ما هو التحليل الطيفي NIR؟

ما ضوء الأشعة تحت الحمراء القريبة

إشعاع الأشعة تحت الحمراء القريبة (NIR) هو الجزء من الطيف الكهرومغناطيسي الواقع بين الضوء المرئي والأشعة تحت الحمراء المتوسطة. وتُرسم حدوده بصورة مختلفة قليلًا بحسب المصدر: إذ يعرّف الفصل الدستوري USP <856> مدى NIR بأنه من 780 إلى 2,500 nm، أي نحو 12,821 إلى 4,000 cm⁻¹ [1]، في حين تحدد المواصفة القياسية للبصريات والضوئيات ISO 20473 نطاق الأشعة تحت الحمراء القريبة بـ 0.78–3 µm [2]. وتذكر المراجعات التحليلية 750–2,500 nm أو 800–2,500 nm [3][4]. ولا يبدأ أيٌّ من هذه المصادر المنطقة عند حد منخفض قدره 700 nm، وهو حد يُذكر أحيانًا بصورة غير رسمية [1][2][3][4]. ويقسّم USP <1856> المدى كذلك إلى منطقة “Herschel” قصيرة الطول الموجي تمتد نحو 780–1,100 nm، ومنطقة الأطوال الموجية الأطول من 1,100 إلى 2,500 nm [5].

من Herschel إلى Norris

كانت الأشعة تحت الحمراء القريبة أول نوع من الإشعاع غير المرئي يُكتشف [4]. ففي عام 1800 فرّق William Herschel ضوء الشمس بمنشور، ووضع موازين حرارة خلف الطرف الأحمر المرئي من الطيف؛ فظلت ترتفع حرارتها، ووصف الأشعة غير المرئية بأن لها “قدرة عالية على تسخين الأجسام، دون أي قدرة على إنارتها” [6]. أما الاستخدام التحليلي فجاء بعد ذلك بزمن طويل. ويُرجعه Pasquini إلى الجهود الرامية إلى تطوير طرائق آلية للزراعة، ويذكر Karl Norris، الذي بدأ العمل بـ NIR أثناء بحثه عن طرائق جديدة لتعيين الرطوبة في المنتجات الزراعية، بوصفه أبرز شخصية في تاريخ هذه التقنية [3].

ما الذي يسجله طيف NIR

تمتص الجزيئات إشعاع الأشعة تحت الحمراء المتوسطة عند ترددات اهتزازاتها الأساسية. أما منطقة NIR فتهيمن عليها، على النقيض من ذلك، النغمات التوافقية وتركيبات تلك الاهتزازات الأساسية [1][3]. ولا تكون هذه الانتقالات مسموحًا بها إلا لأن اهتزازات الروابط غير توافقية، وتعطي روابط O–H وC–H وN–H وS–H، بما لها من لاتوافقية عالية وطاقة رابطة مرتفعة، أقوى سمات NIR [3]. ويصف Beć وHuck نطاقات X–H بأنها الجزء الأوضح تمايزًا في أطياف NIR، ويشيران إلى أن مواضعها وشدّاتها تحكمها التأثيرات اللاتوافقية [4]. وتُجمع تعيينات النطاقات للمجموعات الوظيفية الرئيسية في أطالس تفسيرية مثل أطلس Workman وWeyer [7].

نطاقات النغمات التوافقية والتركيب ضعيفة: إذ يشير USP <856> إلى أن معاملات الامتصاص المولية في NIR أقل بكثير منها في الأشعة تحت الحمراء المتوسطة، وأن الإشعاع ينفذ عدة مليمترات داخل المادة [1]. وهذا الضعف ميزة من الناحية العملية. إذ يمكن قياس العينات كما هي، وغالبًا بالانعكاس المنتشر دون معالجة مسبقة [3]، ويستقصي القياس الكتلة لا السطح فقط [4]. أما كيفية تفريق الضوء أو تعديله لتسجيل الطيف فموضوع منفصل، يتناوله مقالا ما هي FT-NIR؟ والمقارنة بين بنيتي NIR وFT-NIR.

