Near-infrared spectroscopy: Comparison of techniques

Význam tématu

Near-infrared spektroskopie (NIRS) je klíčová analytická technika pro rychlou identifikaci surovin a kvantifikaci složek v různých odvětvích – od potravinářství po farmaceutický výzkum. Porovnání predispersních (monochromátorových) a Fourierových transformních přístrojů pomáhá uživatelům vybrat vhodný přístroj podle technických požadavků a aplikačního zaměření.

Cíle a přehled studie / článku

Cílem white paperu Metrohm je objasnit principy a technické rozdíly mezi dispersními a FT-NIR spektrometry, porovnat jejich parametry (vlnový rozsah, rozlišení, přesnost, rychlost akvizice, poměr signál/šum) a ukázat dopady těchto odlišností na reálné aplikace.

Použitá metodika a instrumentace

Studie porovnává dvě základní koncepce NIR spektrometrie:

• Dispersní spektrometry: zdroj polychromatického světla, difrakční mřížka, řízená motorovým enkodérem, výstupní štěrbina, detektor InGaAs nebo Si.
• FT-NIR spektrometry: Michelsonův interferometr s děličem svazku, pevnou a pohyblivou zrcadlovou větví, referenční laser pro určení posunu, detektor InGaAs.
• Konkrétní přístroje: Metrohm NIRS XDS a DS2500 (predispersní), komerční FT-NIR systémy.

Hlavní výsledky a diskuse

Porovnání ukázalo:

• Vlnový rozsah: dispersní přístroje 400–2500 nm (vis + NIR), FT-NIR 800–2500 nm.
• Rozlišení: predispersní fixní (~8,75 nm), FT volitelné (1–64 cm⁻¹) za cenu vyššího šumu.
• Přesnost vlnové délky: dispersní ~0,005 nm, FT ~0,05–0,2 nm.
• Poměr signál/šum: dispersní systémy vykazují 2–60× lepší S/N v celém rozsahu 400–2500 nm.
• Rychlost akvizice: obě technologie zvládají ~1 scan/s.
• Robustnost a údržba: dispersní přístroje nevyžadují desikanty ani složité phase-corrections, lépe odolávají vibracím a nepřetržitému provozu.

Přínosy a praktické využití metody

• Predispersní spektrometry jsou ideální pro offline a on-line aplikace vyžadující vysoký S/N, opakovatelnost a nízkou údržbu.
• FT-NIR přístroje excelují v aplikacích v mid-IR oblasti, ale v NIR nenabízí zásadní výhodu oproti dispersním řešením.
• Predispersní systémy podporují rychlý přenos kalibračních modelů mezi přístroji díky reprodukovatelnému rozlišení a stabilní fotometrické odpovědi.

Budoucí trendy a možnosti využití

Očekávají se další pokroky v oblasti detektorů s nižším šumem, miniaturizace přenosných NIR spektrometrů, automatizovaných inline měření a vývoje pokročilých chemometrických algoritmů pro robustnější kvantifikaci i ve vysoce heterogenních vzorcích.

Závěr

Volba mezi predispersními a FT-NIR spektrometry závisí na konkrétní aplikaci: požadavcích na vlnový rozsah, rozlišení, S/N, rychlost i provozní podmínky. Pro standardní NIR analýzu s vysokým S/N a nízkou údržbou jsou predispersní přístroje často výhodnější.

Reference

• Bertrand D., La spectroscopie infrarouge et ses applications analytiques, Tec&Doc, 2000.
• Shaw R. A., Mantsch H. H., Near-IR Spectrometers, in Encyclopedia of Spectroscopy and Spectrometry, Academic Press, 1999.
• Meyer T. et al., Suppression of mechanical noise and the selection of optimal resolution in FT-NIR spectroscopy, NIR News, 2006.
• Kolomiets O. et al., Influence of spectral resolution on quantitative NIR analysis of solid drugs, Journal of Near Infrared Spectroscopy, 2004.
• FOSS, NIR Spectrometer Technology Comparison, 2013.
• Ciurczak E. et al., Examination of NIR Spectrometers: Dispersive vs. Interferometric Types, American Pharmaceutical Review, 2008.
• Voigtman E., The Multiplex Disadvantage and Excess Low-Frequency Noise, Applied Spectroscopy, 1987.
• Grandmont F., Développement d'un spectromètre imageur à transformée de Fourier pour l'astronomie, Université Laval, 2006.
• Reeves J. B. I., Zapf C. M., Discriminant analysis of food ingredients by NIR reflectance spectroscopy, Journal of Near Infrared Spectroscopy, 1997.
• Cozzolino D. et al., Visible and NIR reflectance spectroscopy to predict color in pork muscle, LWT - Food Science and Technology, 2003.
• Armstrong P. R. et al., Comparison of Dispersive and FT-NIR Instruments for Grain and Flour Attributes, Applied Engineering in Agriculture, 2006.
• Kazeminy A. et al., Near-IR method development on different spectrophotometers, Journal of Near Infrared Spectroscopy, 2009.
• Mouazen A., NIR spectroscopy for agricultural materials: instrument comparison, Journal of Near Infrared Spectroscopy, 2005.
• Chalus P. et al., Comparaison de spectromètres proche infrarouge pour la détermination de principes actifs, Spectra Analyse, 2005.