Gli spettrometri ottici sono strumenti utilizzati per misurare il contenuto spettrale della luce, ovvero la distribuzione della lunghezza d’onda e dell’intensità della radiazione elettromagnetica. Gli spettrometri sono oggi utilizzati in un’ampia gamma di applicazioni, tra cui industria, fisica, chimica, biologia, biomedicina, astronomia, ricerca scientifica e studi ambientali.
Analizzando la composizione spettrale della luce, gli spettrometri sono ampiamente utilizzati nel processo di identificazione di materiali e sostanze chimiche. Gli spettrometri ottici svolgono inoltre un importante ruolo nel mondo della produzione, inclusi il controllo e monitoraggio dei processi, l’analisi dei materiali e dei polimeri e il controllo di qualità.
La famiglia di spettrometri di Broadcom
La maggior parte degli spettrometri industriali viene utilizzata nelle bande spettrali dell’ultravioletto (UV), dello spettro visibile (VIS) e dell’infrarosso vicino (Near InfraRed, o NIR). Broadcom offre una vasta gamma di spettrometri modulari compatti, visibili in Figura 1, che coprono le bande UV, VIS e NIR con lunghezze d’onda da 190 nm a 1700 nm.
Le principali caratteristiche tecniche della famiglia di spettrometri Broadcom sono le seguenti:
- Lunghezza d’onda compresa tra 190 nm e 1700 nm;
- Dimensioni ultracompatte;
- Elevate prestazioni ottiche con bassa luce parassita;
- Durata nel tempo;
- Elevata stabilità non influenzata dalla temperatura;
- Elevata robustezza;
- Disponibilità di diverse interfacce digitali (USB, SPI, UART) per la comunicazione con il sistema host;
- Software liberamente utilizzabile e SDK open source per la configurazione e controllo dei moduli spettrometri.
Come visibile in Figura 1, la famiglia di spettrometri AFBR-S20 di Broadcom comprende quattro prodotti:
- Spettrometro RoundProcess, espressamente progettato per l’analisi dei fluidi ed operante nella banda UV;
- Spettrometro miniaturizzato Qmini. Disponibile in diverse lunghezze d’onda nella gamma visibile (VIS), Qmini è ottimizzato per un’integrazione rapida e flessibile in grado di soddisfare un elevato numero di requisiti OEM per applicazioni industriali e point-of-care;
- Spettrometro Qvave. Anch’esso operante nella banda VIS, Qvave è uno spettrometro compatto ad elevate prestazioni in grado di fornire eccellenti valori di sensibilità e risoluzione unite a un’ottima stabilità termica;
- Spettrometro Qneo. Progettato per operare nella banda infrarosso vicino (NIR), Qneo è il primo spettrometro compatto e affidabile per le applicazioni ad alto volume.
I punti di forza degli spettrometri AFBR-S20
Le applicazioni NIR sono in rapida crescita, grazie anche alla diffusione della tecnologia analitica di processo (Process Analytical Technology, o PAT), la quale consente di analizzare e monitorare i processi produttivi misurando parametri cruciali per la qualità.
Nei sistemi analitici di processo, uno spettrometro affidabile e di dimensioni compatte come Qneo (Figura 2) aiuta a garantire la qualità, a monitorare il processo di produzione e a caratterizzare i prodotti, ad esempio in termini di colore e concentrazione. Qneo rivoluziona l’analisi di processo in modo semplice, veloce e conveniente, supportando lunghezze d’onda comprese tra 950 e 1700 nm.
Il fattore di forma ridotto è un vantaggio importante in molte applicazioni industriali, dove lo spazio disponibile è spesso limitato. Inoltre, le dimensioni compatte consentono a Qneo di essere facilmente installato sulle linee di produzione integrandosi direttamente nel processo produttivo. Gli OEM hanno così a disposizione un’elevata versatilità nell’integrazione del sensore spettrale nei dispositivi PAT o palmari per la diagnostica point of care (POC).
Altre caratteristiche importanti di Qneo sono la robustezza e la stabilità delle prestazioni soprattutto in condizioni di temperature estreme come quelle che si incontrano negli ambienti industriali. La stabilità termica del sistema elettro-ottico, fondamentale per le prestazioni dello spettrometro nell’intera gamma di temperature, è garantita nel range di temperature da -15°C a +55°C (da 5°F a 131°F). La disponibilità di interfacce di comunicazione digitali permette a Qneo un rapido trasferimento dei dati con un PC, un single board computer o una scheda a microcontrollore.
