Makaleyi paylaş
Bu blog makalemiz, sıcaklığın yakın kızılötesi (NIR) absorpsiyon spektroskopisi üzerindeki etkisini ve özellikle sıvı numuneleri analiz ederken bunu kontrol etmenin neden çok önemli olduğunu araştırmaktadır. Bu bilgiler, NIRS ölçümlerinin doğruluğunu ve tekrarlanabilirliğini nasıl iyileştirebileceğinizi anlamanıza yardımcı olacaktır.
Yakın kızılötesi spektroskopisine temel giriş
Yakın kızılötesi spektroskopi, ışık ve maddenin etkileşimine dayanan bir analitik yöntemdir. NIR spektrometreleri, 780 ila 2500 nm dalga boyları arasında NIR bölgesindeki numuneden gelen ışığın emilimini ölçmektedir. Kimyasal, fiziksel ve reolojik parametreler hem sıvılarda hem de katı maddelerde tespit edilebilir. Sonuçlar hızlıdır (< 1 dakika) ve numune hazırlığı veya herhangi bir kimyasal madde gerektirmez. NIRS ikincil bir yöntem olduğundan, tahmin modeli oluşturmak için titrasyon gibi birincil bir yöntem kullanılmalıdır.
Blog makalemizden NIRS'nin temelleri hakkında daha fazla bilgi edinebilirsiniz.
Vibrasyonel geçişler ve sıcaklık bağımlılığını ilişkilendiren teori
Moleküllerin titreşim davranışını açıklayan en temel model, harmonik osilatör modelidir (Şekil 1) [1,2].
Kuantum mekaniği çerçevesinde geliştirilen bu teori, moleküllerin veya fonksiyonel grupların titreşim enerjisini aşağıdaki formülü kullanarak açıklamaktadır:
E = Energy
n = quantum level
h = Planck constant
ν = frequency
Şekil 1'de gösterildiği ve yukarıdaki denklemde açıklandığı gibi, harmonik osilatör sadece belirli ayrık enerji seviyelerine (kuantum durumları n) izin verildiğini belirtir. Bu nedenle, farklı titreşim durumları arasındaki geçiş (örneğin, n = 0'dan n = 1'e) sadece belirli bir miktar enerji (∆E) mevcut olduğunda meydana gelir.
∆E = hν
Enerji farkı ∆E, Planck sabiti h ve frekans ν'ye bağlıdır; ν, molekül veya fonksiyonel grup içindeki atomların bağlanma gücünden etkilenmektedir. Hesaplanan enerji farkları kızılötesi (IR) ışık ve yakın kızılötesi ışık aralığına girdiğinden, IR ve NIR ışık titreşimsel geçişi tetikleyebilir. Ayrıca model, ortaya çıkan absorbans bantlarının neden farklı fonksiyonel gruplarla ilişkilendirilebileceğini açıklamaktadır.
Harmonik osilatör formülünde sıcaklık açıkça belirtilmese de, moleküllerin hangi enerji durumunda olduklarını belirlediği için sıcaklık önemli bir rol oynamaktadır. Moleküllerin belirli bir enerji durumunda olma olasılığı Boltzmann dağılımı ile açıklanmaktadır [3]:
Pn = probability of population of quantum level n
En = energy
kb = Boltzmann constant
T = temperature
Z = partition function
Çok düşük sıcaklıklarda, moleküller ağırlıklı olarak en düşük enerji durumunu (n = 0) işgal ederler. Sıcaklık arttıkça, daha yüksek durumları (n = 1, 2, 3, ...) işgal etme olasılığı artmaktadır.
Sıcaklık ayrıca moleküllerin hareketini de etkiler ve bu da spektral bantların genişliğini etkiler. Daha yüksek sıcaklıklar, Doppler etkisi ve moleküllerin hareketliliğinin artması nedeniyle moleküler çarpışmaların artması sonucu piklerin genişlemesine neden olmaktadır. Bu faktörlerin etkisi sıvılarda olduğundan daha çok gazlarda belirgindir ve katı maddelerde en düşük düzeydedir [4].
Sıcaklık değişikliklerinin NIR tahminleri üzerindeki etkisi
Sıcaklığın NIR sonuçları üzerindeki etkisini araştırmak için çeşitli sıvı uygulamaları seçilerek, belirli sıcaklıklarda tahmin sonuçlarındaki değişim incelenmiştir. Analiz, 26–38 °C sıcaklık aralığında gerçekleştirilmiştir.
