Nahinfrarot-Spektroskopie (NIR) Know-how:
Ein umfassender Leitfaden zu Wellenlängenbereichen und Anwendungen

Einleitung

Die Nahin­fra­rot-Spek­­tro­s­ko­pie (NIR) ist ein leis­tungs­star­kes und viel­sei­ti­ges Ana­ly­se­werk­zeug, das in ver­schie­de­nen Bran­chen zur Ana­ly­se der Mate­ri­al­zu­sam­men­set­zung ein­ge­setzt wird. Mit einem Spek­tral­be­reich von etwa 700 nm bis 2500 nm bie­tet die NIR-Spek­­tro­s­ko­pie schnel­le, zer­stö­rungs­freie und hoch­prä­zi­se Mes­sun­gen. Dies macht sie unver­zicht­bar in Anwen­dun­gen wie dem Kunst­stoff­re­cy­cling, der Lebens­mit­tel­qua­li­täts­kon­trol­le, der phar­ma­zeu­ti­schen Pro­duk­ti­on und der land­wirt­schaft­li­chen Überwachung. 

Die­ser Leit­fa­den beleuch­tet die Grund­la­gen der NIR-Tech­­no­­lo­­gie, zeigt ihre Anwen­dun­gen in ver­schie­de­nen Bran­chen auf und bie­tet einen Rah­men für die Aus­wahl des geeig­ne­ten Spek­tro­me­ters für spe­zi­fi­sche Aufgaben.

Grundlagen der NIR-Spektroskopie

Die Wissenschaft hinter NIR

Die NIR-Spek­­tro­s­ko­pie basiert auf der Absorp­ti­on von Nahin­fra­rot­licht durch mole­ku­la­re Bin­dun­gen wie O-H, N-H und C-H. Wenn NIR-Licht mit einem Mate­ri­al inter­agiert, wer­den spe­zi­fi­sche Wel­len­län­gen je nach mole­ku­la­rer Zusam­men­set­zung absor­biert, wäh­rend ande­re reflek­tiert oder trans­mit­tiert wer­den. Die resul­tie­ren­den Spek­tral­da­ten reprä­sen­tie­ren den ein­zig­ar­ti­gen „„Fin­ger­ab­druck““ des Mate­ri­als, der ana­ly­siert wer­den kann, um sei­ne Zusam­men­set­zung zu bestimmen. 

Zu den Haupt­merk­ma­len der NIR gehören:

  • Geschwin­dig­keit: Echt­zeit­mes­sun­gen ermög­li­chen schnel­le Entscheidungsfindungen.
  • Zer­stö­rungs­freie Ana­ly­se: Kei­ne Pro­ben­vor­be­rei­tung oder -ver­än­de­rung erforderlich.
  • Por­ta­bi­li­tät: Moder­ne Spek­tro­me­ter sind kom­pakt und für Feld­an­wen­dun­gen geeignet.

Wellenlängenbereiche und ihre Anwendungen

NIR ope­riert in ver­schie­de­nen Spek­tral­be­rei­chen, die jeweils für spe­zi­fi­sche ana­ly­ti­sche Auf­ga­ben geeig­net sind:

  1. 900 nm - 1700 nm: Ide­al für die Erken­nung von Feuch­tig­keit, die Unter­schei­dung orga­ni­scher Ver­bin­dun­gen und die grund­le­gen­de Materialidentifikation.
  2. 1350 nm - 2150 nm: Effek­tiv für die Dif­fe­ren­zie­rung von Kunst­stof­fen und mole­ku­la­re Spe­zi­fi­tät in kom­ple­xen Materialien.
  3. 1600 nm - 2400 nm: Geeig­net für fort­ge­schrit­te­ne Mate­ri­al­cha­rak­te­ri­sie­rung, ein­schließ­lich Hoch­leis­tungs­po­ly­me­re und phar­ma­zeu­ti­sche Inhaltsstoffe.
Elektromagnetisches Spektrum. Hervorhebung des NIR-Bereichs

Externe Ressourcen

Für eine wei­ter­ge­hen­de Erfor­schung der NIR-Spek­­tro­s­ko­pie und ihrer Anwen­dun­gen emp­feh­len sich fol­gen­de Ressourcen:

Anwendungen in verschiedenen Branchen

Kunststoffrecycling

Die NIR-Spek­­tro­s­ko­pie hat das Kunst­stoff­re­cy­cling revo­lu­tio­niert, indem sie eine genaue und effi­zi­en­te Mate­ri­al­i­den­ti­fi­ka­ti­on und -sor­tie­rung ermög­licht. Jeder Poly­mer­typ weist ein­zig­ar­ti­ge spek­tra­le Eigen­schaf­ten auf, was NIR zu einem unver­zicht­ba­ren Werk­zeug macht für: 

