Monochromator: Grating / Encoder

One of the most common patterns in the noise test if a monochromatic instrument is when an encoder fails ( see the post: Diagnostics: Lamp Bias / Encoder Peak / Water Vapour Bands) .

It affect to the noise level scale (out of tolerance limits, for the RMS and Peak to Peak noise), but it can affect also to the wavelength scale (.

The encoder is the spare that measure with a high accuracy and precision the position of every wavelength which come out from the grating, at the same time it has a motor which moves the grating, as you can see in the video).

The video shows how the polichromatic light from a lamp comes out from a slit and hits the grating which will generate monochromatic light to another slit and to the sample and detectors. This type of monochromator is known as pre-dispersive. (See the post: NIR: Post-dispersive concept to see the difference) 

One complete scan is a movement of the grating from left to right. In order to decrease the noise, normally, 32 scans are acquired to average (32 for the reference and 32 for the sample).

When the axis of the encoder motor ( which moves the grating ) does not move correctly ( due to high friction ), we can see a peak at 1500 nm aproximately.

If this persist, it can be the time to replace it.
The noise spectra of an instrument with encoder problems can be similar to this:

Here we can see crearly the peak at 1500 nm, and also other noise due to the water vapour bands.

 

In this picture we can see the grating and the motor-encoder

 

 

Once mounted, it is necessary adjust in order to match the peaks of the polyestirene internal filter with the correct standards wavelengths . This point is important because we don´t want any change in the performance of the calibrations, so the spectrum pof the polyestirene after and before the encoder change should match as better as possible.

We can scan (after the encoder change) a sealed check sample, and  compare the spectrum and results with the previous ones (dates when the instrument was performing fine, or when it was performing bad (due to noise by the encoder) and to get our own conclusions.

 

The picture shows a Check Cell (a sealed cup) with a product inside (soya meal ). Seal the cup prevent that there are few changes in the composition from one day to other.

 

 

 

 

 

Electromagnetic Spectrum Basics

 

Nice video which explain the electromagnetic spectrum basics.

Fundamentals: IR vs. Raman

This video from show us the basic differences between Raman Spectroscopy and Infrared Spectroscopy.

 

Video: Movimiento Armónico Simple

Estos días estoy preparando una ponencia y presentación sobre los fundamentos teóricos del NIR, y siempre es interesante repasar estos videos, pues el movimiento armónico simple es la base para entender la vibración molecular y toda su aplicación en el Infrarrojo Medio (MIR) y en el Infrarrojo Cercano (NIR). Espero, cuando ya la tenga completada compartirla con los lectores del blog.

Otros videos a repasar son:

William Herschell experiment
Video: Middle Infrared (MIR) Theory Fundamentals
Vibración Molecular (Infrarrojo Medio)
Ley de Hooke (Walter Lewin)

y algunos otros posts con la etiqueta Fundamentos

William Herschell experiment

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This is a good link to a page where the experiment of Sir William Herschell (discovering the NIR region) is developed and very well described with cheap materials.
An Example of the Herschel Experiment

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A beginner’s guide to industrial spectroscopic analysis

You can download this interesting technical note titled: A beginner’s guide to industrial spectroscopic analysis from www.goaxiom.com.

There are nice tables which explain the advantages and disadvantages of techniques like MIR, NIR, Raman and UV-VIS, and their applicability to various sample types.

NIR: Post-dispersive concept

En un "post" anterior, vimos como trabaja un equipo FTIR, con el concepto de interferómetro de Michelson. En este vídeo, vemos el funcionamiento de un NIR dispersivo y para ser mas concreto post-dispersivo.

Esta es una breve descripción:

Una lámpara halógena envía luz policromática que ínter-actúa con la muestra. La luz reflejada es recogida por diversas fibras ópticas que se unen para focalizar la luz reflejada en la red de difracción. La red de difracción, se mueve y envía luz monocromática a los detectores y la electrónica envía el espectro al ordenador.
Otros equipos, se denominan pre-dispersivos, en este caso la radiación policromática de la lámpara incide primero en la red de difracción para ser descompuesta en luz monocromática y ser enviada a traves de una rendija y una serie de filtros a la muestra. La luz reflejada en la muestra incide ya directamente sobre los detectores.

