Inteligência artificial na instrumentação abre novos caminhos

Inteligência artificial abre novos caminhos para análises

Nos últimos anos, quando se referem à inovação de seus equipamentos analíticos, muitos fornecedores enfatizam a portabilidade e a automação dos seus produtos. No entanto, pouco se fala sobre os avanços na instrumentação analítica, deixando no ar a impressão de que, finalmente, o estado da arte dos equipamentos foi atingido, porém isso não reflete a realidade do setor.

A necessidade de oferecer equipamentos mais sensíveis, menos dispendiosos e fáceis de operar são as justificativas apresentadas pelos fabricantes para justificar como os novos equipamentos e tecnologias atenderão as demandas dos clientes.

Além disso, algumas dessas inovações permitirão que técnicas há muito tempo conhecidas alcancem novos patamares, por exemplo, ao permitir o uso de ferramentas de inteligência artificial (IA) na tomada de decisões em processos e análises.

Inteligência artificial na instrumentação: Hifenação de tecnologias

Uma das tendências atuais no desenvolvimento de equipamentos analíticos consiste na hifenação de tecnologias, ou seja, conectar dois ou mais equipamentos para utilizá-los simultaneamente. Com isso, além de obter mais dados em uma só operação, é possível que eles sejam mais confiáveis.

Na área da espectroscopia, a Horiba adotou essa tendência nos seus modelos Aqualog® e Duetta®. Ambos permitem fazer a análise de UV-vis e fluorescência molecular ao mesmo tempo.

Instrumentação: Inteligência artificial abre novos caminhos para análises ©QD Foto: Divulgação
Carvalho: técnicas hifenizadas geram mais e melhores dados

“Nós hifenizamos essas tecnologias, o que transformou a técnica de fluorescência molecular em uma técnica quantitativa, podendo chegar ao nível de partes por trilhão”, disse Igor Alessandro Carvalho, gerente regional para a América Latina da Horiba.

Como explicou, ao analisar amostras em equipamentos diferentes, podem ocorrer alterações na amostra, por exemplo, devido a reações fotoquímicas. Um algoritmo de IA foi criado para corrigir problemas devidos à alta dependência da intensidade de fluorescência com a concentração da amostra, permitindo a obtenção de medidas quantitativas pela fluorescência molecular.

Esses equipamentos foram adquiridos e aplicados na solução de problemas em algumas empresas, entre elas a vinícola chilena Concha y Toro e a Sabesp. Esta trabalhou por dois anos com o Aqualog®, confirmou o potencial da técnica, validou o método de análise de compostos orgânicos em água, mas ainda não aplicou esta metodologia. Na análise de vinhos, segundo Carvalho, a Horiba (também com o Aqualog®) conseguiu mapear todos os grupos fenólicos das uvas com que a Concha y Toro trabalha, o que permitiu criar um banco de dados (agora disponível para a fluorescência molecular) a partir dos quais é possível manter estável a qualidade dos vinhos, independente da estação do ano.

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Aqualog analisa fluorescência simultaneamente ao UV-vis

Outra tecnologia hifenizada desenvolvida pela Horiba é o NanoRaman®, que hifeniza as microscopias Raman com a de força atômica (AFM), aplicando o conceito no instrumento LabRAM Soleil nano. “Embora não seja recente, acreditamos que, com o AFM-Raman, a espectroscopia ou microscopia correlativa é o próximo passo da espectroscopia Raman”, afirmou Carvalho.

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LabRAM Soleil nano hifeniza microscopias Raman e AFM

A novidade visa melhorar a capacidade analítica do imageamento Raman, diminuindo o limite de difração da amostra de 500 nm para 10 nm (ou seja, a cada 10 nm da amostra é possível obter sinais Raman distintos). “Hoje, no Centro de Lasers de Aplicações (CLA) do Instituto de Pesquisas Energéticas e Nucleares (Ipen), temos alguns dos únicos equipamentos do mundo que operam dois AFMs acoplados – um deles contendo uma câmara integrada atmosférica – a um Raman”, disse Carvalho. “Iguais a ele, só existem três no mundo e é o único nas Américas”. Carvalho salientou que a câmara atmosférica foi desenvolvida especificamente para o Brasil.

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CG/MS 2400, da PerkinElmer, usa H2 como gás de arraste

A PerkinElmer também apresenta inovações que permitem a hifenação de equipamentos, nesse caso, de cromatografia gasosa (CG), termogravimetria (TGA) e espectroscopia no infravermelho por transformada de Fourier (FTIR).