لماذا تحتاج NIR إلى الكيمومتريات

نطاقات NIR عريضة وشديدة التداخل، والطيف المرصود هو في العادة مجموع إسهامات كثيرة [4]. ولذلك نادرًا ما يحمل طول موجي واحد معلومات كافية لنموذج كمي، ويصف Pasquini مطيافية NIR بأنها التقنية التحليلية الأكثر تطبيقًا للكيمومتريات [3]. ويترتب على ذلك أن NIR طريقة غير مباشرة وثانوية: فهي تعتمد اعتمادًا كبيرًا على طرائق مرجعية جيدة ومقبولة، وقد تتطلب النماذج المتينة مئات بل آلاف العينات المحللة بالطريقة المرجعية [3]. ويحذّر Beć وHuck من أن NIR التحليلية تُختزل حينئذ بسهولة إلى “أداة صندوق أسود” تقيس دون أن تفسّر [4]، وتناقش مراجعة لاحقة لـ Pasquini عيوب التقنية وأدواتها الرياضية الداعمة وأوجه إساءة استخدامها [8]. وبالنسبة إلى الأعلاف والحبوب ومنتجات الحبوب المطحونة، تضع ISO 12099 إرشادات للمعايرة والتحقق من الصلاحية والتعامل مع القيم الشاذة ومراقبة ثبات الجهاز [9].

أين تُستخدم NIR، وأين تبلغ حدودها

في الصناعة الغذائية، طُبّقت NIR على المواد الصلبة السليمة والمواد الصلبة الحرة الانسياب والعجائن والسوائل، سواء للتحليل الكمي للمكونات أو لمهام نوعية مثل التحقق من الأصالة، بما في ذلك القياسات على الخط فوق السيور الناقلة وفي الأنابيب وفي التخمير [10]. وتغطي ISO 12099 تعيين مكونات مثل الرطوبة والدهن والبروتين والنشا والألياف الخام في الأعلاف والحبوب بمطيافية NIR [9]. وفي التقانة الصيدلانية، تُستخدم NIR للأشكال الصلبة والسائلة والتقانية الحيوية، في التطوير، وفي الإنتاج لمراقبة العمليات، وفي مختبرات ضبط الجودة، لأغراض التعرّف والتقدير الكمي معًا [11]. وللطريقة أيضًا حدود واضحة:

• طريقة غير مباشرة. ترث كل نتيجة كمية جودة التحاليل المرجعية ومجموعة المعايرة؛ ولا يصلح النموذج إلا لعينات شبيهة بتلك التي بُني عليها [3][9].
• المواد المحللة بتراكيز ضئيلة. NIR ليست شديدة الحساسية؛ إذ يذكر Pasquini حد كشف نموذجيًا يبلغ نحو 0.1 % (m/m)، ويشير إلى أن معظم التطبيقات الكمية تستهدف المكونات الرئيسية [3].
• المعادن والأملاح. لا يمكن تعيين الأنواع الخالية من روابط O–H أو C–H أو N–H أو S–H التي تهيمن على أطياف NIR إلا بصورة غير مباشرة، كتعيين كلوريد الصوديوم في محلول مائي مركّز من خلال تأثيره على نطاقات الماء [3].

نهج USTECH في قياس NIR

تصنع USTECH أجهزة تحليل NIR للاستخدام المختبري وبجوار الخط وفي الخط. فجهاز MasterLine17EC محلّل NIR منضدي وبجوار الخط للحبوب ومكونات الأعلاف والعلف الأخضر؛ وجهاز ProLine2550 محلّل FT-NIR في الخط للخلاطات والمفاعلات وخطوط الأنابيب؛ أما ProLine17EC وProLine17ECS فمحلّلا NIR متينان في الخط مبنيان على مصفوفات InGaAs. ولأن كل نتيجة NIR تستند إلى معايرة مقابل طريقة مرجعية، تُطوَّر النماذج ويُتحقق من صلاحيتها في caliX. أما ما إذا كان بإمكان NIR قياس معامل معيّن في منتج معيّن، وبأي جهاز، فيُحسم في دراسة جدوى باستخدام عيناتكم وتحاليلكم المرجعية.