In a previous post we saw the fundamentals about how a FTIR works. In this one we can see how a dispersive instrument works. To be more concrete it is a post-dispersive instrument.

This is a brief description:

Polychromatic light (coming from a halogen lamp through optic fiber) interacts with the sample. Reflected light goes to the grating via several optic fibers which collect reflected light and focused it into the Grating.

Grating movement generates monochromatic light which is focused into the detectors. Electronics produces the spectrum.

Other NIR instruments are called pre-dispersive, in this case the lamp polychromatic radiation first strikes the  grating to be decomposed into monochromatic light and sent through a slit and some filters to the sample. The reflected light from the sample is collected directly by the detectors.

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Video: Middle Infrared (MIR) Theory Fundamentals.

This is a nice video which talks about the fundamentals of Infared Spectroscopy (in this case Middle Infrared – MIR).

We have to take into account that in the Near Infrared appear the overtones and combination bands of the bands we see in the MIR spectrum.

A good knowledge of the Middle Infrared will help us to understand and interpret better the NIR spectrum.

Vibración Molecular (Infrarrojo Medio)

La espectroscopia Infrarroja entra dentro de la denominada Zona Vibracional del Espectro Electromagnético, donde a su vez la podemos dividir en NIR (Infrarrojo Cercano), MIR (Infrarrojo Medio) y FIR (infrarrojo lejano). Las vibraciones fundamentales caen dentro de la zona conocida como MIR. La mecánica clásica explica bien este tipo de vibraciones, por lo que la entrada anterior sobre la Ley de Hooke y el Movimiento Armónico es básica para entender las vibraciones fundamentales. También la fórmula de Einstein  E = h.f , donde "h" es la constante de Planck y "f " la frecuencia que hemos visto en la entrada anterior.

Todo esto lo veremos con mas detalles en futuras entradas.

La entrada de hoy es para mostraros un interesante vídeo de la vibración molecular y los diferentes tipos de vibración que se pueden producir en la moléculas.

Este video nos ayuda a comprender mejor la geometría molecular, de gran importancia para entender a su vez el momento dipolar que determina la aparición o no de bandas de absorción en el espectro de Infrarrojo.

Ley de Hooke (Walter Lewin)

En la "Ley de Hooke" se basa parte de la espectroscopía vibracional, es decir  de la interacción de la radiación electromagnética infrarroja con las moléculas.

El gran Walter Lewin (profesor de física en el MIT) nos dá una, muy práctica lección, sobre el movimiento armónico simple.
 Disfrutarla, los experimentos que muestra  son realmente ilustrativos.

                                                                 Parte 1ª

Parte 2ª

En este segundo vídeo Walter Lewin deduce la fórmula del periodo en el movimiento oscilatorio como:

La frecuencia por tanto del oscilador mecánico es:

Esta formula muestra que la frecuencia es independiente de la energía aplicada al sistema que afectaría a la amplitud (se demuestra en el experimento del video "Parte 3ª") y depende unicamente de la constante de fuerza y de la masa (también comprobado en el video "Parte 3ª").
Esta misma formula la podemos aplicar a un sistema de dos masas unidas por un muelle (podemos pensar en dos átomos unidos por un tipo de enlace), en este caso cambiamos  la masa (m) por la masa reducida que es: µ = (m₁.m₂)/(m₁+m₂).

Parte 3ª

Ley de Lambert-Beer (002)

La anchura de un pico de absorción se define como el ancho de la banda (en nm) en la mitad de dicho pico.En la siguiente simulación se generan tres picos de absorción que podían ser los espectros de 3 componentes puros (dos de ellos se solapan y uno esta aislado). Podemos calcular el espectro que se generaría de la mezcla (en rojo).

Ley de Lambert-Beer

Se trata de una Ley muy familiar en  Espectroscopía, y con la que nos hemos de familiarizar. Relaciona la concentración de un constituyente con la cantidad de energía absorbida por la muestra:

A_λ = ε_λ . b. C

Siendo:          

A_λ ….Absorción de la muestra a una determinada longitud de onda.

