NIR vs. FT-NIR: Was ist der Unterschied – und warum er für die Inline-Prozesssteuerung wichtig ist

Warum sich die Frage nach der Bauart stellt

NIR-Analysatoren in der Lebensmittel- und Futtermittelindustrie, in der Milchwirtschaft sowie in Chemie- und Pharmabetrieben beruhen auf mehreren unterschiedlichen optischen Konzepten. Pasquinis Übersicht über NIR-Messtechnik gliedert sie in Filtergeräte, scannende Gittermonochromatoren, feste Gitter mit Photodiodenzeilen, akustooptisch abstimmbare Filter und Fourier-Transform-(FT-)Interferometer [1]. Labor-Tischspektrometer sind beim FT-Konzept zusammengelaufen, während Prozess- und tragbare Geräte nach wie vor die ganze Bandbreite der Prinzipien nutzen [2]. Es handelt sich um nebeneinander bestehende technische Lösungen mit unterschiedlichen Zielkonflikten, nicht um aufeinanderfolgende „Generationen“, und die Handbuchliteratur behandelt dispersive und FT-Geräte nebeneinander [10]. Für ein Inline-Projekt lautet die Frage daher nicht, welche Bauart besser ist, sondern welche Zielkonflikte für die jeweilige Messung zählen.

Wie jede Bauart ein Spektrum erzeugt

Ein scannender Gittermonochromator dreht ein Gitter so, dass jeweils ein schmales Wellenlängenband einen einzelnen Detektor erreicht. Er ist die kostengünstigste scannende Bauart, doch Pasquini nennt als Nachteile eine mangelnde Wellenlängenpräzision, die sich im Langzeitbetrieb verschlechtert, und bewegliche Teile, die den Einsatz in rauer Umgebung begrenzen [1]. Ein Diodenzeilengerät hält das Gitter fest und setzt eine lineare PbS- oder InGaAs-Zeile mit bis zu 256 Elementen in dessen Brennebene, sodass ein vollständiges Spektrum in wenigen Millisekunden ohne bewegliche Teile aufgenommen wird; deshalb wird diese Bauart für Feld- und Lkw-Analysatoren verwendet [1]. Beć et al. beschreiben dasselbe Mehrkanalprinzip als gleichzeitige Messung aller Wellenlängen ohne jedes Scannen, mit hoher mechanischer Widerstandsfähigkeit und kompakten Abmessungen [2].

Ein FT-NIR-Gerät schickt den gesamten breitbandigen Strahl durch ein Interferometer, zeichnet bei sich ändernder optischer Wegdifferenz ein Interferogramm auf und rekonstruiert das Spektrum durch Fourier-Transformation; Tischgeräte verwenden entweder ein Michelson- oder ein Polarisationsinterferometer [2]. Pasquini schreibt der FT-Bauart die beste Wellenlängengenauigkeit und -präzision unter den NIR-Bauarten zu, besser als 0,05 nm, eine Auflösung unter 1 nm und ein hohes Signal-Rausch-Verhältnis, merkt aber auch an, dass sie langsamer scannt als ein akustooptisches Filter und weniger robust ist, wenngleich vibrationstolerante Interferometerkonstruktionen existieren [1].

Durchsatz-, Multiplex- und Wellenlängenachsen-Vorteil — und ihre Grenzen

Für Interferometer werden drei klassische Vorteile beansprucht. Der Jacquinot-Vorteil (Durchsatz) geht auf Jacquinots Vergleich von 1954 zurück, der Prismen, Gitter und Fabry-Perot-Etalons bei gleichem Auflösungsvermögen und gleicher Größe gegenüberstellte und Interferenzgeräte als weit lichtstärker als Gitter auswies [4]. Ein Interferometer hat keine Ein- und Austrittsspalte, sodass bei gegebener Auflösung mehr Strahlung der Quelle den Detektor erreicht [1][3]. Griffiths und de Haseth weisen jedoch darauf hin, dass der tatsächlich realisierte Gewinn durch die Detektorgröße und durch die Optik zwischen Quelle, Probe und Detektor begrenzt wird [3]; bei einer Glasfasersonde oder einer Schnittstelle für diffuse Reflexion bestimmt oft die Probenoptik und nicht das Spektrometer den Durchsatz.

