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Im ersten Artikel unserer Serie über Nahinfrarotspektroskopie (NIR) haben wir erklärt, was NIR-Spektroskopie ist. In diesem Artikel geht es um den Unterschied zwischen der Nahinfrarot- und der Infrarotspektroskopie (IR-Spektroskopie), die oft auch als Mittelinfrarot-(Mittel-IR-)Spektroskopie bezeichnet wird. Wir werden auch erörtern, warum die NIR-Spektroskopie für Ihre analytischen Herausforderungen im Labor und in industriellen Fertigungsprozessen möglicherweise besser geeignet ist als die IR-Spektroskopie.
Unterschiede in Wellenlängen und Energie
Wir haben die NIR-Spektroskopie als die Analyse der Wechselwirkung zwischen NIR-Licht und Materie definiert. Bei der spektroskopischen Analyse wird das Licht durch die Wellenlänge (und nicht durch die eingesetzte Energie) definiert. Wenn Ihnen das neu vorkommt, können Sie sich auf den ersten Blogartikel dieser Serie beziehen:
Die Wellenlänge des Lichts steht in umgekehrtem Verhältnis zu seiner Energie. Je kleiner die Wellenlänge ist, desto mehr Energie ist vorhanden. Das elektromagnetische Spektrum ist in Abbildung 1 dargestellt. Der NIR-Bereich liegt zwischen dem sichtbaren Bereich (höhere Energie) und dem Infrarotbereich (niedrigere Energie) bei 780 bis 2500 nm.
Licht aus dem IR- und NIR-Bereich des elektromagnetischen Spektrums löst in bestimmten Teilen von Molekülen (den so genannten funktionellen Gruppen) Schwingungen aus. Daher gehören IR- und NIR-Spektroskopie zur Gruppe der Schwingungsspektroskopie. Abbildung 2 zeigt einige funktionelle Gruppen und Moleküle, die im NIR-Bereich aktiv sind.
Der Unterschied in den durch IR-Strahlung oder NIR-Licht hervorgerufenen Schwingungen ist auf die höhere Energie der NIR-Wellenlängen im Vergleich zu denen im IR-Bereich zurückzuführen.
Schwingungen im Infrarotbereich werden als Grundschwingungen eingestuft, d. h. als ein Übergang vom Grundzustand zum ersten angeregten Zustand. Bei den Schwingungen im nahen Infrarotbereich handelt es sich dagegen entweder um Kombinationsbanden (Anregung von zwei Schwingungen zusammen) oder um Obertöne. Obertöne werden als Schwingungen vom Grundzustand bis zu einem Anregungsniveau oberhalb des ersten Zustands betrachtet (Abbildung 3). Diese Kombinationsbanden und Obertöne haben eine geringere Eintrittswahrscheinlichkeit als Grundschwingungen, und folglich ist die Intensität von Spitzen oder Absorptionsbanden im NIR-Bereich geringer als Spitzen im IR-Bereich.
Dies lässt sich besser verstehen, wenn man eine Analogie zum Treppensteigen heranzieht. Die meisten Menschen steigen eine Stufe nach der anderen hinauf, aber manchmal sieht man Leute, die es eilig haben und zwei oder drei Stufen auf einmal nehmen. Ähnlich verhält es sich mit IR und NIR: Ein Schritt (IR - Grundschwingungen) ist viel häufiger als das Steigen von zwei oder mehr Stufen auf einmal (NIR - Obertöne und Kombinationsbänder). Schwingungen im NIR-Bereich haben eine geringere Wahrscheinlichkeit als IR-Schwingungen. Daher haben die entsprechenden Absorptionsbanden eine geringere Intensität.
Vorteile der NIR-Spektroskopie gegenüber der IR-Spektroskopie
Aus dem obigen theoretischen Überblick können wir die folgenden Vorteile der NIR- gegenüber der IR-Spektroskopie ableiten.