  • Iden­ti­fi­zie­rung von PA6 vs. PA66 (Nylon)
    • Opti­ma­ler Bereich: 1350 nm - 2150 nm
    • Begrün­dung: Bei­de sind Poly­ami­de, die in Fasern ver­wen­det wer­den, unter­schei­den sich aber in ihren Schmelz­punk­ten und mole­ku­la­ren Struk­tu­ren, was NIR detek­tie­ren kann.
    • Anwen­dungs­fall: Gewähr­leis­tet die Mate­ri­al­qua­li­tät in der Her­stel­lung für Auto­­mo­­bil- und Textilanwendungen.
  • Feuch­tig­keits­ge­halt in Kunststoffen
    • Opti­ma­ler Bereich: 900 nm - 1700 nm
    • Begrün­dung: NIR kann den Was­ser­ge­halt genau mes­sen, was ent­schei­dend ist für die Sicher­stel­lung der Inte­gri­tät von Kunst­stof­fen, die im 3D-Druck und ande­ren Prä­zi­si­ons­form­ver­fah­ren ver­wen­det werden.
    • Anwen­dungs­fall: Jüngs­te Stu­di­en zei­gen, wie NIR-Spek­­tro­­me­­ter defek­te 3D-Fila­­men­­te redu­zie­ren, indem sie den Feuch­tig­keits­ge­halt in Echt­zeit überwachen.
  • Unter­schei­dung von PMMA (Acryl) vs. PC (Poly­car­bo­nat)
    • Opti­ma­ler Bereich: 1600 nm - 2400 nm
    • Begrün­dung: PMMA und PC wer­den häu­fig in der Optik und für medi­zi­ni­sche Gerä­te ver­wen­det, ihre ther­mi­schen Eigen­schaf­ten unter­schei­den sich jedoch erheb­lich. NIR hilft, sie effi­zi­ent zu unterscheiden. 
    • Anwen­dungs­fall: Gewähr­leis­tet prä­zi­se Sor­tie­rung in Recy­cling­an­la­gen für höhe­re Aus­beu­te und Qualität.
  • Erken­nung des TiO2-Gehalts in Kunststoffen
    • Opti­ma­ler Bereich: 1600 nm - 2400 nm
    • Begrün­dung: TiO2 ist ein häu­fi­ger Füll­stoff in Kunst­stof­fen und Beschich­tun­gen. NIR kann des­sen Kon­zen­tra­ti­on beur­tei­len, die die Opa­zi­tät und Halt­bar­keit des Mate­ri­als beeinflusst. 
    • Anwen­dungs­fall: Weit­ver­brei­tet in der Qua­li­täts­kon­trol­le für Verpackungsmaterialien.

Ein­schrän­kun­gen beim Kunststoffrecycling

While NIR is effec­ti­ve for most pla­s­tics, it strug­gles to ana­ly­ze car­bon black-fil­­led pla­s­tics due to the absorp­ti­on cha­rac­te­ristics of the black pig­ment. This remains a signi­fi­cant chall­enge in the recy­cling indus­try, but emer­ging tech­no­lo­gies are working toward solu­ti­ons.

Food and Agriculture

Food & Agri­cul­tu­re: Moni­to­ring Qua­li­ty & Fresh­ness with NIR

NIR spec­tro­me­ters are used exten­si­ve­ly in the food and agri­cul­tu­ral sec­tors to moni­tor qua­li­ty para­me­ters like sugar con­tent, mois­tu­re levels, and ripen­ess, ensu­ring pro­duct con­sis­ten­cy and safety.

Com­mon Tasks & Best Wave­length Ranges:

  • Mea­su­ring Sugar Con­tent in Apples
    • Best Ran­ge: 900 nm - 1700 nm
    • Reason: This ran­ge cap­tures the vibra­tio­nal over­to­ne of sug­ars, enab­ling fast and accu­ra­te assessments.
    • Use Case: A recent bache­lor the­sis demons­tra­ted how our NIR spec­tro­me­ters accu­ra­te­ly mea­su­red sugar con­tent, ensu­ring opti­mal har­ve­s­t­ing time.
  • Ripen­ess of Strawberries
    • Best Ran­ge: 900 nm - 1700 nm
    • Reason: NIR can non-inva­­si­­ve­­ly moni­tor antho­cyanins and other com­pounds respon­si­ble for color and ripeness.
    • Use Case: Enables far­mers and sup­pli­ers to opti­mi­ze sto­rage and trans­port con­di­ti­ons, redu­cing spoilage.
  • Mois­tu­re Con­tent in Grains
    • Best Ran­ge: 900 nm - 1700 nm
    • Reason: Water mole­cu­les have strong absorp­ti­on peaks in this ran­ge, making it ide­al for rapid mois­tu­re ana­ly­sis in grains like wheat and corn.
    • Use Case: Ensu­res that grains meet regu­la­to­ry stan­dards for dry­ness, avo­i­ding spoi­la­ge and myco­to­xin formation.

Pharmaceuticals

The phar­maceu­ti­cal indus­try reli­es hea­vi­ly on NIR tech­no­lo­gy for in-line qua­li­ty con­trol during pro­duc­tion, ensu­ring that tablets and pow­ders meet the requi­red specifications.