Der Fellgett-Vorteil (Multiplex) gilt nur unter Bedingungen. Ist die Messung durch Detektorrauschen begrenzt, verbessert die gleichzeitige Aufnahme aller Spektralelemente das Signal-Rausch-Verhältnis bei gleicher Messzeit gegenüber einem scannenden Einkanalgerät etwa um die Quadratwurzel der Zahl der Auflösungselemente; ist das Rauschen proportional zur Quadratwurzel des Signals (schrotrauschbegrenzt), verschwindet der Vorteil, und ist das Rauschen proportional zum Signal, wird Multiplexing zum Nachteil, weil das Rauschen starker Spektralbereiche auf schwache verteilt wird [3]. Welcher Fall vorliegt, hängt von Detektor, Quelle und Lichtpegel am Detektor ab und muss je Gerät untersucht werden. Der Vergleich betrifft zudem nur scannende Bauarten: Auch ein Diodenzeilengerät nimmt alle Wellenlängen gleichzeitig auf [2]; zwischen FT- und Zeilengeräten stellt sich das Multiplex-Argument daher nicht, und die Diskussion verlagert sich auf Durchsatz, Auflösung, Wellenlängenachse und Robustheit.

Der Wellenlängenachsen-Vorteil (Connes) ist der belastbarste der drei: Das Interferogramm wird an den Interferenzstreifen eines Referenzlasers abgetastet, sodass die Wellenzahlskala an die Laserwellenlänge gebunden ist [3]; Beć et al. nennen die präzise kontrollierte Wellenlängenachse zusammen mit dem Durchsatzgewinn als die wesentlichen Vorzüge des FT-Prinzips [2]. Eine Überprüfung wird dadurch nicht überflüssig. ASTM E1944 definiert Leistungsprüfungen der Stufen null und eins speziell für Labor-FT-NIR-Spektrometer [11], und das USP-Kapitel zu Theorie und Praxis der NIR behandelt sowohl FT-Geräte, die in Wellenzahlen ausgeben, als auch dispersive Geräte, die in Wellenlängen ausgeben [13].

Spektralbereich, Auflösung und was Vergleiche zeigen

Der Spektralbereich ist weitgehend eine Frage des Detektors und nicht der Bauart. Standard-InGaAs-Detektoren arbeiten am besten bei etwa 1000–1600 nm, während erweitertes InGaAs längere Wellenlängen erreicht, auf Kosten geringerer Empfindlichkeit und oft mit Kühlung [2]; die Kombinationsbanden liegen im Bereich 1600–2500 nm, und um ihn zu erreichen, werden PbS-Detektoren und -Zeilen verwendet [1]. Ein Zeilengerät mit PbS- oder erweiterter InGaAs-Zeile deckt daher den Kombinationsbereich ab, ein FT-Gerät mit Standard-InGaAs-Detektor dagegen nicht; die Behauptung, nur Interferometer könnten das langwellige NIR erreichen, wird von der messtechnischen Literatur nicht gestützt [1][2]. Auch die Auflösung hängt von der Anwendung ab: NIR-Spektren von Flüssigkeiten und Feststoffen werden von breiten Oberton- und Kombinationsbanden bestimmt [1], und die mit einem Interferometer erreichbare Subnanometer-Auflösung ist nur dort ein Vorteil, wo die Anwendung solche Details auflöst.

