Gli spettrometri nel vicino infrarosso esistono da oltre 60 anni, ma solo pochissime persone conoscono questi strumenti affidabili. È sorprendente quante cose possa fare la spettroscopia Nir per persone che non hanno mai sentito la parola “spettrometro”. Gli spettrometri Nir aiutano diverse categorie di utenti a prendere decisioni nel loro lavoro quotidiano. Ad esempio possono aiutare l’agricoltore a capire se il suo concime fornisce proteine a sufficienza, oppure il tecnico della sicurezza alimentare a sapere se il latte contiene sostanze adulteranti, o il chimico farmacista a capire se alcune medicine hanno le giuste dosi. Molti settori industriali, dall'alimentare all'agricoltura, dalla medicina legale al rilevamento degli incendi, dal farmaceutico al petrolchimico, dipendono dalle informazioni fornite dagli spettrometri. Gli spettrometri Nir misurano l’energia riflessa da, o trasmessa attraverso, un campione di materiale. Grazie a questa tecnica è possibile conoscere il tipo di molecole presenti nel campione. In un certo senso gli spettrometri Nir rilevano l’impronta molecolare di una sostanza.
La spettroscopia Nir ieri
I primi spettrometri erano in molti casi strumenti ingombranti e delicati con parti mobili. Le sorgenti luminose venivano scomposte nelle varie lunghezze d'onda mediante prismi o griglie. Le griglie venivano ruotate manualmente a piccoli scatti per ogni punto di misura all’interno dello spettro desiderato. I dati venivano elaborati in forma di diagramma spettrale per ogni campione misurato. Venivano quindi effettuate manualmente le comparazioni con riferimenti e altri campioni. Questi spettrometri primitivi erano installati in laboratori e raramente venivano spostati. Gli anni Settanta registrarono l’avvento dei microprocessori nella spettroscopia, sia per controllare lo spettrometro sia per elaborarne i risultati. L’industria dei semiconduttori accelerò il passo dal 1970 fino agli anni 2000, rivoluzionando microprocessori e computer per ottenere un migliore controllo degli spettrometri e per elaborare i dati spettrali. L’avvento dei convertitori analogico-digitale ha aperto la strada al campionamento dei dati spettrali controllato da processore.
La spettroscopia Nir oggi...
Oggi esistono sei architetture comunemente utilizzate per gli spettrometri Nir.
Filtri fissi - Questi strumenti misurano con un numero fisso di lunghezze d’onda, ciascuna corrispondente a un filtro ottico montato su una ruota. Le letture vengono effettuate con l’avanzamento della ruota da un filtro all’altro.
Griglia/Prisma rotante - Questi strumenti utilizzano un motore per far passare l’uscita dispersa di una griglia (lunghezze d’onda) su un rilevatore a punto singolo.
FT-Nir - Questi strumenti sfruttano le proprietà di trasformata di Fourier dell’interferometro di Michelson. Sono dotati di specchi mobili per creare schemi di interferenza che possono essere correlati matematicamente a uno spettro.
Rilevatore ad array lineare - Questi strumenti usano una griglia per disperdere le lunghezze d’onda su un array di pixel lineare monodimensionale, che può avere un numero di elementi superiore a 256 o 512.
Filtro variabile lineare - Questi strumenti utilizzano un filtro variabile posto davanti a un rilevatore ad array lineare che consente a lunghezze d'onda specifiche di colpire ciascun elemento pixel.
Tecnologia DLP - Il Digital Micromirror Device indirizza la luce dispersa da una griglia verso un rilevatore di singolo pixel. Il dispositivo a microspecchi è programmabile e flessibile per consentire il campionamento delle lunghezze d’onda in qualsiasi sequenza o con diverse risoluzioni. Questa operazione può essere effettuata con un’unica scansione.
Tipologie di utilizzo
Gli spettrometri Nir attuali sono molto più evoluti dei loro predecessori, grazie al controllo mediante microprocessore, al campionamento A/D di precisione e al calcolo spettrale computerizzato con analisi statistica. Le tipologie di utilizzo possono variare a seconda delle architetture. Per l’uso in laboratorio generalmente si utilizzano strumenti grandi, ad alta precisione, per scopi generici. I computer per l’elaborazione dei dati spettrali possono essere interni o posizionati in remoto a collegati via Ethernet o Usb. Elaborano grandi quantità di dati ed effettuano comparazioni con una libreria di riferimenti in pochi secondi.
Gli spettrometri Nir portatili sono simili a piccole macchine da laboratorio trasportabili e sono provvisti di un alimentatore CA 110 V o un alimentatore 12 V con inverter. Spesso sono poco più grandi di una valigetta e possono essere collocate sul pianale posteriore di un camion per utilizzarlo in diversi contesti, ad esempio in un campo o in una miniera. Per l’uso in linea ci sono delle unità specializzate destinate al monitoraggio in ambienti di fabbrica che sono solitamente studiate per usi specifici. Un'installazione in fabbrica può essere costituita da diversi spettrometri lungo una catena di montaggio collegati via Ethernet o wireless a un centro di controllo principale. C’è molto interesse per lo sviluppo di spettrometri palmari realmente portatili e facili da utilizzare. I modelli attuali possono funzionare a batteria e hanno dimensioni simili a un avvitatore elettrico. Il vantaggio è che sono realmente portatili e hanno un alimentatore integrato per l’utilizzo in campo.
La spettroscopia Nir domani
Il futuro della spettroscopia Nir appare luminoso. Gli strumenti sono sempre stati ingombranti e costosi, installati in ambienti di laboratorio controllati e normalmente inaccessibili a un pubblico generico. Le modalità di utilizzo sono state limitate dalle dimensioni e dal costo di queste apparecchiature da laboratorio. Grazie all’evoluzione tecnica che ha consentito di ridurre dimensioni e costi, le ultime generazioni di spettrometri Nir sono più portatile e idonee all’utilizzo in campo. Lo sviluppo di nuovo tecnologie di rilevatori e DLP, la miniaturizzazione dei semiconduttori e l'avvento del cloud computing lasciano intravedere un futuro promettente per gli spettrometri Nir mobili. Con soluzioni piccole, a costi accessibili, efficienti e semplici da usare, gli spettrometri possono arrivare al grande pubblico. Le tecnologie più recenti possono aprire la strada ad applicazioni rivoluzionarie. Con la massiccia diffusione degli smartphone tutti hanno un'incredibile potenza di calcolo sempre a portata di mano. Teoricamente gli spettrometri Nir possono seguire la stessa curva di miniaturizzazione e riduzione dei costi, portando anche la misura verso il modello “domestico” o “personale”. Magari non si chiameranno più “spettrometri Nir”, ma in futuro esisteranno dispositivi di misura personali con i quali le famiglie potranno analizzare il grado di maturazione di alcuni alimenti, rilevare la presenza di cibi allergizzanti come le noccioline, verificare la purezza di un olio d'oliva costoso, effettuare monitoraggi medici o controllare l'olio dell'auto. L’evoluzione inarrestabile verso spettrometri Nir sempre più piccoli e potenti apre la strada a un ampio spettro di applicazioni.