Geringere Intensität der Banden bei NIRS, daher geringere Detektorsättigung
Bei Feststoffen können Sie reine Proben in einem für die NIR-Analyse geeigneten Fläschchen verwenden. Bei der IR-Analyse müssen Sie entweder ein KBr-Pellet herstellen oder die feste Probe vorsichtig in das ATR-Fenster (Attenuated Total Reflectance) geben, ganz zu schweigen von der anschließenden gründlichen Reinigung.
Bei Flüssigkeiten sollten NIR-Spektren in Einweggefäßen mit 4 mm (oder 8 mm) Durchmesser gemessen werden, die sich auch bei zähflüssigen Stoffen leicht befüllen lassen. Die IR-Analyse erfordert sehr kurze Schichtdicken (<0,5 mm). Es werden entweder teure Quarzküvetten oder Durchflusszellen benötigt, die beide nicht leicht zu befüllen sind.
Energiereicheres Licht mit NIRS, dadurch tiefere Probeneindringung
Das bedeutet, dass die NIRS Informationen über die gesamte Probe liefert und nicht nur über die Oberflächeneigenschaften wie bei der Infrarotspektroskopie.
NIRS kann zur Quantifizierung und zur Identifizierung eingesetzt werden
Wissenschaftler verwenden häufig Infrarotspektroskopie, um das Vorhandensein bestimmter funktioneller Gruppen in einem Molekül nachzuweisen (nur Identifizierung). In der Tat ist die Quantifizierung eine der Stärken der NIR-Spektroskopie (siehe unten).
NIRS ist vielseitig
Die NIR-Spektroskopie kann zur Quantifizierung chemischer Substanzen (z. B. Feuchtigkeit, API-Inhalt), Bestimmung chemischer Parameter (z. B. Hydroxylwert, Gesamtsäurezahl) oder physikalischer Parameter (z. B. Dichte, Viskosität, relative Viskosität und intrinsische Viskosität). Sie können auf diese Links klicken, um unsere kostenlosen Application Note für jedes Beispiel herunterzuladen.
NIRS arbeitet mit Faseroptik
Das bedeutet, dass Sie eine Methode einfach vom Labor direkt in eine Prozessumgebung übertragen können, indem Sie ein Analysegerät mit einem langen, faseroptischen Kabel mit niedriger Dispersion und einer robusten Sonde verwenden. Lichtwellenleiter können aufgrund physikalischer Beschränkungen nicht mit Infrarotstrahlung verwendet werden.
NIR ≠ IR-Spektroskopie
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die NIR-Spektroskopie eine andere Analysemethode ist als die IR-Spektroskopie, obwohl beide Arten der Schwingungsspektroskopie sind. NIR ist schneller und einfacher zu handhaben als IR. Sie erfordert keine Probenvorbereitung und kann Informationen über das gesamte Material liefern. Außerdem ist sie vielseitig. Die NIR-Spektroskopie ermöglicht die Quantifizierung verschiedener chemischer und physikalischer Parameter und kann auch in einer Prozessumgebung eingesetzt werden.
Sehen Sie sich unser Video an, um mehr über die wichtigsten Unterschiede zwischen IR- und NIR-Spektroskopie zu erfahren.
Im nächsten Teil dieser Serie befassen wir uns anhand eines konkreten Beispiels mit der Implementierung eines Nahinfrarotspektrometers in Ihren Laborarbeitsablauf.
So implementieren Sie die NIR-Spektroskopie in Ihren Laborarbeitsablauf
Ihr Wissen zum Download
Ein Leitfaden für die spektroskopische Nahinfrarotanalyse industrieller Fertigungsprozesse
Wenn Sie mehr über die spektroskopischen Details der NIR-Spektroskopie erfahren möchten, z. B. über Obertöne und Kombinationsbanden, multivariate Datenanalyse und Chemometrie, laden Sie diese Monografie herunter.
