com o nosso espectrômetro proprietária tecnologia permitindo que 10 vezes mais fótons sejam coletados pelo detector, o que você pode fazer com isso? Você poderia medir na mesma velocidade de um analisador Raman convencional, mas obter uma qualidade de medição 3x melhor (já que a raiz quadrada de 10 é aproximadamente 3). Alternativamente, você pode obter 10x mais medições independentes rapidamente na mesma relação sinal-ruído (e, portanto, a mesma precisão de medição ou limite de detecção) em cada uma dessas medições. Mas você também pode pegar esse número 10x maior de fótons e obter uma qualidade de medição um pouco melhor e medições um pouco mais rápidas

Com menor incerteza de medição, você pode resolver mais facilmente as alterações reais na concentração química e, assim, ter maior confiança de que seu processo está no caminho certo para rendimento máximo ou pureza máxima. Mais fótons sempre resultam em medições espectroscópicas melhores e fornecem uma relação sinal-ruído melhor e mais alta que resulta em erros de previsão menores. E isso pode fornecer um feedback mais rápido para o seu processo, melhor sensibilidade às mudanças no seu processo e maior confiança de que as medições do seu processo estão medindo com precisão o que está acontecendo. Na verdade, não há substituto para mais fótons e ninguém fornece mais fótons do que nós aqui no Tornado.