Nabij-infraroodspectroscopie (NIRS, ook wel NIR-spectroscopie) is een snelle, niet-destructieve analysetechniek die gebruikmaakt van licht in het golflengtegebied van 780 tot 2500 nanometer. De techniek detecteert boventonen en combinatiebanden van moleculaire vibraties die samenhangen met C-H-, O-H- en N-H-bindingen, en wordt vooral ingezet voor kwantitatieve bepalingen zoals vochtgehalte, vetgehalte en eiwitgehalte. Doordat NIRS vrijwel geen monstervoorbereiding vereist en metingen binnen seconden oplevert, is de techniek wijdverspreid in de voedingsmiddelenindustrie, de farmaceutische productie, de landbouw en steeds vaker in online procescontrole.
Bij een NIR-meting wordt een monster belicht met nabij-infrarood licht, waarna wordt geregistreerd hoeveel licht bij elke golflengte wordt teruggekaatst (reflectie) of doorgelaten (transmissie). Chemische bindingen met een waterstofatoom — vooral C-H, O-H en N-H — absorberen een deel van dit licht op specifieke golflengten. Het resultaat is een ruwspectrum dat de basis vormt voor verdere analyse. Anders dan bij FTIR-spectroscopie, waar fundamentele vibraties scherpe, goed te onderscheiden banden geven, zijn NIR-banden breed en overlappen ze sterk. Een NIR-meting levert daardoor zelden direct afleesbare informatie op; vrijwel altijd is een wiskundig kalibratiemodel nodig om het spectrum te vertalen naar een bruikbare waarde zoals een concentratie of percentage.
De fundamentele vibratiefrequenties van moleculaire bindingen liggen in het mid-infraroodgebied (2500–25.000 nm, ofwel 4000–400 per cm), het gebied dat FTIR meet. In het NIR-gebied worden geen fundamentele vibraties gemeten, maar de boventonen daarvan: zwakkere absorpties bij een veelvoud van de fundamentele frequentie, en combinatiebanden die ontstaan uit de optelling van twee of meer vibraties. Deze boventonen zijn intrinsiek zwakker en breder dan fundamentele banden, wat verklaart waarom NIR-spectra weinig scherpe, goed gescheiden pieken tonen. Het voordeel is dat NIR-licht dieper in een monster doordringt dan mid-infrarood licht: afhankelijk van het materiaal kan de penetratiediepte enkele millimeters tot centimeters bedragen. Dit maakt metingen mogelijk door verpakkingsmateriaal of dunne lagen textiel heen, mits die materialen NIR-transparant zijn; in de industriële praktijk wordt dit benut voor identiteitscontrole van grondstoffen in gesloten zakken of inspecties van poedermengsels in doorzichtige folie zonder de verpakking te openen.
NIR-instrumenten meten op twee manieren. Bij diffuse reflectie wordt het licht dat van het monsteroppervlak terugkaatst geregistreerd; deze opstelling is geschikt voor poeders, korrels en ondoorzichtige vaste stoffen en wordt veel gebruikt in graananalyse en farmaceutische tabletcontrole. Bij transmissie gaat het licht door het monster heen, wat geschikt is voor vloeistoffen en dunne, homogene materialen. Een tussenvorm, transflectie, combineert beide principes met een reflecterend element achter het monster.
Omdat NIR-banden breed overlappen, kan een concentratie niet worden afgelezen zoals bij een scherpe absorptiepiek. In plaats daarvan wordt een chemometrisch kalibratiemodel opgebouwd: een set referentiemonsters met bekende waarden (bijvoorbeeld vochtgehalte, bepaald via een referentiemethode) wordt gescand, waarna multivariate statistiek een wiskundig verband legt tussen het spectrum en de eigenschap van belang. De meest gebruikte methode daarvoor is PLS-regressie (partial least squares), een techniek die de variatie in het spectrum zo efficiënt mogelijk koppelt aan de variatie in de te voorspellen eigenschap. Een alternatief is PCA (principale-componentenanalyse), dat vooral wordt ingezet voor exploratief werk en identificatievraagstukken. Eenmaal gevalideerd, voorspelt het model de eigenschap van nieuwe monsters binnen seconden. Het opbouwen van een betrouwbare kalibratieset vergt doorgaans tientallen tot honderden representatieve referentiemonsters en bijbehorende referentieanalyses; dat is een eenmalige investering, maar wel een die zorgvuldig moet worden gedaan. De kwaliteit van een NIR-toepassing staat of valt met de kwaliteit en representativiteit van deze kalibratieset.