NIR tahminlerinin tekrarlanabilirlik hatasını belirlemek için numune her sıcaklıkta üç kez ölçülmüştür. Tüm ölçümler OMNIS NIR Analyzer Liquid ve OMNIS Yazılımı kullanılarak gerçekleştirilmiştir. Optik yol uzunluğu 8 mm ve toplam doldurma hacmi 1 mL olan Standart cam şişeler numune kapları olarak kullanılmıştır. Sıcaklık kontrolü, OMNIS NIR Analyzer entegre işlevleri kullanılarak gerçekleştirilmiştir. Temsili bir ölçüm serisi Tablo 1'de gösterilmektedir.
Tablo 1. Poliol numunesi için ölçüm serisi. Numune başlangıçta OMNIS NIR Analyzer kullanılarak 25 °C'ye kadar soğutulmuş ve bu sıcaklıkta 300 saniye tutulmuştur. Ardından numune hedef sıcaklığa (örneğin 26 °C) ısıtılmış ve ölçüm başlatılmıştır. Bu prosedür, hedef sıcaklık başına üç ölçüm elde etmek için iki kez daha tekrarlanmıştır.
Niteliksel olarak, aynı sıcaklıkta yapılan ölçümlerin yüksek tekrarlanabilirliği, spektrumların mükemmel örtüşmesinden açıkça anlaşılmaktadır (Şekil 2a). Bu durum, Şekil 2b'de gösterilen tekrarlanabilirliğin nicel analizi ile de doğrulanmaktadır. Bu analiz, tekrarlanan ölçümlerden hesaplanan düşük tekrarlanabilirlik hatasını (mutlak hata = 0,05 mg KOH/g, bağıl hata = %0,20) göstermektedir.
Farklı sıcaklıklarda yapılan ölçümlerden elde edilen NIR spektrumları karşılaştırıldığında, spektral şekil farklılıkları doğrudan gözlemlenmektedir (Şekil 3a). Bu değişiklik, Şekil 3b'de gösterildiği gibi NIR tahmin sonuçlarını etkiler; bu şekil, daha yüksek numune sıcaklıklarında değerlerin azalma eğiliminde olduğunu açıkça göstermektedir.
Diğer uygulamaların incelenmesi, sıcaklığın tahmin edilen sonuçları etkilediği gözlemini doğrulamıştır. Şekil 4, sıcaklığın poliollerde hidroksil değeri, metoksipropanolde nem içeriği ve dizelde setan indeksi ve viskozite için tahmin edilen değerler üzerindeki etkisini göstermektedir. Tüm uygulamalar arasında yapılan karşılaştırma, tahmin edilen sonuçların sıcaklık değişikliklerine bağlı olarak doğrusal olarak değiştiğini ortaya koymaktadır. Her parametre için sıcaklık değişiminin derecesi başına tahmin sonuçlarındaki bu sabit mutlak değişiklik, numune sıcaklığındaki değişikliklerle spektral şeklin tutarlı bir şekilde değiştiğini yansıtmaktadır.
Bu nedenle, ölçümler sırasında numune sıcaklık kontrolünün ihmal edilmesi, NIR tahminlerinin hem doğruluğunu hem de tekrarlanabilirliğini etkileyecektir. Tablo 2, her bir derece sıcaklık değişimi ile ilişkili değişiklikleri göstermektedir. Sıcaklık derecesi başına mutlak değişim nedeniyle, uyarılmış göreceli hata, daha düşük konsantrasyonlara sahip numuneler için daha önemlidir.
Tablo 2. Farklı uygulamalar için numune sıcaklığındaki her bir derece değişimine bağlı olarak NIR tahminlerinde meydana gelen mutlak ve göreceli değişimlere genel bakış. Sıcaklık değişikliklerinin neden olduğu göreceli hatalar, ilgilenilen parametrenin düşük konsantrasyonları için çok önemli olabilmektedir.
Tablo 3, hidroksil değeri ölçülen parametresi ile poliol örneğinin toplam hatasını, tekrarlanabilirlik hatası ve 1 °C veya 2 °C sapma için sıcaklık kaynaklı hatayı özetlemektedir. Görüldüğü gibi, sıcaklıkta iki derecelik bir sapma, %1'den fazla bir hataya neden olmaktadır.
Tablo 3. 26 °C'de 24,91 mg KOH/g tahmini değere sahip bir poliol numunesinin toplam hatası (tekrar edilebilirlik hatası ve sıcaklık değişimi hatası) hakkında genel bilgi.
NIR sonuçlarının doğruluğunu ve tekrarlanabilirliğini nasıl iyileştirebilirsiniz?
