NIRS – wenig Aufwand, viele Möglichkeiten

Vor allem die hohe Eindringtiefe und einfache Handhabung machen Nahinfrarot-Spektroskopie (NIRS) für viele Einsatzgebiete relevant. Ob in der Qualitätsanalyse chemischer, pharmazeutischer oder landwirtschaftlicher Produkte, in der Prozesskontrolle der Ernährungsindustrie oder aber der Identifizierung von Verbundstoffen: mit NIRS können verschiedenste Analysen in zahlreichen Industrien durchgeführt werden.

NIRS zur Identifikation komplexer Moleküle

Licht ist eine Form elektromagnetischer Strahlung, deren gesamtes Spektrum von kurzwelligen, energiereichen Gammastrahlen bis hin zu langwelligen, energiearmen Radiowellen reicht. In der Nahinfrarot-Spektroskopie spielt besonders der Spektralbereich zwischen einer Wellenlänge von 760 und 2500 nm eine Rolle, da er oberhalb des für Menschen sichtbaren Lichtes liegt. Trifft diese Strahlung auf Substanzen, in deren Molekülen bewegte elektrische Ladung zur Verfügung steht, werden dieses zur Schwingung angeregt. Die mechanischen Schwingungen lassen sich in Form von Ausschlägen messen und sind für jede sogenannte NIR-aktive Bindung charakteristisch. Dadurch lassen sich –Rückschlüsse auf das Probenmaterial ziehen. 

Physikalische Grundsätze als Messprinzip

Das geläufigste Modell zur Veranschaulichung der NIR-Spektroskopie beschreibt diese physikalischen Vorgänge als vier grundlegende Schwingungsarten. Neben den Normalschwingungen entlang der Bindungsachse eines Moleküls (Valenzschwingungen) gibt es auch Deformationsschwingungen. Letztere untergliedern sich, je nach Richtung der Schwingung, weiter in Schaukelschwingung (engl. rocking), Wippschwingungen (engl. wagging) und Drehschwingungen (engl. twisting oder torsing). Dabei weisen verschiedene funktionelle Gruppen und unterschiedliche Bindungstypen von Molekülen charakteristische Schwingungen im nahinfraroten Bereich auf. Dazu zählen beispielsweise C-O (Alkohole, Ether, Säuren, Ester), N-H (Amine, Amide), NO2 (Nitrogruppe), C=C (Aromaten, Alkene) und C=O (Aldehyde, Ketone, Säuren, Ester).

Vorteile der Nahinfrarot Spektroskopie im Vergleich zum mittleren nahinfraroten Bereich

Die NIR-Spektroskopie macht sich einen besonderen Effekt zunutze: Im Wellenlängenbereich der NIR-Spektroskopie können sogenannte Ober- und Kombinationsschwingungen der Grundschwingungen beobachtet werden. Die kurzwellige, energiereiche NIR-Strahlung hat in diesem Punkt im Gegensatz zur Strahlung im mittleren infraroten (MIR) Bereich den entscheidenden Vorteil, dass hier nur die Grundschwingungen zu beobachten sind. Zu Oberschwingungen kann es durch die gleichzeitige Aufnahme mehrerer Lichtquanten kommen. Kombinationsschwingungen treten auf, wenn ein Lichtquant zwei verschiedene Schwingungen gleichzeitig anregt.

Bei der Anregung der Schwingungen höherer Ordnung wird vergleichsweise wenig Energie aufgenommen. Daraus ergibt sich die viel größere Eindringtiefe des nahinfraroten Lichtes im Vergleich zum mittleren infraroten Bereich, wo nur wenige Mikrometer möglich sind. Eine Probenvorbehandlung kann dadurch meist entfallen. Die zusätzlichen Schwingungsmodi führen zu weiteren Banden, welche den Informationsgehalt der Spektren erhöhen. NIR-Spektren enthalten Überlagerungen vieler komplexer Banden höherer Ordnung und sind in der Auswertung viel komplizierter als beispielsweise MIR-Spektren. Der vom Molekül absorbierte Strahlungsanteil ist dabei für dessen Struktur charakteristisch. Die entsprechenden Absorptionsbanden prägen sich in ganz bestimmten Bereichen des NIR-Spektrums aus und können zur Identifizierung des Moleküls verwendet werden.

Analyse der geprüften Substanzen

Bei der Analyse mittels NIRS werden die Proben nicht direkt interpretiert, sondern Oberton- und Kombinationsbanden mit Hilfe statistischer Verfahren ausgewertet. Für quantitative Bestimmungen müssen daher im ersten Schritt Datensätze mit bekanntem Gehalt bzw. bekannten Konzentrationen des relevanten Stoffes erstellt werden. Die Voraussetzungen für eine NIR-spektroskopischen Analyse werden von vielen Substanzen erfüllt. Es existieren jedoch auch Materialien, welche nicht NIR-aktiv sind. Hierzu zählen beispielsweise anorganische Salze, welche aufgrund ihrer starren, kristallinen Gitterstruktur nicht durch Energie im Wellenbereich der NIR-Strahlung zur Schwingung angeregt werden können.

In der Theorie grau, in der Praxis bewährt

In der praktischen Anwendung wird die NIR-Strahlung auf die Probensubstanz aufgebracht und nach Reflexion oder Transmission durch die Probe mittels eines dispersiven Elementes oder Monochromators nach Wellenlängen aufgespalten. Die Lichtbestandteile werden auf einen photosensitiven Detektor gelenkt, welcher die Photonendichte unter Verwendung des photoelektrischen Effektes in Abhängigkeit zum Wellenlängenintervall misst. Die so erfassten Lichtintensitäten werden über die Wellenlängenachse aufgetragen und als Intensitätsspektrum der Probe bezeichnet. Das Absorbanzspektrum der Probe erhält man aus dem Verhältnis der Eingangsstrahlung zum Intensitätsspektrum der Probe. Alle Absorbanzspektren stellen ein komplexes Zusammenspiel von Absorptions-, Reflexions- und Streueffekten dar, weshalb eine umfangreiche Strukturierung der Daten erforderlich ist, um die chemische Information zugänglich zu machen.

Die extrahierten Absorptionsspektren, welche im Idealfall ausschließlich die chemische Information beinhalten, können nun zur Identifizierung der gemessenen Substanz herangezogen werden. Aufgrund der Beschaffenheit der vorliegenden Absorbanzspektren mit oftmals breiten Banden werden chemometrische Analyseverfahren verwendet. Diese werden mittels ausgeklügelter mathematischer und statistischer Methoden zur Identifizierung der Substanz ermöglichen.

Klare Vorteile der NIR-spektroskopischen Analyse sind:

  • hohe Eindringtiefe aufgrund verhältnismäßig niedriger Absorptionskoeffizienten organischer Substanzen im NIR
  • keine Probenvorbereitung
  • schnell und automatisierbar, reproduzierbar, einfach, zuverlässig, berührungs- und zerstörungsfrei
  • qualitative und quantitative Bestimmung möglich
  • Messungen in Transmission und Reflexion

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