Het onderscheid tussen NIR en Raman komt ook aan bod in het kennisbankartikel over Raman-spectroscopie: beide technieken zijn complementair, waarbij NIR sterker is in snelle kwantitatieve analyse na kalibratie en Raman sterker in kwalitatieve identificatie en structuurbepaling.
NIRS is vooral geschikt voor de kwantitatieve bepaling van componenten die waterstofbindingen bevatten, in combinatie met een gevalideerd kalibratiemodel:
De meest gebruikte lichtbron is een wolfraam-halogeenlamp, die een continu spectrum levert dat het volledige NIR-gebied bestrijkt. Voor specifieke, vaste golflengten worden ook LED's ingezet, vooral in compacte en draagbare instrumenten.
Net als bij UV/Vis-spectrofotometrie wordt onderscheid gemaakt tussen instrumenten met een dispersief element (rooster) en instrumenten met een interferometer naar Fourier-transform-principe (FT-NIR), vergelijkbaar met de Michelson-interferometer die in FTIR wordt toegepast. FT-NIR-instrumenten bieden doorgaans een hogere golfgetalnauwkeurigheid en signaal-ruisverhouding.
Voor het NIR-gebied worden InGaAs-detectoren (indium-galliumarsenide) of PbS-detectoren (loodsulfide) gebruikt. InGaAs-detectoren hebben doorgaans een betere gevoeligheid in het kortere NIR-golflengtegebied (tot circa 1700 nm), terwijl PbS-detectoren een breder bereik tot 2500 nm bestrijken.
NIR staat voor near-infrared, in het Nederlands nabij-infrarood. Infrarood (IR) is de overkoepelende term voor elektromagnetische straling met een golflengte tussen ongeveer 780 nm en 1 mm, en wordt onderverdeeld in drie subgebieden: near-infrarood (NIR, 780–2500 nm), mid-infrarood (2500–25.000 nm) en far-infrarood (25–1000 µm). NIR is dus geen aparte stralingsvorm, maar het kortste en energierijkste deel van het infraroodspectrum. In de praktijk verwijst "infrarood" zonder nadere specificatie meestal naar het mid-infraroodgebied, het domein van FTIR-spectroscopie.
NIR en Raman zijn beide snelle, niet-destructieve technieken die geen of minimale monstervoorbereiding vereisen, maar ze werken op fundamenteel verschillende fysische principes. NIR meet de absorptie van licht door boventonen van moleculaire bindingen en is daardoor het sterkst in kwantitatieve analyse van H-houdende componenten — mits een kalibratiemodel beschikbaar is. Raman meet de inelastische verstrooiing van licht, waarbij de golfgetalverschuiving informatie geeft over de molecuulstructuur. Raman-spectra zijn scherper en meer informatief voor identificatie en structuurbepaling, ook in waterige oplossingen (water geeft bij Raman een zwak signaal, terwijl het bij NIR juist dominant aanwezig is). NIR is praktisch onmisbaar waar snelle, routinematige kwantificering met een vastgesteld model de prioriteit heeft; Raman verdient de voorkeur bij identificatievraagstukken, polymorfiebepaling en monsters in waterig milieu. De vergelijking van beide technieken staat ook samengevat in de tabel hierboven.