ε_λ …..Coeficiente de absortividad a una determinada longitud de onda.

b……..Paso óptico de la cubeta en la que está la muestra.

C….. ..Concentración en la muestra de un determinado analito.

La absorción nos la da el espectrofotometro, el paso óptico es constante y debe de configurarse para que la calibración sea lineal y no se produzca saturación, la concentración se analizará durante la calibración por los métodos de referencia, y nos queda por determinar el coeficiente de absortividad, que depende del constituyente y de la longitud de onda, el principal problema radica en conocer esta constante.
Podemos deducir que:
A_λ = K_λ . C
Siendo K una constante (ε_λ . b).

Esta será la base para futuras entradas para hablar de tipos de regresión tales como: LS, CLS o ILS.

Una simple muestra nos sería suficiente para calcular ε_λ y después aplicar la fórmula:

C = A_λ : K_λ

Para predecir los desconocidos. Obviamente esta no es la mejor alternativa.

Otra opción mejor pasa por hacer una recta de calibrado con varias muestras de diferentes concentraciones y desarrollar  una simple calibración de Absorbancia respecto a Concentración calculando la pendiente e intercepto,con ella podemos predecir muestras de rutina basándonos en la absorbancia obtenida  en el espectrofotómetro (Least Square Regression_LS).

Las regresiones del tipo LS, no sirven cuando hay varios constituyentes y sus bandas interfieren entre sí, ya que se asume que el pico de absorción o el área de la banda de absorción son debidas únicamente al constituyente de interés, por tanto es uno de los problemas que claramente tenemos en las regresiones para los espectros NIR, donde dada la gran anchura de las bandas de absorción, las interferencias entre bandas son mucho más complejas.

Introducción

1 - Introducción

Entendemos como zona NIR (Infrarrojo Cercano), aquella zona del espectro electromagnético situada entre el final de la zona visible y el comienzo de la zona de Infrarrojo Medio. La zona NIR comienza aproximadamente  a 780 nm de longitud de onda y finaliza a 2500 nm, formando parte de la llamada zona vibracional del espectro electromagnético, en la que la excitación de las moléculas por la radiación NIR hace que algunos enlaces atómicos aumenten la amplitud de su vibración.

La zona NIR fue descubierta por William Herschel en el año 1800. Estudiando la temperatura asociada a las diferentes zonas  del espectro visible, comprobó el incremento de temperatura que se producía más allá del color rojo del espectro visible. A esta zona la definió como el “invisible espectro termométrico”.

El espectro electromágnético

El Infrarrojo, (cercano_NIR, medio_MIR, lejano_ FIR) es una parte del espectro electromagnético. Para comprender de una manera básica las partes que lo forman podeís acceder a este enlace.
http://science.hq.nasa.gov/kids/imagers/ems/infrared.html

Deconvolución

Uno de los inconvenientes a la hora de interpretar los espectros en la espectroscopia de Infrarrojo Cercano (Near Infrared - NIR), es el solapamiento de las bandas que se producen en las diferentes longitudes de onda, causadas por la absorción de la radiación, a determinadas frecuencias, por los diferentes enlaces moleculares (de la molécula irradiada) que vibran a esas mismas frecuencias. Esto causa un aumento de la amplitud en el enlace afectado.

La suma de todas estas bandas forma lo que se podría llamar un espectro compuesto. Tratar de identificar las bandas de la mejor manera posible sin que afectemos al aumento del ruido espectral, es importante para detectar presencia de analitos. Para ello nos podemos ayudar de los tratamientos matemáticos y de los tratamientos para corregir la dispersión de la radiación que afectan de una manera importante al espectro.

Una de las técnicas que nos permite visualizar las bandas que componen el espectro compuesto es la "Deconvolución". Softwares como Win ISI (2 y 3) disponen de esta herramienta.

La manera en la que se realiza este tratamiento, es compleja y en futuras actualizaciones de esta entrada, podemos comentarlo de manera resumida.