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Zangrando: sensores garantem uso seguro de H2 nas análises

“A PerkinElmer consegue produzir tanto os equipamentos, como as interfaces entre eles”, disse Marcelo Zangrando, diretor comercial da área de instrumentação analítica da companhia.

Como explicou, esse diferencial da empresa permite atender as necessidades dos clientes, tanto nos equipamentos hifenados, quanto na interface entre eles. Exemplo de instrumento da PerkinElmer que utiliza a hifenação de tecnologias é o TGA-FTIR, ou seja, a hifenação de um TGA a um FTIR. Segundo especificações da empresa, esta hifenação permite analisar gases formados durante os experimentos de TGA por FTIR em uma única corrida.

A Agilent também apresentou seus equipamentos hifenados: o GC-ICP/MS e o HPLC-ICP/MS. “Um exemplo do uso das tecnologias hifenadas está na análise de arsênio em peixes”, disse Romão Beserra, especialista de produtos GC e GC/MS da Agilent.

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Beserra: hifenização distingue arsênio tóxico do atóxico

“As técnicas espectroscópicas, a exemplo do ICP [espectroscopia de emissão por plasma acoplado indutivamente], conseguem determinar a quantidade total de arsênio em uma dada matriz, porém o arsênio tem formas que podem ser tóxicas ou atóxicas”, disse.

Com a hifenação das técnicas, além de determinar a quantidade total de metais na matriz, o pesquisador pode caracterizar a forma como o elemento está disponível, indicando se o composto é tóxico ou não, informação muito útil em provas periciais.

Automação e Inteligência artificial (IA) na instrumentação 

Outra tendência de desenvolvimento é o uso de softwares integrados, capazes de reduzir o tempo para a tomada de decisões, ou mesmo tomar as decisões de acordo com os dados obtidos por meio de técnicas de IA.

A Metrohm, líder na área de tituladores automáticos, recentemente entrou no campo da espectroscopia NIR e Raman. Ao mesmo tempo, a empresa tem inovado na melhoria de processos, integrando espectrômetros em linha com uma IA capaz de tomar decisões.

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ICP/MS NexION 5000 aplica tecnologia multi-quadrupolo

“No caso dos equipamentos de processo (online), é possível conectá-los a uma IA a fim de que esta tome as decisões com base nos resultados obtidos pelos equipamentos, visando a melhoria do processo. Isso já tem sido feito no setor sucroalcooleiro e pode ser usado em qualquer indústria.”, disse Keyson Martins, gerente de vendas da Metrohm.

Por sua vez, a Shimadzu apresentou para os cromatógrafos líquidos da linha Nexera de HPLC, LCMS-2050 e LCMS-8060NX o conceito de inteligência analítica, isto é, o uso de IA aplicada à soluções analíticas. Segundo Marcos Albieri Pudenzi, gerente de produtos da Shimadzu, essa IA dá ao equipamento a autonomia para se monitorar e se diagnosticar sem a intervenção do usuário, garantindo a aquisição de dados reprodutíveis e de alta qualidade.

A Supelco, divisão da Merck especializada em química analítica reconhecida pelos seus padrões analíticos, apresenta inovações visando conectividade com o espectrofotômetro UV-vis Spectroquant® Proove. “O Proove tem um leitor chamado LiveID, um autosseletor que se assemelha a um QR code. Ao se posicionar esse leitor no equipamento, ele identifica automaticamente qual parâmetro vai analisar, qual o lote do kit de reagentes comprado e a sua validade. Se o kit estiver vencido, o equipamento alerta que o reagente passou do prazo de validade”, disse Diego Araújo, especialista de produto, apontando a melhor rastreabilidade do espectrofotômetro com os kits da Merck como diferencial.

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Analisador NIR opera em tempo real em processos industriais

Outra característica do Proove são as 300 curvas de calibração prontas na memória do equipamento, adequadas para análises com kits específicos da Merck até para alguns métodos analíticos clássicos. É possível armazenar na memória do equipamento fórmulas estipuladas por medidas normativas – por exemplo, para as análises de ferro e sulfito em cerveja –, permitindo que o ele indique o valor desejado sem manipulações.

A Mettler-Toledo, que há algum tempo tem apresentado inovações em integração de sistemas, agora avança na automação não atendida e na aplicação de softwares capazes de processar os dados obtidos e acelerar a tomada de decisões. Segundo o especialista de aplicações Rafael Oliveira, a empresa tem uma estrutura focada no aumento da produtividade dos pesquisadores, permitindo que menos tempo seja gasto em atividades dentro do laboratório e mais no planejamento e análise de dados.