Le principali caratteristiche tecniche di Qneo sono le seguenti:
- Lunghezze d’onda da 950 a 1700 nm;
- Dimensioni miniaturizzate: 60 x 50 x 19 mm;
- Elevata risoluzione spettrale di 8 nm;
- Bassa luce parassita (0,1%);
- Elettronica integrata e calibrazione completa del sistema;
- Interfacce versatili: USB, SPI e UART;
- Sensore non raffreddato in grado di offrire misure affidabili, paragonabili a quelle degli spettrometri NIR raffreddati ad alte prestazioni presenti sul mercato;
- Costo inferiore rispetto a soluzioni concorrenti dotate di raffreddamento.
L’utilizzo di uno spettrometro NIR come strumento spettroscopico PAT è un modo non distruttivo per il monitoraggio online, in linea e in tempo reale durante le fasi di lavorazione, produzione e controllo di qualità di un prodotto finale.
Esempi di applicazioni
La spettrometria, in particolare quella operante nella banda NIR, offre numerosi vantaggi, tra cui il fatto di essere una tecnica di analisi non distruttiva, la capacità di analizzare miscele complesse e i tempi rapidi di analisi. Strumenti come gli spettrometri NIR sono ampiamente utilizzati per il controllo qualità e per applicazioni di ricerca in molti settori industriali.
Di seguito sono elencate le dieci principali applicazioni della spettrometria NIR:
- Industria farmaceutica. La spettroscopia NIR è utilizzata per il controllo di qualità dei prodotti farmaceutici, inclusa l’analisi della formulazione dei farmaci, l’identificazione e la quantificazione degli ingredienti farmaceutici attivi (API), il monitoraggio della dissoluzione dei farmaci e il rilevamento di farmaci contraffatti;
- Industria alimentare e delle bevande. La spettroscopia NIR è utilizzata per l’analisi di alimenti e bevande, tra cui la determinazione del contenuto di umidità, l’analisi di proteine, grassi e carboidrati, l’identificazione degli additivi alimentari e la valutazione degli attributi di qualità degli alimenti come il gusto, la freschezza e la durata di conservazione;
- Agricoltura. La spettroscopia NIR è utilizzata per applicazioni agricole come l’analisi del suolo, la valutazione della qualità delle colture e la determinazione dei livelli nutritivi delle colture, compresa la misurazione del contenuto di proteine, olio e amido nei cereali e il monitoraggio della maturazione dei frutti;
- Scienza forense. La spettroscopia NIR è utilizzata per l’analisi forense, compresa l’identificazione di droghe d’abuso, il rilevamento di banconote e documenti falsi e l’analisi di tracce di prove come fibre e vernici;
- Scienze ambientali. La spettroscopia NIR è utilizzata per il monitoraggio ambientale, tra cui l’analisi dei parametri di qualità dell’acqua come nitrati, fosfati e materia organica disciolta, l’identificazione degli inquinanti nel suolo e nell’aria e il monitoraggio dei contaminanti ambientali;
- Industria dei polimeri. La spettroscopia NIR è utilizzata per la caratterizzazione e il controllo della qualità dei polimeri, compresa la determinazione della composizione, del peso molecolare e della struttura chimica dei polimeri e il monitoraggio dei processi di polimerizzazione;
- Industria petrolchimica. La spettroscopia NIR è utilizzata per l’analisi del petrolio grezzo, dei prodotti petroliferi raffinati e dei prodotti petrolchimici, compresa la determinazione della composizione chimica, l’identificazione dei contaminanti e il monitoraggio dei processi di produzione;
- Industria tessile. La spettroscopia NIR è utilizzata per l’analisi dei tessuti, compresa la determinazione del contenuto di fibre, l’identificazione di tinture e finissaggi e la valutazione delle proprietà dei tessuti, come la resistenza alla trazione e il contenuto di umidità;
- Diagnostica medica. La spettroscopia NIR è utilizzata per la diagnostica medica non invasiva, tra cui la misurazione dei livelli di glucosio nel sangue, l’individuazione di tessuti cancerosi e la valutazione delle funzioni cerebrali nella ricerca sulle neuroscienze;
- Energie rinnovabili. La spettroscopia NIR è utilizzata per l’analisi della biomassa e dei biocarburanti, compresa la determinazione della loro composizione, la valutazione della qualità del carburante e il monitoraggio dei processi di produzione dei biocarburanti.
Quelli elencati sono solo alcuni esempi dell’ampia gamma di applicazioni in cui gli spettrometri NIR si dimostrano necessari. In questi contesti, lo spettrometro Qneo di Broadcom fornisce informazioni preziose per garantire qualità, coerenza e affidabilità dei sistemi di produzione e controllo, contribuendo a migliorare l’efficienza e l’efficacia dei processi industriali.
