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, waardoor metingen door verpakkingsmateriaal of in dikkere lagen mogelijk zijn.
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 — meestal PLS-regressie (partial least squares) of soms PCA (principale-componentenanalyse) — een wiskundig verband legt tussen het spectrum en de eigenschap van belang. Eenmaal gevalideerd, voorspelt het model de eigenschap van nieuwe monsters binnen seconden. 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.
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.
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).
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.
