Nahinfrarot-Spektroskopie (NIRS)

  • Einführung

    NIR-Spektroskopie wird für die kompositorische, funktionale und sensorische Analyse von Inhaltsstoffen, Zwischenprodukten und Endprodukten eingesetzt. Nahrungs- und Futtermittelindustrie, Agrarwirtschaft, Milchindustrie, Pharma- und chemische Industrie nutzen diese Technologie. Sie stehen kontinuierlich unter dem Druck, Produkte exakt nach Kundenvorgaben herzustellen und gleichzeitig Produktion und Rentabilität ihrer Werke zu steigern.

    NIR kann für die quantitative Analyse (Bestimmung von Stoffkonzentrationen), die qualitative Analyse (Identifikation von Rohstoffen sowie Zwischen- und Endprodukten) und die Prozesssteuerung eingesetzt werden. Sie kann Informationen über Feuchte und den Gehalt an Protein, Fett und Stärke liefern. Die NIR-Anwendungen unterscheiden sich je nach Branche und werden auf spezifische Unternehmen, deren Produkte und Anforderungen zugeschnitten.

  • Die Wissenschaft

    Ein NIR-Spektrometer misst Obertöne und Kombinationstöne molekularer Schwingungen im Infrarotbereich und insbesondere die asymmetrischen Schwingungen, die im Infrarotbereich intensiv sind, d. h. Streckschwingungen unter Beteiligung von Wasserstoffbindungen (z. B. C-H, O-H und N-H).

    So funktioniert ein Spektrometer

    Der Lichtstrahl trifft auf das Beugungsgitter, das wie ein Prisma wirkt und das Licht in seine Wellenlängenanteile aufteilt. Mit einem InGaAs-Diodenarray ist es möglich, den gesamten Wellenlängenbereich auf einmal abzutasten. Nahinfrarot(NIR)-Spektroskopie basiert auf der Absorption elektromagnetischer (EM-)Strahlung mit einer Wellenlänge im Bereich von 780 bis 2.500 nm. Das Licht tritt in Wechselwirkung mit der Probe und der Detektor misst deren Transmission und Absorption. Transmission meint die Menge an Licht, das die Probe durchdringt und auf den Detektor trifft. Absorption meint die Menge an Licht, das von der Probe aufgenommen, also weder reflektiert noch durchgelassen wird. Der Detektor registriert das durch die Probe gelangte Licht und wandelt diese Information in eine digitale Anzeige um.
    EM-Strahlung wird beschrieben durch ihre Frequenz (f, meist angegeben in Hz), Wellenlänge (λ) oder Photonenenergie (E). Die Wellenlänge verhält sich umgekehrt proportional zur Frequenz. Die Photonenenergie ist direkt proportional zur Frequenz. Wenn EM-Strahlung in Wechselwirkung mit Atomen und Molekülen tritt, hängt ihr Verhalten von der Menge an Energie ab, die sie transportiert. Die Energie von NIR-Strahlung genügt beispielsweise, um Obertöne in molekularen Schwingungen zu erzeugen. Die Obertöne verschiedener Molekülbindungen absorbieren bei spezifischen Frequenzen, die für ihre Struktur charakteristisch sind.

  • Quantitative Analyse

    Quantitative Analyse

    Da sich mehrere Obertöne innerhalb eines Spektrums überlappen, wird die NIR-Spektroskopie hauptsächlich für die quantitative Analyse bekannter Komponenten und nicht für die Identifikation verwendet. Mithilfe chemometrischer Tools wird die Korrelation zwischen Referenzspektren und Referenz-Analyseergebnissen ermittelt. Das resultierende Kalibriermodell fließt in die Prognose unbekannter Proben ein.

    Nutzen
    • Nützlich für die Analyse aller Arten biologischer Systeme
    • Wenig oder keine Probenaufbereitung erforderlich
    • Zerstörungsfreies Messverfahren
    • Resultate sind innerhalb von Sekunden verfügbar
    • Universell anwendbar bei jedem Molekül, das C­H-, N­H-, S­H- oder O­H-Bindungen enthält
    • Anhand der gleichen NIR-Daten können mehrere analytische Resultate prognostiziert werden
    • Simultane Analyse multipler Komponenten ohne Kosten für Chemikalien oder Entsorgung
  • Anwendungsbeispiele
    • Lösung für die Agrarwirtschaft zur Analyse von Feldfrüchten, Nährwertparametern von Tierfutter und Rohstoffen für die Biokraftstoff-Produktion. NIR liefert wichtige Qualitätsdaten über Trockenmasse, Protein, Feuchte, Öl, Partikelgröße, Asche, Stärkebeschädigungen, Wasserabsorption und spezifische chemische Bindungen.
    • Analysiert Inhaltsstoffe von Lebensmitteln (Fleisch- und Wurstwaren, Milchprodukte, Getränke, Öle, Backprodukte usw.) im laufenden Prozess und an Proben von Endprodukten. Messbare Parameter sind Feuchte, Protein, Fett, freie Fettsäuren, Ethanol, Dichte, Feststoffe, organische Säuren, Kohlenhydratprofil und andere wichtige Bestandteile.
    • Hilfreich für Chemiker bei der Entwicklung neuer Verbindungen und als prozessnahes Tool in der Qualitätssicherung. Misst die Wirksamkeit von Mischprozessen oder die interne Struktur fester Proben wie Tabletten
    • Analysiert Stoffe, die in Non-Food-Branchen verwendet werden, z. B. Bioenergie, Zellstoff und Papier, Forstwirtschaft, Bau, Textilien
    • Die Methode funktioniert auch bei Vorhandensein von Störstoffen, z. B. umgebenden Glas- oder Kunststoffbehältern  
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