FT-IR (Fourier-transform infraroodspectroscopie) en FT-NIR (Fourier-transform nabij-infraroodspectroscopie) delen hetzelfde instrumentele principe: beide gebruiken een Michelson-interferometer om een interferogram te registreren dat via een Fouriertransformatie wordt omgezet naar een spectrum. Het verschil zit in het golflengtegebied en de bijbehorende toepassingen. FT-IR werkt in het mid-infraroodgebied (2500–25.000 nm) en meet fundamentele moleculaire vibraties; het levert scherpe, goed te onderscheiden banden die geschikt zijn voor structuuropheldering en identiteitsbevestiging. FT-NIR werkt in het nabij-infraroodgebied (780–2500 nm) en meet boventonen en combinatiebanden; het heeft een hogere golfgetalnauwkeurigheid dan dispersieve NIR-instrumenten en is daarmee geschikt voor nauwkeurige kwantitatieve analyse en methodeoverdracht tussen laboratoria. Praktisch gezien is FT-NIR de instrumentkeuze wanneer precisie en reproduceerbaarheid van het grootste belang zijn, terwijl compacte dispersieve NIR-instrumenten voldoende zijn voor routinematige procesbewaking.
De nauwkeurigheid van een NIR-meting is niet absoluut vast te stellen: ze hangt volledig af van de kwaliteit van het onderliggende kalibratiemodel en de variabiliteit van de te meten matrix. In goed gekalibreerde toepassingen, zoals vochtbepaling in graan of eiwitbepaling in zuivel, worden herhaalbaarheidswaarden behaald die vergelijkbaar zijn met die van traditionele referentiemethoden. Een gangbare maatstaf is de RMSEP (root mean square error of prediction): hoe lager, hoe dichter de NIR-voorspelling bij de referentiewaarde ligt. Praktisch betekent dit dat NIR bij routinematige kwantitatieve bepalingen een relatieve fout van enkele tienden van een procent kan halen, mits de kalibratieset representatief is en het instrument regelmatig wordt gecontroleerd. Voor spooranalyse beneden 0,1 procent is NIR doorgaans niet geschikt; daarvoor zijn technieken als chromatografie of atomaire absorptiespectrometrie aangewezen.
In procescontrole worden drie meetposities voor NIR onderscheiden. Bij inline NIR bevindt de meetkop zich direct in de processtroom of het mengvat, zodat het monster niet hoeft te worden verplaatst; dit levert de snelste terugkoppeling maar stelt hoge eisen aan de robuustheid van het instrument. Bij online NIR wordt een deelstroom van het proces via een bypass langs de meetkop geleid, waarna het monster terugkeert naar het proces; dit biedt meer flexibiliteit in de meetopstelling. Bij at-line NIR wordt een klein monstervolume handmatig of automatisch uit het proces genomen en vlakbij de productielijn gemeten; de terugkoppeling is iets trager maar de meetcondities zijn beter beheersbaar. Alle drie de vormen onderscheiden zich van laboratoriummetingen doordat ze continue of frequente bewaking mogelijk maken zonder dat productie moet worden stilgelegd.
De farmaceutische industrie behoort tot de grootste gebruikers van NIR-spectroscopie, mede doordat de techniek aansluit bij de Process Analytical Technology (PAT)-filosofie die door regulatoire instanties wordt gestimuleerd. Typische toepassingen omvatten de identiteitscontrole van inkomende grondstoffen zonder de verpakking te openen, de bewaking van menghomogeniteit tijdens de productie van poedermengsels en tabletten, en de bepaling van vochtgehalte en deeltjesgroottedistributie in granulaten. Omdat NIR niet-destructief is en resultaten binnen seconden oplevert, is de techniek ook geschikt voor honderd-procentsinspectie van eindproducten, waarbij elk tablet of elke capsule afzonderlijk wordt gemeten. Het gebruik van NIR als identificatiemiddel voor grondstoffen is vastgelegd in farmacopeerichtlijnen, waaronder de Europese Farmacopee, die voorschriften bevat voor het opstellen en valideren van NIR-kalibratiemodellen.