Direkte Vergleiche bestätigen das. Sinnaeve et al. analysierten unbehandelte Apfelsäfte mit einem dispersiven NIR-Gerät in Transmission, mit demselben Gerät in Transflexion, mit einem FT-NIR-Gerät mit faseroptischer Transmissionssonde und mit einem FT-MIR-Gerät und erzielten die besten Ergebnisse mit FT-MIR und mit dispersiver NIR-Transmission, während Transflexion und die FT-NIR-Konfiguration weniger genau waren [6]. Probenschnittstelle und Messmodus spielten mindestens eine ebenso große Rolle wie das Spektrometerprinzip. Workmans Übersicht zum Kalibriertransfer kommt zu einem verwandten Schluss: Mit einer Kalibrierung auf zwei Geräten identische Ergebnisse zu erhalten, gelingt Anwendern noch immer nicht, und die Ursachen liegen in der Reproduzierbarkeit der Geräte, den Referenzwerten, der Mathematik und der Probenpräsentation, nicht in einer Bauart allein [5]. Beć et al. nennen den genutzten Spektralbereich, die Wellenlängengenauigkeit, den Dynamikbereich, den Abstand zwischen Probe und Optik sowie das photometrische Verhalten des Detektors als die Geräteunterschiede, die ein übertragenes Modell am ehesten ungültig machen [2].

Was für den Inline-Einsatz zählt

Bei einer Inline-Installation sind die entscheidenden Fragen meist mechanischer und betrieblicher statt spektroskopischer Natur, und drei davon verdienen Beachtung, bevor eine Bauart gewählt wird:

• Bewegliche Teile, Vibration und Temperatur. Zeilengeräte haben keine beweglichen Teile und vertragen mechanische Belastung [1][2]; ein Michelson-Interferometer hat einen beweglichen Spiegel und ist auf vibrationstolerante Konstruktion angewiesen [1]. Miniaturisierte und MEMS-basierte Interferometer gibt es, doch Beć et al. zeigen, dass die Miniaturisierung Zielkonflikte mit sich bringt, die den Vorteil des FT-Prinzips verringern, und dass sich unter den kompakten Geräten keine einzelne Bauart als beste durchgesetzt hat [2][7][8].
• Die Probenschnittstelle. Sondentyp, Weglänge, Fenstermaterial und Messmodus prägen das Ergebnis ebenso stark wie das Spektrometer [6]; Faserstrecken und Optiken für diffuse Reflexion entscheiden zudem, wie viel eines Durchsatzvorteils erhalten bleibt [3].
• Validierung und Kalibriertransfer. ASTM D6122 legt fest, wie die Leistung von Online-, At-line- und Labor-Infrarotanalysatoren mit multivariaten Modellen validiert wird, von Geräteprüfungen über die Anwendbarkeit des Modells bis zur Übereinstimmung mit der Referenzmethode [12]; ob sich eine Laborkalibrierung auf das Inline-Gerät übertragen lässt, ist eine Frage des Kalibriertransfers, die sich bei jeder Bauart stellt [5].

Pasquinis Übersicht von 2018 beschreibt das Gebiet als ausgereifte Technik, deren neues Interesse aus innovativer, oft tragbarer Messtechnik und aus der Chemometrie stammt, und warnt zugleich vor dem Missbrauch der mathematischen Werkzeuge [9]; Crocombes Übersicht zur tragbaren Spektroskopie dokumentiert die Vielfalt der heute verfügbaren Spektrometermodule, von MEMS-Interferometern bis zu Bauarten mit digitalen Mikrospiegeln und linear variablen Filtern [7]. Praktisch bedeutet das: FT- und dispersive NIR haben jeweils Installationen, für die sie besser geeignet sind, und die Eignung wird durch Prüfung am tatsächlichen Prozessstrom ermittelt.

Wie USTECH die Wahl angeht

USTECH bietet beide Bauarten an und wählt je Anwendung aus. Der ProLine2550 ist ein Inline-FT-NIR-Analysator für Mischer, Reaktoren und Rohrleitungen; ProLine17EC und ProLine17ECS sind robuste Inline-NIR-Analysatoren auf Basis einer InGaAs-Photodiodenzeile ohne bewegliche Teile, und der MasterLine17EC ist ein NIR-Analysator für Labortisch und At-line-Einsatz bei Getreide, Futtermittelkomponenten und Grundfutter. Kalibrierungen für beide Familien werden in caliX entwickelt und übertragen, gemäß den von Workman beschriebenen Transferverfahren [5]. Welches Spektrometerprinzip, welcher Spektralbereich und welche Probenschnittstelle zu einer bestimmten Linie passen, wird in einer Machbarkeitsstudie mit den eigenen Proben und Referenzanalysen dieser Linie ermittelt.