Nahinfrarotspektroskopie

Nahinfrarotspektroskopie, NIRS abgekürzt, ist eine chemische Analysentechnik auf Basis der Spektroskopie im Bereich des kurzwelligen Infrarotlichts. Sie ist mit der IR-Spektroskopie verwandt, hat aber ihre eigenen Stärken.

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Prinzip

Mit Hilfe von Infrarotstrahlung werden kovalente Molekülbindungen in (zumeist) organischen Verbindungen angeregt. Die Detektion findet im nahen Infrarot (760–2500 nm) statt. Dort kommt es zu Oberton- bzw. Kombinationsschwingungen der Grundschwingung im mittleren Infrarot. Es gilt das Lambert-Beersche Gesetz.

Die Oberton- und Kombinationsbanden werden bei der Analyse von Proben nicht direkt interpretiert, sondern mit Hilfe von statistischen Verfahren ausgewertet. Für quantitative Bestimmungen werden vorher Datensätze mit bekanntem Gehalt des interessierenden Stoffes erstellt.

Vorteile gegenüber der IR-Spektroskopie

• Auf Grund der höheren Energie des nahinfraroten Lichts im Vergleich zum mittleren Infrarot und der geringeren Absorptionskoeffizienten gibt es eine größere Eindringtiefe und damit eine einfachere Handhabung (größere Schichtdicken: Millimeter statt Mikrometer)
• Vereinfachte Probenvorbereitung (Messung an nativen Proben, keine vorgeschaltete Extraktion)
• Wiederverwendbarkeit des eingesetzten Materials
• Einfachere Geräte durch die Verwendung von Quarzglas oder Saphir (einkristallines Al₂O₃)
• Messungen im Reaktor durch Verwendung von Lichtleitertechnologie
• Bei Transmissions- bzw. Absorbanz-Messungen im Reaktor, Pipeline oder Tank wenig anfällig bei Verschmutzungen
• Einfache Messung in diffuser Reflexion ist möglich

Nachteile gegenüber der IR-Spektroskopie

• Die Absorptionsbanden im nahen Infrarot sind viel breiter als im mittleren IR
• Die Absorptionsbanden überlappen sich dadurch
• Wasser ist ein sehr starker Absorber im nahen Infrarot
• Verwendung chemometrischer Verfahren notwendig (Chemometrie), ausgenommen bei einfachen Messungen

Anwendung

NIRS ist ein nahezu ideales Verfahren zur Bestimmung des Wassergehaltes in allerlei Produkten.

Das Verfahren findet Anwendung bei Qualitätsanalysen landwirtschaftlicher Produkte (Getreide, Milch, Ölfrüchte) und Futtermittel zur Bestimmung von Feuchte (OH-Gruppe), Proteine (Eiweiß,NH₂-Gruppe), Rohfasern (Faser, CH-Bindung und andere), Carboxylgruppen (COOH) in Kunststoffen und Fettgehalt (CH-Bindung).

Heute ist es verbreitet in der Prozesskontrolle in der Ernährungsindustrie, chemischen, pharmazeutischen und Petrochemie.

Seit 25 Jahren wird die Nahinfrarotspektroskopie in den Neurowissenschaften als bildgebendes Verfahren zur Messung der Aktivität des Gehirns angewandt. Dabei werden dynamische Änderungen des Sauerstoffgehaltes des Blutes durch die Schädeldecke hindurch gemessen. Hieraus können aufgrund des Prinzips der neurovaskulären Kopplung Rückschlüsse auf umschriebene Aktivierungen in der Großhirnrinde abgeleitet werden. Mit diesem Verfahren lässt sich auch ein optisches Brain-Computer Interface realisieren.

Literatur

• F.F. Jobsis: Noninvasive infrared monitoring of cerebral and myocardial sufficiency and circulatory parameters. In: Science. Nr. 198, 1977, S. 1264.
• A. Villringer, et al.: Non-invasive optical spectroscopy and imaging of human brain function. In: Trends in Neuroscience. Nr. 20, 1997, S. 435-442