Espectroscopia Raman versus NIR – Prática considerações para a seleção do analisador PAT

Quando se trata da coleção de técnicas analíticas, há um grande número que explora espectroscopia de uma forma ou de outra e fornece uma gama de ferramentas para a identificação e medição de átomos, íons e moléculas. A espectroscopia vibracional emprega uma faixa de comprimento de onda que interroga as energias vibracionais das ligações moleculares. Duas das principais ferramentas dentro do reino de espectroscopia vibracional são espectroscopia de infravermelho próximo (NIR) e espectroscopia Raman. Ambos são usados na indústria por causa de sua natureza não destrutiva, tempos de aquisição rápidos e conteúdo informativo. No entanto, a seletividade mais pobre do NIR e o impacto de atributos físicos, como tamanho de partícula, densidade, temperatura e umidade nos resultados representam um desafio prático significativo para implementação econômica da técnica. Ele particularmente impõe requisitos pesados ​​sobre manutenção do modelo quantitativo, uma vez que as mudanças ao longo do tempo nos fatores citados acima exigem o modelo atualizações.
Espectroscopia Raman, que fornece aos usuários medições in situ mais específicas de matrizes químicas em comparação com outras modalidades de medição em tempo real, apresenta muitos dos mesmos atributos favoráveis ​​encontrados com NIR com a vantagem crítica adicional de especificidade química, que facilita a compreensão do processo. Por causa da excelente seletividade, confiabilidade, robustez e flexibilidade, o analisador Raman HyperFluxTM PRO Plus da Tornado é muitas vezes a melhor escolha ao decidir qual técnica a ser implementada com base na necessidade de monitorar os atributos e propriedades críticos de qualidade de processo de fabricação dos usuários.
Cada uma dessas tecnologias espectroscópicas vibracionais possui pontos fortes e limitações exclusivas, e cada têm o seu lugar. Este blog compara brevemente as duas técnicas, discute suas semelhanças e diferenças, e talvez mais importante, destina-se a ser usado como um guia prático para permitir que PAT cientistas, químicos de desenvolvimento de processos ou engenheiros de controle de processos para compreender os principais diferenças e capacidades das duas técnicas.

NIR é um método espectroscópico vibracional que usa a região do infravermelho próximo do eletromagnético espectro (de 780 nm a 2500 nm). Uma vez que as bandas nesta região são fracas, nenhuma diluição de materiais em matrizes são necessárias para obter a informação espectral. Isso apresenta uma grande vantagem para o analista uma vez que nenhuma preparação de amostra é necessária, eliminando erros de preparação de amostra, mão de obra de analista e amostra destruição. As aplicações típicas incluem diagnósticos médicos e fisiológicos e pesquisas, incluindo açúcar no sangue, urologia (contração da bexiga) e neurologia (acoplamento neurovascular). Há também aplicações em outras áreas, bem como controle de qualidade farmacêutica, alimentícia e agroquímica, química atmosférica e astronomia.
Os sistemas NIR podem ser usados ​​principalmente para medir a radiação NIR que foi coletada em dois modos, seja por refletância difusa ou transmissão. A configuração do instrumento, como detector, detector a posição e a potência mudarão dependendo do modo desejado.
Uma grande seleção de instrumentos NIRS de processo e de bancada pode ser encontrada no mercado como esses sistemas são ferramentas analíticas comuns em laboratórios de qualidade e desenvolvimento de processos. NIRS de processo pode empregar sondas invasivas ou não invasivas. A seleção da sonda depende da aplicação e dependerá do interface de amostragem. Além disso, o processo NIRS também pode incorporar comunicação sem fio tecnologias que permitem configurações de monitoramento de processo mais fáceis.