Bu bulgulara dayanarak, numuneleri hedef sıcaklıklarına ısıtmak ve/veya soğutmak için güvenilir bir yöntem kullanılması şiddetle tavsiye edilmektedir. NIR uygulamaları için genel uygulama kılavuzları sağlayan ASTM D6122, bu ihtiyacı vurgulamaktadır:
- A1.5 Numune Sıcaklığı
Numune sıcaklığı, yoğunluk değişiklikleri ve moleküller arası etkileşimler nedeniyle spektral ölçümlerin tekrarlanabilirliğini büyük ölçüde etkilemektedir ve bu durum sonuç olarak tahmin edilen değerleri değiştirebilir.
NIR analizörleri kullanırken bunun için yaygın bir çözüm, numune tutucuyu hedef sıcaklığa ısıtmak ve termal dengeyi sağlamak için numuneyi yerleştirdikten sonra belirli bir bekleme süresi kullanmaktır. Bu yaklaşımın zorluğu, NIR analizinin hızından yararlanırken numunenin hedef sıcaklığa ulaşmasını sağlamak için ideal bekleme süresini tespit etmektir. Bu durum, numunenin başlangıç sıcaklığının mevsimsel etkiler (örneğin kış/yaz) nedeniyle laboratuvardaki değişikliklerden etkilenebilmesi nedeniyle son derece zordur. Çoğu durumda 30-60 saniyelik bekleme süreleri kullanılır, ancak deneyler bu kadar kısa sürelerin yetersiz olduğunu göstermektedir (Şekil 5).
Bu nedenle, daha gelişmiş bir yaklaşım, numune sıcaklığının kendisini izlemektir. Bu deneyler için kullanılan OMNIS NIR Analyzer, birden fazla sıcaklık sensörü ve gelişmiş bir algoritmanın birleşimi sayesinde böyle bir prosedürü mümkün kılmaktadır. OMNIS NIR Analyzer ile, ölçüm başlamadan önce numune sıcaklığını otomatik olarak değerlendirmek ve düzenlemek için sıcaklık kontrollü ölçümler tanımlanabilmektedir. Bu, birçok avantaj sunmaktadır:
- Keyfi bekleme süresi gerekmez, yüksek analiz hızı korunurken hedef sıcaklığa ulaşılması sağlanmış olur.
- Laboratuvar ortamındaki mevsimsel sıcaklık değişiklikleri nedeniyle ölçümlerde sıcaklık dalgalanmaları en aza indirilmektedir.
Sonuç
Sıcaklık değişiminin NIR ölçümleri üzerindeki etkisi ve bunun doğruluk ve tekrarlanabilirlik üzerindeki etkisi her zaman hemen fark edilmeyebilir. Bunun nedeni, sıcaklık dalgalanmalarının genellikle uzun süreler boyunca meydana gelmesi (örneğin, laboratuvarda mevsimsel sıcaklık değişiklikleri) ve uygulamaların geliştirilmesi ve NIR tahmin modelleri veya kütüphanelerinin oluşturulması aşamasında çok belirgin olmamasıdır.
Ancak, bu ölçüm serisinde gösterildiği gibi, bu tür dalgalanmalar, numune sıcaklığındaki her bir derece değişiklik başına NIR tahminlerinin doğruluğunu ve tekrarlanabilirliğini %1'den fazla oranda etkileyebilmektedir ve bu nedenle kontrol altına alınmalıdır. İdeal olarak, bu işlem sadece numune tutucusunun sıcaklığını değil, numune sıcaklığını da izlemeye olanak tanıyan işlevlerle gerçekleştirilmelidir.
Referanslar
[1] Heisenberg, W. Über quantentheoretische Umdeutung kinematischer und mechanischer Beziehungen. Z. Für Phys. 1925, 33 (1), 879–893. DOI:10.1007/BF01328377
[2] Landsberg, Gr. Molekulare Lichtzerstreuung in festen Körpern. I: Lichtzerstreuung im kristallinischen Quarz und ihre Temperaturabhängigkeit. Z. Für Phys. 1927, 43 (9–10), 773–778. DOI:10.1007/BF01397337
[3] Boltzmann, L. Weitere Studien Über Das Wärmegleichgewicht Unter Gasmolekülen. Sitzungsberichte Akad. Wiss. Zu Wien 76, 373–435.
[4] Herzberg, G.; Herzberg, G. Infrared and Raman Spectra of Polyatomic Molecules, 22. print.; Molecular spectra and molecular structure / by Gerhard Herzberg; van Nostrand: New York, 1987.
OMNIS NIRS: Laboratuvarınız için verimlilik artışı
Bu White Paper, NIR spektroskopisinin temellerini ve faydalarını sunmakta ve OMNIS NIRS'in farklı durumlarda sahip olduğu benzersiz işlevselliği göstermek için petrokimya, gıda ve içecek, yarı iletken ve ilaç endüstrilerindeki uygulamaları ele almaktadır.
