Spettroscopia mobile nel vicino infrarosso: e voi, che cosa misurerete?


DLP-NIRscan-Nano-EVM-image840x600-420x300 Spettroscopia mobile nel vicino infrarosso: e voi, che cosa misurerete?

La spettroscopia ha fatto molta strada dalla sua nascita come tecnologia per laboratori. Gli spettrometri portatili nel vicino infrarosso (NIR) continuano a ridurre le proprie dimensioni e costi grazie anche all’avvento di architetture di sistema innovative in grado di sfruttare componenti di sistemi micro-elettromeccanici (MEMS). Scopriamo come queste ottimizzazioni hardware possono rendere possibile un futuro più semplice e portatile per il settore della spettroscopia.

Spettroscopia NIR

La spettroscopia è un potente strumento per identificare le sostanze in base alla loro risposta ad una vasta gamma di lunghezze d’onda. In particolare, la spettroscopia NIR eccita il campione con le lunghezze d’onda della luce comprese tipicamente fra 780 e 2500 nm. A seconda dello stato fisico del materiale campione, la risposta spettrale può essere misurata utilizzando misure di riflettanza (solidi) o misure di assorbanza (liquidi e gas). 

Le firme spettrali nell’intervallo 780-2500 nm sono dominate dalla presenza di legami idrogeno quali O-H, C-H, N-H ed S-H. In questo modo, la banda di frequenze NIR è particolarmente adatta all’uso per alimenti e per il monitoraggio agricolo, per la diagnostica in ambito sanitario, nonché per i settori di trasformazione petrolchimica e produzione farmaceutica. All’interno della banda di frequenze NIR, ogni applicazione spettroscopica ha requisiti unici in termini di lunghezza d’onda e analisi chemiometrica. Ad esempio, uno strumento da 900-1700 nm può fornire informazioni riguardanti il contenuto di acqua (H20) e saccarosio (C12H24O12) [1]. Estendere la gamma di lunghezze d’onda dello strumento a 2500 nm consente di scoprire ulteriori firme di composti organici e può migliorare i risultati nel monitoraggio dei processi farmaceutici [2].

Il costo totale della distinta base (BOM, bill of materials) dello strumento può essere influenzato dalla lunghezza d’onda scelta. Un sistema NIR ad onde corte potrebbe sfruttare un economico rivelatore al silicio per misure fino a 1050 nm. Oltre i 1050 nm è spesso necessario un più costoso rivelatore ad arseniuro di gallio indio (InGaAs). Superati i 1700 nm, il materiale InGaAs richiede normalmente un raffreddamento, soprattutto con rivelatori lineari a matrice multi-pixel, al fine di conservare i requisiti prestazionali. A causa del più costoso substrato InGaAs e degli elementi supplementari di raffreddamento, la tecnologia lineare a matrice InGaAs può risultare eccessivamente costosa per gli strumenti portatili a basso costo.   

Innovazioni nell’architettura degli spettrometri

Considerando le sfide in termini di costo della tradizionale spettroscopia a dispersione con un rivelatore a matrice a InGaAs, gran parte delle innovazioni per gli spettrometri NIR è stata incentrata sulla riduzione del numero di componenti del sistema. La sostituzione del relè a reticolo dispersivo con un filtro variabile lineare (LVF) non è che un esempio. L’architettura LVF riduce la portata di luce, ma riduce notevolmente anche l’ingombro dello spettrometro eliminando il percorso dal reticolo al rivelatore. Altri disegni ottici innovativi impiegano un’architettura a reticolo trasmissivo, che snellisce gli ingombri del sistema riducendo al minimo la perdita di luce. Un’altra architettura utilizza un reticolo di scansione per trasmettere la luce direttamente ad un rivelatore a punto singolo, eliminando la necessità per la suddetta matrice multi-pixel a InGaAs. I rivelatori a punto singolo presentano vantaggi significativi rispetto ai rivelatori a matrice in termini di costi, dimensioni e prestazioni.

L’adozione della tecnologia MEMS nelle architetture degli spettrometri, insieme all’uso di rivelatori a punto singolo, sviluppa il tema della riduzione dei costi e della portabilità. L’integrazione di robusti componenti MEMS nel percorso della luce di uno spettrometro permette sia di ridurre l’ingombro dello strumento sia di aggiungere nuove capacità prestazionali. Le considerazioni principali nella selezione di componenti MEMS includono l’affidabilità prestazionale e la stabilità nella produzione di grandi volumi.