Considerando que o NIR é realizado por meio de uma medição de absorção, Raman é uma técnica de espalhamento que é baixa energia na natureza. Requer gerenciamento de fótons superior para obter o máximo benefício. Irradiação de uma amostra com uma fonte de luz intensa de comprimento de onda único resulta em dispersão de luz, a maioria dos quais está no mesmo comprimento de onda que a fonte e é chamado de dispersão de Rayleigh. No entanto, uma pequena quantidade se espalhará em um frequência diferente. Isso é conhecido como Efeito Raman. Este processo não é o mesmo que o NIR processo de absorção. Muitas absorções que são fracas no IR médio são fortes em Raman e em moléculas com um centro de simetria, as técnicas são mutuamente exclusivas. FTIR e Raman são
portanto, ditos complementares. Vibrações simétricas dão origem a intensas linhas Raman; os não simétricos são geralmente fracos e às vezes não observáveis.
Os espectrômetros Raman não são tão simples quanto os dispositivos NIR. Dado o baixo número de fótons produzidos, lasers são usados ​​para gerar a radiação monocromática necessária para produzir o suficiente de forma inelástica fótons dispersos. Os sistemas Raman também requerem uma série de filtros de entalhe e / ou borda para bloquear ou atenuar a contribuição de Rayleigh da amostra, que de outra forma poderia ser esmagadora se permitido alcançar o detector.
Espectrômetros Raman (como sistemas NIR) também podem ser encontrados em dispersiva ou transformada de Fourier (FT) configurações. O projeto anterior é muito mais comum, pois as vantagens do projeto FT não são tão pronunciado na instrumentação Raman. Instrumentos dispersivos geralmente utilizam lasers de diodo no visível e região do infravermelho próximo (532-980 nm) com carga multidimensional e / ou unidimensional acoplada câmeras de dispositivos (CCD) como detectores. Sistemas que usam fontes de excitação na região visível são mais eficiente, uma vez que a intensidade do sinal Raman é proporcional à bi-quadrática do laser frequência.
Um dos principais critérios na seleção de um analisador Raman é a velocidade de medição. Um laser poderoso (≈500 mW) combinado com um espectrômetro de alto rendimento oferece o tempo de aquisição espectral mais rápido por desde exposições em milissegundos. Isso leva a limites mais baixos de detecção e fornece ações acionáveis informações em tempo real sobre o processo. No espaço de especialidades químicas e farmacêuticas, melhor resolução quantitativa (precisão) faz uma diferença significativa onde as medições são feitas em partes por milhão. Por exemplo, um de nossos clientes precisava saber que seu reagente era especificamente em 400 partes por milhão. Fomos capazes de fazer tal medição, enquanto o próximo melhor Raman
instrumento no mercado não poderia medir essa resolução com rapidez suficiente. A diferença para o cliente em ser capaz de medir com mais precisão é vasto. Na indústria biofarmacêutica, rápido, medições precisas em bioprocessamento downstream, por exemplo, podem auxiliar as empresas durante o processo de purificação e permitir que eles atinjam resultados confiáveis ​​em tempo real.

Ambos NIR e Raman são usados em química para fornecer uma impressão digital estrutural pela qual as moléculas podem ser identificado. A análise de dados espectroscópicos multivariados de sinais Raman ou NIR também pode ser usada para alcançar análise quantitativa de amostras orgânicas e alguns materiais inorgânicos. Além disso, ambos os métodos são não destrutivos que permitem a análise direta de amostras intactas (ou seja, nenhuma preparação de amostra). Ambos tipos de espectrômetro podem ser / podem ter interface com sondas equipadas com fibras longas para melhorar a amostra flexibilidade, que é útil para aplicações de tecnologia analítica de processo.

Quanto a qual técnica é ideal para a análise, vai depender da aplicação e da logística de a medida. Ao compreender melhor todos os pontos-chave do seu processo, sua equipe será capaz para tomar uma decisão melhor de qual sensor deve ser empregado no ambiente desejado.
Embora a espectroscopia NIR ofereça algumas vantagens, como determinar diferenças no tamanho das partículas, A espectroscopia Raman freqüentemente torna mais fácil avaliar os espectros. Fluorescência é um dos principais problemas que encontramos e NIR é certamente uma boa alternativa quando este é um problema debilitante. Mesmo com fluorescência, no entanto, se o sinal Raman puder ser visto sobre o sinal de fluorescência, uma a medição pode frequentemente ser feita (com o analisador Raman PRO Plus da Tornado). Raman não pode efetivamente medir o conteúdo de água, enquanto o NIR pode. O NIR também pode ser empregado para medições sem fio em um navio em movimento, o que é uma situação difícil para Raman. Para praticamente qualquer outra circunstância, no entanto, Raman costuma ser uma opção fortemente favorável. Isso se deve às vantagens citadas ao longo deste blog.
O Raman pode ser usado de forma mais eficaz para medições em uma matriz aquosa, como em bioprocessamento. Raman também fornece informações moleculares específicas. Cada pico pode ser definitivamente relacionado a um funcional grupo em um ambiente particular. Isso leva a uma melhor especificidade quantitativa e qualitativa. Enquanto NIR os praticantes confiam fortemente em interpretações quimiométricas de seus dados, aqueles que empregam Raman são permitiu uma dimensão adicional de interpretabilidade molecular. Aqueles que usam Raman não são apenas permitidos percepções quantitativas empíricas, mas também têm o benefício adicional de discernir mudanças moleculares (ou estase molecular, conforme o caso). Isso leva a uma compreensão extraordinária do processo, o valor de que não pode ser superestimado. Este é um dos benefícios verdadeiramente revolucionários de usar o Raman para desenvolvimento e monitoramento de processos.