لماذا تهم منطقة الأطوال الموجية
لا تختلف المحلّلات المستخدمة في صناعة الأغذية والأعلاف وفي المنشآت العملياتية في التصميم البصري فحسب، بل أيضاً في الجزء الذي تسجّله من الأشعة تحت الحمراء القريبة. ويعرّف Pasquini منطقة NIR بأنها 750–2,500 nm، ويوضح أن امتصاصاتها نغمات توافقية عليا وتراكيب للاهتزازات الأساسية لروابط O–H وC–H وN–H وS–H، التي تقع اهتزازاتها الأساسية عند 3,000–4,000 nm [1]. وهذه النطاقات أضعف بكثير من الاهتزازات الأساسية، ويشير Beć وHuck إلى أن الامتصاصية تتناقص باطّراد نحو النغمات التوافقية الأعلى والتراكيب ذات الرتب الأعلى [1][2]. وهذه الحقيقة وحدها تقود المقايضة الرئيسية في هذا الدليل: حيث تكون النطاقات قوية ومحددة لا ينفذ الضوء إلا مسافة قصيرة؛ وحيث ينفذ الضوء عميقاً تكون النطاقات ضعيفة وشديدة التراكب.
المناطق الثلاث وما تحمله
منطقة NIR قصيرة الموجة (دون نحو 1,100 nm) تحتوي النغمات التوافقية ذات الرتب العليا: فقد بنى Gonzaga وPasquini مطيافاً ضوئياً منخفض التكلفة للمدى 850–1,050 nm، وتمكّنا من نسبة مناطق طيفية إلى النغمات التوافقية الثالثة لاهتزاز شدّ C–H [3]. والنطاقات هنا ضعيفة إلى حد أنه يجب زيادة طول المسار لرؤيتها: ففي مثال الكلوروفورم لدى Pasquini، لا تُظهر المنطقة 850–1,150 nm أي بنية تقريباً عند مسار 1 mm، لكنها تُظهر خمسة نطاقات متمايزة عند 5 cm [1].
منطقة النغمة التوافقية الأولى (نحو 1,100–1,800 nm) تحمل النغمات التوافقية الأولى لاهتزازات شدّ X–H، وفيها تجمع أجهزة InGaAs القياسية معظم معلوماتها؛ فعلى سبيل المثال، وجد Lukacs وآخرون قمماً رئيسية لمتجه الانحدار عند نحو 1,400–1,600 nm، نُسبت إلى النغمات التوافقية الأولى لـ N–H، عند التقدير الكمي لمواد الغش الغنية بالنيتروجين في مساحيق البروتين [4].
منطقة التراكيب، التي يحددها Pasquini بالمدى 1,600–2,500 nm، تضم نطاقات التراكيب الأقل توهيناً من النغمات التوافقية، وفيها أيضاً قد تشطر الرنيناتُ نطاقاً واحداً إلى نطاقين [1]. وقد رصد Lukacs وآخرون في الدراسة نفسها سمات تراكيب N–H فوق نحو 2,000 nm [4]. ويؤكد Beć وHuck أن طيف NIR بأكمله مبني من عدد كبير جداً من المساهمات المتراكبة اللاتوافقية، لذا نادراً ما تكون النطاقات المنفردة معزولة حتى هنا [2].
عمق النفاذ: الوجه الآخر لقوة النطاق
الامتصاص الضعيف هو ما يتيح لضوء NIR سبر كتلة العينة لا سطحها فقط [2]. وتتناقص أعماق النفاذ المقيسة بازدياد الطول الموجي. فقد وجد Padalkar وPleshko نحو 5 mm في الغضروف عند 7,000–9,000 cm−1 (نحو 1,110–1,430 nm)، ونحو 3 mm عند 5,100–7,000 cm−1، ولم يتجاوز 1–2 mm عند 4,000–5,100 cm−1، أي في منطقة التراكيب [5]. وفي ثمار الأفوكادو، قاس Wedding وآخرون نفاذاً بالنفاذية يبلغ نحو 12 mm قرب 834–885 nm، لكنه أقل من 3 mm بين نحو 1,348 و1,862 nm [6]. ويطرح Pasquini النقطة نفسها بالنسبة إلى السوائل: يجب أن يقصر طول مسار الخلية كلما انتقلنا من النغمات التوافقية العليا إلى منطقة التراكيب حول 2,200 nm [1].
ولهذا تُستخدم منطقة NIR قصيرة الموجة للمنتجات الزراعية السليمة. فقد تنبأ Kawano وآخرون بالسكر في الخوخ السليم بنمط التفاعل (interactance) باستخدام حدود المشتقة الثانية عند 906 و878 و870 و889 nm [7]. والحدود موثقة بالقدر نفسه: إذ استخدم Guerra وآخرون جهازين بحجم الجيب يعملان عند 740–1,070 nm على 331 عينة حليب، فحصلوا على نموذج ملائم للدهن (R² للمصادقة الخارجية 0.93) لكن على نماذج ضعيفة للاكتوز واليوريا والخلايا الجسدية ونقطة التجمد، وخلصوا إلى أن المنطقة لا تحمل معلومات كافية لتلك الصفات [8].