Com­mon Tasks & Best Wave­length Ranges:

  • Acti­ve Phar­maceu­ti­cal Ingre­di­ent (API) Concentration
    • Best Ran­ge: 1350 nm - 2150 nm
    • Reason: NIR is used to assess API con­tent in both solid and liquid for­mu­la­ti­ons, ensu­ring uni­for­mi­ty and dosa­ge accuracy.
    • Use Case: Real-time moni­to­ring during tablet pro­duc­tion pre­vents cos­t­ly batch rejections.
  • Mois­tu­re Con­tent in Powders
    • Best Ran­ge: 900 nm - 1700 nm
    • Reason: Ensu­ring pro­per mois­tu­re con­tent is cri­ti­cal to pre­vent degra­da­ti­on or uneven mixing in powders.
    • Use Case: Phar­maceu­ti­cal com­pa­nies use NIR to main­tain pro­duct sta­bi­li­ty and shelf life.

Auswahl des richtigen NIR-Spektrometers

Die Wahl des geeig­ne­ten Spek­tro­me­ters erfor­dert die Bewer­tung Ihrer spe­zi­fi­schen Anwen­dungs­an­for­de­run­gen. Berück­sich­ti­gen Sie die fol­gen­den Faktoren: 

Schlüsselparameter

  1. Wel­len­län­gen­be­reich: Stim­men Sie den Bereich auf Ihre ana­ly­ti­schen Bedürf­nis­se ab (z.B. Feuch­tig­keits­er­ken­nung vs. Polymeranalyse).
  2. Auf­lö­sung: Stel­len Sie sicher, dass das Gerät sub­ti­le spek­tra­le Unter­schie­de unter­schei­den kann.
  3. Benut­zer­freund­lich­keit: Ach­ten Sie auf intui­ti­ve Soft­ware und vor­kon­fi­gu­rier­te Biblio­the­ken für spe­zi­fi­sche Anwendungen.

Unser Portfolio - Überblick

  • tri­na­miX
    • Trag­ba­re Gerä­te mit inte­grier­ten Materialbibliotheken.
    • Ide­al für Kunst­stoff­re­cy­cling und Feldanwendungen.
  • Inno Spec­tra
    • Fort­schritt­li­che DLP-Sen­­sor­­tech­­no­­lo­­gie für Hochpräzisionsmessungen.
    • Geeig­net für indus­tri­el­le und Laboranwendungen.
  • Ave­nir Photonics
    • Hoch­mo­der­ne Spek­tro­me­ter mit einem brei­ten Wel­len­län­gen­be­reich (900 nm - 2100 nm).
    • Ent­wi­ckelt für anspruchs­vol­le For­­schungs- und Entwicklungsaufgaben.

Fazit

Near-Infrared Spec­tro­sco­py is an indis­pensable tech­no­lo­gy for indus­tries requi­ring rapid, accu­ra­te, and non-des­­truc­­ti­­ve mate­ri­al ana­ly­sis. Whe­ther you’re in pla­s­tics recy­cling, food pro­duc­tion, or phar­maceu­ti­cals, the right NIR spec­tro­me­ter can stream­li­ne ope­ra­ti­ons and impro­ve out­co­mes. Explo­re our com­pre­hen­si­ve port­fo­lio to find a solu­ti­on tail­o­red to your needs.

Cont­act us today to sche­du­le a demonstration.

Über uns – Solid Scanner

Las­sen Sie uns Ver­ant­wor­tung über­neh­men und mehr Kunst­stof­fe, Tex­ti­li­en, Tep­pi­che, Matrat­zen und Wei­te­res recy­celn – fra­gen Sie uns nach pas­sen­den Lösun­gen. Unser Port­fo­lio umfasst Lösun­gen von klei­nen, trag­ba­ren Lösun­gen bis hin zu indi­vi­du­el­len Lösun­gen, basie­rend auf hyper­spek­tra­len Kame­ra­sys­te­men zur ein­fa­chen, auto­ma­ti­sier­ten Iden­ti­fi­zie­rung von Kunst­stof­fen und im Sor­tier­pro­zess sowie zur Inline-Pro­­zes­s­­kon­­­trol­­le, z. B. für die Homogenität.

Über trinamiX – the sensor technology company

Unser Tech­no­lo­gie­part­ner tri­na­miX GmbH, mit Sitz in Lud­wigs­ha­fen, wur­de 2015 als hun­dert­pro­zen­ti­ge Toch­ter­ge­sell­schaft von BASF SE gegrün­det. Als Start-up inner­halb des Unter­neh­mens ist es nicht nur ope­ra­tiv unab­hän­gig, son­dern hat auch ein­zig­ar­ti­gen Zugang zum Fach­wis­sen und der Erfah­rung der gesam­ten BASF-Grup­­pe. Ihre zum Patent ange­mel­de­ten Tech­no­lo­gien ermög­li­chen es Men­schen und Maschi­nen, die ver­bor­ge­ne und unsicht­ba­re Welt um sie her­um zu erfas­sen, um bes­se­re Ent­schei­dun­gen zu tref­fen und die Sicher­heit zu erhöhen.