Een golflengte van 850 nm valt in het begin van het NIR-gebied (780–2500 nm). Deze golflengte wordt veel toegepast in NIR-LED's en sensoren, onder meer in pulsoximetrie en optische sensortechniek, omdat weefsel en veel materialen bij 850 nm relatief goed doorlaatbaar zijn voor licht terwijl de absorptie nog meetbaar blijft.
De lichtintensiteit die in laboratorium- en procesinstrumenten voor NIRS wordt gebruikt, is doorgaans laag genoeg om geen direct gevaar te vormen bij normaal gebruik. Net als bij elke lichtbron geldt wel dat direct en langdurig in de bundel kijken vermeden moet worden, vooral bij instrumenten met een laser als lichtbron. Raadpleeg voor de specifieke veiligheidsclassificatie altijd de documentatie van de fabrikant en de apparatuur.
Hoewel beide technieken in de neurologie en cognitieve wetenschap worden toegepast, meten ze fundamenteel andere signalen. NIRS (in deze context ook functionele NIRS of fNIRS genoemd) meet veranderingen in lichtabsorptie die samenhangen met de zuurstofverzadiging van bloed in onderliggend weefsel, en geeft daarmee een indirecte maat voor hersenactiviteit via veranderingen in doorbloeding. EEG meet rechtstreeks de elektrische activiteit van hersencellen via elektroden op de hoofdhuid. NIRS heeft een trager tijdsverloop dan EEG maar een betere ruimtelijke informatie over diepere weefsellagen; de twee technieken worden in onderzoek soms gecombineerd. Dit toepassingsgebied van NIRS in de neurologie is wezenlijk anders dan de analytisch-chemische NIRS die in dit artikel centraal staat, en valt buiten het laboratoriumassortiment van Labvakhandel.
De prijs van NIR-instrumentatie varieert sterk met het type: compacte handheld-scanners voor identiteitscontrole zijn aanzienlijk goedkoper dan laboratoriuminstrumenten met hoge golfgetalnauwkeurigheid, en online procesinstrumenten voor continue monitoring vormen doorgaans de hoogste investering. Neem contact op voor advies bij de keuze van apparatuur passend bij uw toepassing.
Voor structuuropheldering en identiteitsbevestiging via fundamentele molecuulvibraties is FTIR-spectroscopie de aangewezen complementaire techniek. Voor kwalitatieve identificatie via inelastische lichtverstrooiing, ook geschikt voor waterige monsters, zie Raman-spectroscopie. Voor kwantitatieve bepalingen op basis van lichtabsorptie in het ultraviolette en zichtbare gebied biedt UV/Vis-spectrofotometrie een vergelijkbaar kwantitatief principe, maar dan voor chromoforen in oplossing. Voor de bepaling van vochtgehalte via referentiemethoden waarmee NIR-kalibraties worden gevalideerd, zie vochtbepaling in het laboratorium. Voor de bredere context van methodevalidatie waarbinnen NIR-kalibratiemodellen worden onderbouwd, zie validatie van analytische methoden (ICH Q2). Voor de morfologische en mechanische karakterisering van vaste materialen op nanometerschaal — complementair aan de bulk-chemische informatie van NIRS — wordt atomaire krachtsmicroscopie (AFM) ingezet.
Voor NIR-metingen vindt u bij Labvakhandel spectrometers en cuvetten voor transmissiemetingen.
Voor puntsgewijze chemische identificatie op deeltjes of dwarsdoorsnedes wordt NIR gekoppeld aan een microscoop, vergelijkbaar met de FTIR- en Raman-varianten die worden beschreven in het kennisbankartikel over microspectroscopie.
Onderdeel van: Voedingslaboratorium
Disclaimer: De informatie in dit artikel is bedoeld als algemene technische toelichting. Canidae Seal B.V. / Labvakhandel.nl aanvaardt geen aansprakelijkheid voor de toepassing van deze informatie in specifieke analytische, klinische of industriële situaties. Raadpleeg voor uw eigen toepassing altijd de geldende normen, vakliteratuur en de documentatie van fabrikant en apparatuur.
Inloggen
Wachtwoord vergeten
Account aanmaken
Uw winkelwagen is leeg.