“A nossa base de processos são os reatores, aos quais conseguimos acoplar sondas de IR, Raman, coleta de amostras, processos de caracterização de materiais e outros”, disse Oliveira. “Assim, o pesquisador poderá dispor de mais tempo avaliando a quantidade de dados obtidos, mas gastará menos tempo fazendo experimentos no laboratório. Pensando na indústria farmacêutica, isso faz sentido, devido ao alto custo dos experimentos que consomem reagentes caros.”

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CG/MS da Agilent equipado com headspace e amostrador

Além disso, a Mettler-Toledo tem parceiros para o desenvolvimento de softwares para o processamento e envio dos dados obtidos. “O nosso software iC Data Center permite agregar todas as informações dos nossos softwares e permite trocar informações com softwares externos”, disse Oliveira. “Por exemplo, no caso dos cadernos de laboratório eletrônicos (eLN), o iC Data Center permite a entrada dos dados do eLN no reator, que executa o processo planejado. Os dados obtidos passam novamente pelo Data Center que os processa e os envia, já tratados, para o pesquisador”.

Cromatografia

Devido ao aumento do preço de hélio, utilizado como gás de arraste em CG, principalmente com detector de espectrometria de massas (MS), algumas empresas desenvolveram sistemas capazes de utilizar hidrogênio (H2) para essa função.

Teoricamente, o H2 seria o gás mais recomendado, por apresentar maior coeficiente de difusão que outros gases inertes, o que permite análises mais rápidas e sem perdas significativas na resolução dos picos. No entanto, a possibilidade de explosões decorrentes de eventuais vazamentos na linha de H2 e o aumento do ruído da linha de base, inviabilizando o uso em detectores MS, seriam os maiores problemas do gás nessa aplicação.

Uma alternativa para o H2 é o uso de sistemas geradores do gás, o que dispensa a presença dos cilindros (torpedos) e dos reguladores de parede. Tais geradores, além de serem menores que os torpedos, só produzem H2 sob demanda, de forma mais segura, pois o gás não ficará armazenado no sistema.

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LC Infinity II acoplado ao MS Ultivo, da Agilent

Neste ano, a PerkinElmer fará o lançamento no Brasil do cromatógrafo a gás acoplado a espectrômetro de massas que usa H2 como gás de arraste, o GC/MS 2400. “O mercado de cromatografia é amplo e a Perkin Elmer está com uma grande expectativa para a venda deste produto, uma vez que ele apresenta alguns diferenciais comparados à outros equipamentos no mercado”, destacou Zangrando, falando sobre a reentrada da empresa na área de cromatografia com este equipamento, que foi desenhado de acordo com pesquisas de mercado com clientes.

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Raman Mira XTR portátil exibido com e sem acessório acoplado para leituras à distância

“O grande problema do uso do H2 como arraste seria a possibilidade de vazamentos, por isso o novo equipamento conta com sensores que detectam H2 e efetuam o corte imediato de fluxo do gás caso seja detectado um vazamento”, ressaltou Zangrando. “O gás será usado somente como arraste dentro da coluna, ele não será queimado, apenas vai arrastar as moléculas vaporizadas”. Além das mudanças no cromatógrafo, o GC/MS 2400 recebeu modificações na eletrônica do espectrômetro de massas, possibilitando o uso de H2 sem prejuízos analíticos, permitindo ainda a utilização das principais bibliotecas de consulta e comparação espectral existentes.

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Raman Mira XTR portátil exibido com e sem acessório acoplado para leituras à distância

Outro diferencial do equipamento seria a possibilidade de operação remota por meio de um aplicativo vinculado ao software e um tablet acoplado na frente do instrumento, podendo tanto ter a função de uma tela rápida de consulta, ou ser destacado do instrumento e levado para qualquer outro local, conectando-se ao instrumento por uma rede VPN, com total segurança de dados. Segundo Zangrando, essa conexão permite não somente consultas ao equipamento, mas também a toda a parte de condicionamento, operação, tratamento de dados e liberação de resultados remotamente.

A Agilent lançou o cromatógrafo a gás 8890 GC System acoplado ao MS 5977C GC/MSD que permite ao analista utilizar tanto He quanto H2 como gás de arraste, e o cromatógrafo líquido Infinity II 1290 acoplado ao MS Ultivo.

