¿Qué es la espectroscopia NIR?

Qué es la luz de infrarrojo cercano

La radiación de infrarrojo cercano (NIR) es la parte del espectro electromagnético situada entre la luz visible y el infrarrojo medio. Sus límites se trazan de forma ligeramente distinta según la fuente: el capítulo farmacopeico USP <856> define el intervalo NIR como 780 a 2.500 nm, aproximadamente 12.821 a 4.000 cm⁻¹ [1], mientras que la norma de óptica y fotónica ISO 20473 asigna la banda del infrarrojo cercano a 0,78–3 µm [2]. Las revisiones analíticas citan 750–2.500 nm u 800–2.500 nm [3][4]. Ninguna de estas fuentes hace comenzar la región en un valor tan bajo como 700 nm, un límite que a veces se cita de manera informal [1][2][3][4]. USP <1856> divide además el intervalo en una región “Herschel” de longitud de onda corta, de aproximadamente 780–1.100 nm, y la región de longitud de onda más larga, de 1.100 a 2.500 nm [5].

De Herschel a Norris

El infrarrojo cercano fue el primer tipo de radiación no visible que se descubrió [4]. En 1800, William Herschel dispersó la luz solar con un prisma y colocó termómetros más allá del extremo rojo visible del espectro; aun así se calentaron, y describió los rayos invisibles como dotados de “un gran poder de calentar los cuerpos, pero ninguno de iluminar los objetos” [6]. El uso analítico llegó mucho más tarde. Pasquini lo atribuye a los esfuerzos por desarrollar métodos instrumentales para la agricultura y señala a Karl Norris, que empezó a trabajar con NIR mientras buscaba nuevos métodos para determinar la humedad en productos agrícolas, como la figura más destacada de la historia de la técnica [3].

Qué registra un espectro NIR

Las moléculas absorben la radiación del infrarrojo medio a las frecuencias de sus vibraciones fundamentales. La región NIR, en cambio, está dominada por los sobretonos y las combinaciones de esas vibraciones fundamentales [1][3]. Estas transiciones solo están permitidas porque las vibraciones de enlace son anarmónicas, y los enlaces O–H, C–H, N–H y S–H, con su elevada anarmonicidad y alta energía de enlace, dan las señales NIR más intensas [3]. Beć y Huck describen las bandas X–H como la parte más claramente definida de los espectros NIR y señalan que sus posiciones e intensidades están gobernadas por efectos anarmónicos [4]. Las asignaciones de bandas de los principales grupos funcionales se recogen en atlas de interpretación como el de Workman y Weyer [7].

Las bandas de sobretono y de combinación son débiles: USP <856> señala que las absortividades molares en el NIR son mucho menores que en el infrarrojo medio y que la radiación penetra varios milímetros en el material [1]. En la práctica, esta debilidad es una ventaja. Las muestras pueden medirse tal como están, a menudo por reflectancia difusa sin pretratamiento [3], y la medición explora el volumen del material y no solo su superficie [4]. Cómo se dispersa o modula la luz para registrar un espectro es un tema aparte, tratado en ¿Qué es FT-NIR? y en la comparación de las arquitecturas NIR y FT-NIR.

Por qué la NIR necesita quimiometría

Las bandas NIR son anchas y se solapan mucho, y el espectro observado suele ser la suma de muchas contribuciones [4]. Por ello, una sola longitud de onda rara vez contiene información suficiente para un modelo cuantitativo, y Pasquini califica la NIR como la técnica analítica que más aplica la quimiometría [3]. La consecuencia es que la NIR es un método indirecto y secundario: depende en gran medida de métodos de referencia buenos y aceptados, y los modelos robustos pueden requerir cientos o incluso miles de muestras analizadas por el método de referencia [3]. Beć y Huck advierten que la NIR analítica se reduce entonces fácilmente a una “caja negra” que cuantifica sin explicar [4], y la revisión posterior de Pasquini analiza los inconvenientes y los malos usos de la técnica y de las herramientas matemáticas que la sustentan [8]. Para piensos, cereales y productos de la molienda de cereales, ISO 12099 establece directrices para la calibración, la validación, el tratamiento de valores atípicos y la vigilancia de la estabilidad del instrumento [9].

Dónde se utiliza la NIR y dónde alcanza sus límites

En la industria alimentaria, la NIR se ha aplicado a sólidos intactos, sólidos de flujo libre, pastas y fluidos, tanto para el análisis cuantitativo de componentes como para tareas cualitativas como el control de autenticidad, incluidas mediciones en línea sobre cintas transportadoras, en tuberías y en fermentación [10]. ISO 12099 abarca la determinación por NIR de componentes como la humedad, la grasa, la proteína, el almidón y la fibra bruta en piensos y cereales [9]. En tecnología farmacéutica, la NIR se emplea con formas sólidas, líquidas y biotecnológicas, en desarrollo, en producción para la monitorización del proceso y en laboratorios de control de calidad, tanto para identificación como para cuantificación [11]. El método también tiene límites claros:

• Método indirecto. Todo resultado cuantitativo hereda la calidad de los análisis de referencia y del conjunto de calibración; un modelo solo es válido para muestras similares a aquellas con las que se construyó [3][9].
• Analitos traza. La NIR no es muy sensible; Pasquini indica un límite de detección típico de aproximadamente 0,1 % (m/m) y señala que la mayoría de las aplicaciones cuantitativas se dirigen a componentes mayoritarios [3].
• Minerales y sales. Las especies que carecen de los enlaces O–H, C–H, N–H o S–H que dominan los espectros NIR solo pueden determinarse de forma indirecta, por ejemplo el cloruro de sodio en solución acuosa concentrada a través de su efecto sobre las bandas del agua [3].

El enfoque de USTECH en la medición NIR

USTECH fabrica analizadores NIR para uso en laboratorio, at-line e inline. El MasterLine17EC es un analizador NIR de sobremesa y at-line para granos, ingredientes de piensos y forrajes; el ProLine2550 es un analizador FT-NIR inline para mezcladores, reactores y tuberías; y el ProLine17EC y el ProLine17ECS son analizadores NIR inline robustos basados en matrices InGaAs. Dado que todo resultado NIR descansa en una calibración frente a un método de referencia, los modelos se desarrollan y validan en caliX. Si la NIR puede medir un parámetro concreto en un producto concreto, y con qué instrumento, se establece en un estudio de viabilidad con sus propias muestras y análisis de referencia.