Esempi di collaudata tecnologia MEMS sono i chipset DLP NIR di Texas Instruments. Questa tecnologia fornisce modulazione ottica ad alta fedeltà per spettrometri compatti, programmabili e ad alte prestazioni. In particolare, il DLP2010NIR e il DLP4500NIR di TI rendono possibili nuove e interessanti funzionalità di controllo della lunghezza d’onda, come i modelli di Hadamard e la programmabilità dinamica della scansione variabile. Altre tecnologie MEMS emergenti, tra cui l’interferometro di Fabry-Perot e l’interferometro di Michelson, promettono di semplificare l’architettura dello strumento, ma potrebbero trovarsi ancora in difficoltà nel soddisfare i requisiti prestazionali di laboratorio per quanto riguarda il rapporto segnale/rumore e le metriche di risoluzione.

Nonostante siano molte le opzioni per l’architettura degli spettrometri, la tecnologia MEMS si dimostra sempre più interessante. La programmabilità dinamica, la riduzione dei costi, l’uso di rivelatori a punto singolo e l’eliminazione di grandi parti in movimento sono alcuni benefici che può offrire un’architettura basata su tecnologia MEMS. Questi benefici, in combinazione con un’affidabile integrazione del sistema, diventano ancora più fondamentali durante l’implementazione sul campo.

Applicazioni mobili e prospettive del settore

Strumenti per spettroscopia NIR compatti e ad alte prestazioni hanno contribuito alla nascita di applicazioni sul campo, laddove le misurazioni in loco potrebbero aggiungere valore sia per i singoli utenti sia per le imprese industriali. Il collegamento di questi spettrometri a database sul cloud mediante connettività senza fili Wi-Fi o Bluetooth tramite un dispositivo mobile introduce in laboratorio la possibilità di utilizzare capacità predittive complete sul campione. In questo modo, gli spettrometri integrati possono fungere da sensori ottici ad alte prestazioni sul perimetro di rete. Se l’hardware dello spettrometro facilita questa aggregazione dei dati ad alta fedeltà sul cloud, l’Internet of Things (IoT) è in grado di migliorare in modo dinamico l’efficienza del processo. Applicazioni all’avanguardia per il rilevamento mobile dell’IoT includono la sicurezza alimentare, il monitoraggio agricolo in remoto e il monitoraggio dei processi per la produzione farmaceutica.

Forse la tendenza più emozionante nel campo della spettroscopia NIR è il modello open-source. Sviluppatori di tecnologia all’avanguardia, come Texas Instruments, Consumer Physics e Si-ware, hanno pubblicato vari kit di sviluppo software (SDK) per incoraggiare l’innovazione. Un esempio di una società pionieristica nel campo delle architetture per spettrometri NIR a basso costo per applicazioni IoT è KS Technologies. Oltre ad offrire applicazioni ed SDK gratuiti per iOS e Android per il modulo di valutazione DLP NIRscan Nano (mostrato nell’articolo), la società ha applicato le proprie competenze nei sistemi di dati mobili e nell’infrastruttura IoT per emergere nel mercato del rilevamento NIR mobile.

Grazie al basso costo e alla natura open-source di queste piattaforme, le offerte si prestano alla collaborazione con esperti di chemiometria di livello universitario per incrementare la conoscenza delle applicazioni. In questo modo, l’hardware accessibile, unito al software open-source, facilita lo sviluppo di algoritmi e della chemiometria, che a loro volta alimentano l’ecosistema della spettroscopia NIR.  La futura crescita del settore e l’innovazione dipenderanno dalla continua collaborazione tra gli esperti.

Date le potenti funzionalità dell’analisi con spettroscopia NIR, gran parte del settore concentra la propria attenzione sul trasferimento di questa analisi ad alte prestazioni dal laboratorio all’impiego sul campo. Le innovazioni nel settore che ne derivano in termini di architetture per spettrometri NIR stanno alimentando una nuova ondata di innovative funzionalità di misurazione mobile. Questa innovazione è coerente con l’andamento della mobilità nel XXI secolo e si interseca logicamente con la rivoluzione dell’IoT. Con l’evoluzione della spettroscopia da una costosa operazione di laboratorio alla produzione di dati precisi in palmo di mano, voi che cosa misurerete?
Mike Walker, Texas Instruments

[1] B.M. Nicola¨ı et al. / Postharvest Biology and Technology 46 (2007). 99–118.

[2] Chang, Cheng-Wen, “Near-infrared reflectance spectroscopic measurement of soil properties” (2000). Retrospective Theses and Dissertations. Paper 12315.

In apertura: il modulo di valutazione DLP NIRscan Nano di Texas Instruments con all’interno il DLP2010NIR.

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