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Blat: fonte de íons para H2 evita elevar pressão interna

O novo GC/MS é o equipamento mais vendido atualmente da linha de cromatografia segundo Celso Blatt, especialista de aplicações de GC/MS. Blatt comentou que a demanda por cromatógrafos ficou reprimida devido à pandemia da Covid-19 e está se recuperando agora. Blatt destacou também que houve um aumento nas compras de cromatógrafos depois da aprovação do Marco Nacional do Saneamento. A Agilent tem como clientes empresas como Petrobras, Aché, Eurofarma, além de universidades e polícias.

Segundo Blatt, um dos problemas na substituição de He por H2 está na fonte de íons do MS, que reduziria a sensibilidade do equipamento devido ao maior tamanho molecular do gás H2 em relação ao do He. Ciente deste problema, a empresa lançou a fonte Hydroinert que é específica para o H2 como gás de arraste. Blatt destacou que as maiores diferenças entre as fontes reside na substituição do material de cobertura, o que torna a fonte mais inerte ao gás H2, e a nova geometria da fonte, evitando o aumento da pressão interna.

Além dos pontos destacados na parte instrumental, os equipamentos de GC/MS e LC/MS (cromatografia líquida acoplada a massas) tem endereço de IP próprio, para que o laborista consiga verificar remotamente o status do equipamento.

Para a Shimadzu, oferecer mais facilidades para o usuário sem a perda da robustez nem da capacidade analítica são demandas crescentes para os novos cromatógrafos da empresa, segundo Rodrigo Kitamura, gerente de produtos, e Ana Caroline Martimiano, especialista de produtos. Essas demandas são atendidas pelo lançamento do LCMS-8060NX com HPLC da linha Nexera e do GCMS-TQ8050NX com o Nexis GC-2030.

Outro ponto destacado, especificamente para os GC/MS da empresa, é o aumento da sensibilidade para os equipamentos GCMS-QP2020 NX, GCMS-TQ8040 e GCMS-TQ8050, permitindo a detecção de concentrações no nível de traços.

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Inteligência artificial na instrumentação: Espectroscopia molecular

Outra novidade da Metrohm é o lançamento do espectrômetro Raman Mira XTR que, segundo Martins, é o menor equipamento Raman do mercado.

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Martins: IA permite tomar decisões rápidas e melhores

“O Raman Mira XTR é leve e tem todas as vantagens de um laser 785 nm, mas sem a interferência da fluorescência, que é o principal problema dessa técnica.”

Como informou, a supressão da fluorescência é feita pelo próprio software do equipamento.

Além dele e das sondas para verificar a qualidade de reagentes, um acessório para fazer a análise de compostos à distância foi desenvolvido pela Metrohm para analisar explosivos, por exemplo. “Nos EUA, conseguimos instalar um equipamento Raman em um cachorro-robô acionado por controle remoto para acessar lugares difíceis ou perigosos”, comentou Martins.

Por sua vez, a Horiba introduziu em seus microscópios Raman desenvolvimentos na tecnologia nanoGPS, que permite aos pesquisadores sobrepor os dados obtidos em diferentes equipamentos, a fim de obter uma imagem 3D com as informações físico-químicas. Segundo Carvalho, com a inovação, erros devidos à manipulação de dados para sobreposição das imagens são reduzidos para a ordem de 10-6, muito inferior ao obtido anteriormente na tentativa de sobreposição manual.

“Para se fazer microscopia correlativa, até em então, era necessário que os equipamentos estivessem grudados na mesma sala”, disse Carvalho. “Criamos o nanoGPS, uma tecnologia que nada mais é do que inserir vários graus de liberdade para a cooperação entre os laboratórios, entre os pesquisadores, entre técnicas analíticas sem a limitação espacial, ou seja, para obter vários resultados, não preciso estar no mesmo laboratório.”.

A Agilent traz como novidade o espectrômetro portátil Raman Vaya, que utiliza a tecnologia Sors (Spatially offset Raman Spectroscopy), que permite ao operador analisar matérias-primas sem retirá-las da embalagem (por exemplo, embalagens transparentes, opacas, de vidro, papel e embalagens coloridas) e em apenas alguns segundos.

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Luciana: UV-Vis Cary 3500 oferece configuração flexível

Segundo Luciana Assis Terra, cientista de aplicação molecular, uma diferença importante desse equipamento é que ele atende a 21CFR parte 11, possibilitando seja usado na indústria, armazenando todos os dados com rastreabilidade. Outra inovação para a espectroscopia Raman apontada por Luciana é o lançamento do TRS 100, o único espectrômetro Raman por transmissão do mercado. Ele permite a quantificação dos componentes presentes em uma formulação farmacêutica em tempo real, por exemplo.