الكواشف تحدد المنطقة التي يراها الجهاز
يذكر Pasquini السيليكون وPbS وInGaAs بوصفها أكثر مواد كواشف NIR استخداماً [1]. ويُفيد Beć وآخرون بأن ثنائيات Si الضوئية تحافظ على حساسية معقولة من المنطقة المرئية حتى نحو 1,100 nm وتناسب الأجهزة المدمجة منخفضة التكلفة، وأن InGaAs يعطي أفضل أداء عند نحو 1,000–1,600 nm مع استجابة سريعة وتيار مظلم منخفض، وأن InGaAs الممتد أقل حساسية وقد يحتاج إلى تبريد [9]. ويمكن أن تجمع الأجهزة بين أكثر من كاشف: فالجهاز المكتبي ذو المحزوز في دراسة Lukacs وآخرين استخدم Si للمدى 400–1,098 nm وPbS للمدى 1,100–2,498 nm [4]. وتوثّق مراجعة Crocombe كيف جعلت وحدات المنطقة المرئية وNIR قصيرة الموجة الأجهزةَ ذات الأسعار الاستهلاكية ممكنة [10]. لذا فإن تغطية الأطوال الموجية الطويلة مسألة اختيار للكاشف، لا أمر مقصور على بنية بصرية واحدة [4][9].
اختيار المنطقة عملياً
لا توجد منطقة هي الأفضل لكل عينة. وتشير الأدبيات إلى ثلاثة أسئلة:
- أين توجد معلومات المادة المحلَّلة؟ قد تحتاج المكوّنات ذات البصمات الضعيفة أو غير المباشرة في الموجة القصيرة إلى منطقة النغمات التوافقية أو منطقة التراكيب [8]؛ فراجع نسب النطاقات المنشورة والأطياف التجريبية قبل تثبيت المدى [2][4].
- ما سماكة العينة ومدى عدم تجانسها؟ تُفضّل العينات السليمة أو الخشنة الأطوالَ الموجية الأقصر التي ترى أعمق داخل المادة؛ ويمكن للسوائل الصافية في الخلايا القصيرة استخدام منطقة التراكيب [1][5][6].
- ما الذي تسمح به واجهة أخذ العينات؟ استبعد Lukacs وآخرون الأطوال الموجية فوق 2,200 nm لأن مسابير الألياف البصرية تُدخل ضجيجاً عالياً هناك [4]؛ كما تتغير حساسية الكاشف واحتياجات التبريد عبر المدى [9].
كيف تتعامل USTECH مع اختيار المنطقة
تقدّم USTECH محلّلات تغطي أجزاء مختلفة من منطقة NIR، وتختار بحسب كل تطبيق. فـ ProLine17EC وProLine17ECS محلّلا NIR مدمجان في الخط مبنيان على كواشف مصفوفية من InGaAs؛ وProLine2550 محلّل FT-NIR مدمج في الخط للخلاطات والمفاعلات وخطوط الأنابيب، وMasterLine17EC محلّل NIR مكتبي وعامل بجانب الخط. وداخل الطيف المسجَّل تُقارن مناطق الأطوال الموجية وتُختار في أثناء تطوير النموذج في حزمة caliX. أما المنطقة والجهاز المناسبان لعينة وتركيب معيّنين فيُثبَتان في دراسة جدوى باستخدام عيناتكم.
المراجع
- [1] Pasquini, C. (2003). Near infrared spectroscopy: fundamentals, practical aspects and analytical applications. Journal of the Brazilian Chemical Society, 14(2), 198–219. doi:10.1590/S0103-50532003000200006
- [2] Beć, K.B., Huck, C.W. (2019). Breakthrough Potential in Near-Infrared Spectroscopy: Spectra Simulation. A Review of Recent Developments. Frontiers in Chemistry, 7, 48. doi:10.3389/fchem.2019.00048
- [3] Gonzaga, F.B., Pasquini, C. (2010). A low cost short wave near infrared spectrophotometer: Application for determination of quality parameters of diesel fuel. Analytica Chimica Acta, 670(1–2), 92–97. doi:10.1016/j.aca.2010.04.060
- [4] Lukacs, M., Zaukuu, J.-L.Z., Bazar, G., Pollner, B., Fodor, M., Kovacs, Z. (2024). Comparison of Multiple NIR Spectrometers for Detecting Low-Concentration Nitrogen-Based Adulteration in Protein Powders. Molecules, 29(4), 781. doi:10.3390/molecules29040781
- [5] Padalkar, M.V., Pleshko, N. (2015). Wavelength-dependent penetration depth of near infrared radiation into cartilage. The Analyst, 140(7), 2093–2100. doi:10.1039/c4an01987c
- [6] Wedding, B.B., Wright, C., Grauf, S., White, R.D. (2024). Wavelength variation of the depth of penetration of near infrared radiation in ‘Hass’ avocado fruit. Technology in Horticulture, 4, e008. doi:10.48130/tihort-0024-0005
- [7] Kawano, S., Watanabe, H., Iwamoto, M. (1992). Determination of Sugar Content in Intact Peaches by Near Infrared Spectroscopy with Fiber Optics in Interactance Mode. Journal of the Japanese Society for Horticultural Science, 61(2), 445–451. doi:10.2503/jjshs.61.445
- [8] Guerra, A., De Marchi, M., Niero, G., Chiarin, E., Manuelian, C.L. (2024). Application of a short-wave pocket-sized near-infrared spectrophotometer to predict milk quality traits. Journal of Dairy Science, 107(6), 3413–3419. doi:10.3168/jds.2023-24302
- [9] Beć, K.B., Grabska, J., Huck, C.W. (2022). Miniaturized NIR Spectroscopy in Food Analysis and Quality Control: Promises, Challenges, and Perspectives. Foods, 11(10), 1465. doi:10.3390/foods11101465
- [10] Crocombe, R.A. (2018). Portable Spectroscopy. Applied Spectroscopy, 72(12), 1701–1751. doi:10.1177/0003702818809719
