Nahinfrarotspektroskopie

Was ist NIR-Spektroskopie?

Die Nahinfrarotspektroskopie (NIRS) ist eine Methode, die Licht zwischen dem sichtbaren und dem infraroten Wellenlängenbereich (etwa 800–2500 nm) verwendet und die Absorption von Licht als Funktion der Wellenlänge misst. Das nahinfrarote Licht, das mit der Probe wechselwirkt, weist spezifische Wellenlängen auf, die basierend auf bestimmten in der Probe vorhandenen chemischen Bindungen (z. B. C-H, O-H, S-H und N-H) absorbiert werden.

Die NIR-Spektroskopie eignet sich sowohl für die Untersuchung unregelmäßiger Oberflächen, wie Lebens- und Futtermittel, als auch für sorgfältiger präparierte Proben, wie Arzneimittel. NIRS ist eine schnelle und kostengünstige Methode mit der Fähigkeit, Hunderte von Proben pro Tag bei sehr geringen Betriebskosten zu analysieren. Die Daten aus einer einzelnen NIR-Spektroskopie-Messung können zur Vorhersage mehrerer unterschiedlicher Ergebnisse verwendet werden.

Wie funktioniert die NIR-Spektroskopie?

Die Nahinfrarotspektroskopie basiert auf der Nutzung elektromagnetischer Strahlung. Mithilfe eines Beugungsgitters wird Licht in die gewünschten Wellenlängen getrennt. Dieses Licht wird dann auf die Probe gerichtet, und das von der Probe gestreute und durch sie hindurchgestrahlte Licht wird von einem speziellen Diodenarraydetektor erfasst, der seine Transmission und Absorption misst. Anschließend wird ein Reflexionsspektrum erstellt, um die gewonnenen Daten darzustellen. Das transmittierte und absorbierte Licht hängt von der Zusammensetzung der Probe ab.

Wenn elektromagnetische Strahlung auf die Probe gerichtet wird, verursacht die von der Strahlung getragene Energie verschiedene Wechselwirkungen, wie beispielsweise Obertöne in Molekülschwingungen bestimmter chemischer Bindungen, die in der Probe vorhanden sind. Verschiedene Bindungen interagieren bei unterschiedlichen Energieniveaus. Die Obertöne verschiedener Bindungen absorbieren Energie bei spezifischen Wellenlängen, die für ihre Struktur charakteristisch sind.

Es ist bekannt, dass sich mehrere Obertöne innerhalb eines Spektrums überlappen können. Daher kann es schwierig sein, spezifische Merkmale bestimmten chemischen Komponenten zuzuordnen. Hier kommt die NIR-Kalibrierung ins Spiel. Mit sorgfältig ausgewählten Kalibrierproben und Referenzanalysemethoden kann die NIR-Spektroskopie kalibriert werden, um eine hohe Präzision bei der Analyse chemischer Konzentrationen zu gewährleisten.

Wofür wird NIR-Spektroskopie verwendet?

Die NIR-Spektroskopie wird häufig zur Bestimmung der kompositionellen und funktionellen Eigenschaften der Probe, zur Identifizierung von Materialien und als Teil der Prozesskontrolle eingesetzt. Die häufigsten Untersuchungsgebiete, in denen die NIR-Spektroskopie verwendet wird, sind Landwirtschaft, Lebensmittel- und Futtermittelanalyse, Pharmazeutika sowie verschiedene medizinische und physiologische Diagnostik.

Im Lebensmittel- und Futtermittelsektor ist die NIR-Spektroskopie ein wirksames Instrument zur Messung von Feuchtigkeit, Protein, Fett, freien Fettsäuren, Ethanol, Dichte, Feststoffen, organischen Säuren, Kohlenhydratprofil und anderen wichtigen Bestandteilen. NIRS findet auch Anwendung in der Materialwissenschaft, da sie als Instrument zur Messung der Schichtdicke und zur Untersuchung der optischen Eigenschaften von Nanopartikeln eingesetzt werden kann.

Was sind die Unterschiede zwischen NIR- und IR-Spektroskopie?

Sowohl die NIR- als auch die IR-Spektroskopie verwenden elektromagnetische Strahlung und messen Absorption und Transmission, um Daten aus einer Probe zu gewinnen. Beim Vergleich der NIR-Spektroskopie und der regulären IR-Spektroskopie ergeben sich jedoch einige wesentliche Unterschiede. Licht im nahinfraroten Bereich kann typischerweise tiefer in die Probe eindringen als reguläre Infrarotstrahlung. Dies bedeutet, dass die NIR-Spektroskopie keine sehr empfindliche Methode ist, aber sehr nützlich bei der Untersuchung von Schüttgütern.

Die reguläre IR-Spektroskopie ist genauer bei der Identifizierung von funktionellen Gruppen und Materialien. Nahinfrarotspektroskopie kann in Gegenwart von Störsubstanzen wie Glas- oder Kunststoffbehältern eingesetzt werden. Diese Materialien können als Zellfenster und Fokussierlinsen verwendet werden. Mittelinfrarotstrahlung wird von vielen gängigen Materialien absorbiert, weshalb in Linsen und Fenstern teurere Spezialmaterialien verwendet werden müssen, um eine hohe Präzision aufrechtzuerhalten.

Ein weiterer wesentlicher Unterschied zwischen den beiden Methoden besteht darin, dass quantitative Berechnungen mit NIR komplexer sind, die Kalibrierung komplizierter ist und Kalibrierdaten nicht sehr gut auf andere Geräte übertragbar sind. Kalibrierdaten im mittleren IR-Bereich sind wesentlich generischer und daher deutlich einfacher auf andere Geräte übertragbar.

Probenanforderungen und -vorbereitung

Die NIR-Spektroskopie erfordert wenig bis keine Probenvorbereitung. Als Technik ist sie zerstörungsfrei, das heißt, sie beschädigt die Probe nicht. Die Methode ist für alle Arten von Proben geeignet, die Moleküle mit C-H-, O-H-, S-H- und/oder N-H-Bindungen aufweisen. Wasser ist im NIR-Bereich hinreichend transparent, was es zu einem geeigneten Lösungsmittel für verschiedene Anwendungen macht.

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