Na linha de espectroscopia UV-Vis, a empresa oferece o espectrofotômetro Cary 60, que tem como principais clientes a indústria farmacêutica e química. Outras novidades na linha espectroscopia UV-Vis são o Cary 3500 Flexível e o UV-Vis-NIR Cary 7000 UMS.

O Cary 3500 Flexível (lançado neste ano) permite ao usuário alterar o caminho óptico do equipamento e, por ter mais de um detector, pode fazer mais de uma análise simultaneamente e ainda com a vantagem de permitir adicionar o módulo com temperatura regulável. O Cary 7000 UMS, um espectrofotômetro UV-Vis-NIR, possui um detector que se desloca dependendo do ângulo selecionado, permitindo ao analista retirar mais informações de materiais em uma única análise. Esse equipamento tem como principal cliente o meio acadêmico, sendo muito utilizado na área de materiais.

Para a linha de IR, a Agilent tem desenvolvido equipamentos compactos e portáteis. A configuração mais utilizada pelos usuários conta com óptica de seleneto de zinco, que dispensa a necessidade do controle de umidade e temperatura da sala. Segundo Luciana Terra, o equipamento Cary 630 (lançado em 2011) é utilizado, principalmente, na análise de fármacos, químicos e em provas periciais de entorpecentes.

A PerkinElmer, além da novidade envolvendo tecnologias hifenadas com os espectrômetros IR (por exemplo, com o TGA-IR), disponibiliza opções de acoplamento com microscópios, informa Patrícia Bento da Silva, especialista de produtos.

A empresa também disponibiliza opções de acoplamento dos espectrômetros IR por transformada de Fourier (FTIR) para microscopia, tanto para aplicações mais simples, com o modelo Spectrum Two, como para a análise de materiais mais avançados com o modelo Spectrum 3. “As aplicações são as mais diversas, tanto no setor industrial, quanto na pesquisa acadêmica, incluindo investigações em camadas de filmes poliméricos, microcontaminantes em embalagens, vidros e medicamentos”, complementa Patrícia.

Nos últimos anos, além da área de materiais, um dos principais clientes do Spectrum Two foram os laboratórios de prova pericial para análise de entorpecentes. “Fizemos vendas expressivas do modelo Spectrum Two para esse setor nos últimos três anos, o que corrobora a sua excelência”, reforça Zangrando.

A Shimadzu lançou recentemente seu novo espectrômetro de fluorescência de raios X, o EDX-72000. Segundo Lucas Marinho Nóbrega de Assis, gerente de produtos da Shimadzu, esse é um dos equipamentos mais versáteis, robustos e sensíveis da empresa para bancada. Outra novidade apontada por Assis é o microscópio AIRsight, capaz de registrar espectros Raman e IR no mesmo equipamento.

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Raman Vaya com tecnologia Sors analisa produtos na embalagem

Espectroscopia atômica

Como principal destaque para essa tecnologia, a PerkinElmer apresenta um dos seus principais produtos, a linha de ICP (Plasma Indutivamente Acoplado), podendo ser um sistema com interface a um MS (ICP/MS), ou apenas com um sistema óptico ICP/OES. Segundo Zangrando, esses dois produtos, juntamente com Absorção Atômica (AA), são os maiores drivers da empresa.

“Os produtos mais comercializados são os da linha AVIO (ICP/OES), PinAAcle (AA) e NexION (ICP/MS), com destaque para o modelo NexION 5000 como o único instrumento com tecnologia multi-quadrupolo, conferindo incomparáveis sensibilidade e seletividade”, explica Zangrando. Os principais mercados atendidos por essas tecnologias são o Petroquímico, Ambiental, Fertilizantes, Farmacêutico e de Alimentos.

Segundo Marcelo Anselmo Oseas da Silva, especialista de produtos, um dos maiores mercados para o ICP/OES está no setor agrícola, onde, cada vez mais, a agricultura de precisão avança pelo país. “Outros setores importantes são aqueles regulados por diferentes órgãos oficiais e que precisam atender determinadas portarias”, destaca Silva, “Para os setores como o petroquímico e de análises de água potável ou de rejeitos industriais, essas portarias incluem elementos químicos específicos e com limites de detecção cada vez mais baixos, gerando uma tendência para o uso do ICP/MS, uma vez que o preparo de amostra diminui.”

A Agilent lançou o espectrômetro de emissão atômica 4210 MP-AES que utiliza plasma de microondas e, em vez de utilizar plasma de argônio, utiliza N2 (chegando a temperaturas de 800°C). A troca do gás permite realizar análises de emissão atômica (chegando a ppt) mais econômicas.

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