Was ist FT-NIR-Spektroskopie? Ein leicht verständlicher Leitfaden für Lebensmittel- und Futtermittelhersteller

Nahinfrarotlicht als Analysenwerkzeug

Die Nahinfrarotspektroskopie (NIR) ist in der Lebensmittel- und Futtermittelindustrie für die Zusammensetzungsanalyse weit verbreitet. Pasquini definiert den NIR-Bereich als 750 bis 2.500 nm (13.300 bis 4.000 cm⁻¹) und beschreibt die Technik als schnell, zerstörungsfrei und nicht invasiv, mit minimaler Probenvorbereitung und nahezu universeller Anwendbarkeit auf Moleküle mit C–H-, N–H-, S–H- oder O–H-Bindungen [1]. Eine Grundeinführung in die Technik bietet Was ist NIR-Spektroskopie?; dieser Leitfaden konzentriert sich auf die Fourier-Transform-Variante (FT) und darauf, was ihre Spektren einem Lebens- oder Futtermittelhersteller sagen können und was nicht.

Wie ein FT-NIR-Spektrometer ein Spektrum aufnimmt

Labor-NIR-Tischgeräte haben sich auf eine recht einheitliche Bauweise zubewegt, bei der ein Michelson- oder ein Polarisationsinterferometer eingesetzt und das Spektrum nach dem Fourier-Transform-Prinzip gewonnen wird [2]. In einem Michelson-Interferometer teilt ein Strahlteiler den Strahl auf einen feststehenden und einen beweglichen Spiegel auf; wenn die beiden Teilstrahlen wieder zusammentreffen, hängt ihre Interferenz von dem durch die Spiegelposition eingestellten optischen Gangunterschied ab. Wie daraus ein Interferogramm entsteht und wie der endliche Spiegelweg die Auflösung begrenzt, behandelt das Standardwerk von Griffiths und de Haseth ausführlich [3].

Für Nichtfachleute ist entscheidend, dass der gesamte breitbandige Strahl den Detektor gleichzeitig erreicht. Wie Beć et al. es formulieren, registriert der Detektor ein Interferogramm, also ein Signal im Zeitbereich, und das Spektrum — das Signal im Frequenzbereich — wird daraus durch eine Fourier-Transformation rekonstruiert [2]. Anders gesagt misst das Gerät nicht eine Wellenlänge nach der anderen, sondern ein Gemisch aller Wellenlängen, und gewinnt die einzelnen Intensitäten rechnerisch zurück [1][2]. Beć et al. nennen den Gewinn an optischem Durchsatz und eine präzise kontrollierte Wellenlängenachse als wichtigste Vorteile dieses Ansatzes [2], und Pasquini schreibt FT-Geräten die beste Wellenlängenpräzision und -richtigkeit unter den NIR-Bauarten sowie einen Durchsatzgewinn (Jacquinot-Vorteil) durch das Fehlen von Ein- und Austrittsspalten zu [1].

Diese Vorteile haben ihren Preis. Pasquini weist darauf hin, dass eine Auflösung unter einem Nanometer auf Kosten der Scangeschwindigkeit erreicht wird und dass ein Interferometer mit beweglichem Spiegel nicht so robust ist wie Bauweisen ohne bewegliche Teile [1]; Beć et al. zeigen, dass das Michelson-Interferometer nach einer Miniaturisierung anderen Lösungen nicht mehr deutlich überlegen ist [2]. FT-NIR ist daher eine von mehreren gültigen Gerätearchitekturen und nicht grundsätzlich die bessere; der Vergleich mit Gitter- und Diodenarray-Geräten wird in NIR vs. FT-NIR behandelt.

Was die Banden über Wasser, Protein, Fett und Kohlenhydrate aussagen

NIR-Absorptionen sind Ober- und Kombinationsschwingungen molekularer Grundschwingungen, vor allem von C–H-, O–H- und N–H-Gruppen; sie sind breit, überlagert und schwach, etwa 10- bis 1.000-mal weniger intensiv als die entsprechenden Grundschwingungsabsorptionen [1]. Die schwache Absorption geht mit der hohen Eindringtiefe des Messstrahls einher, die Pasquini zu den Merkmalen der Technik zählt, doch die Überlagerung führt dazu, dass einzelne Bestandteile selten als isolierte Peaks erscheinen [1][2]. Die Tabelle nennt typische Bandenlagen der wichtigsten Lebensmittelbestandteile.

Ungef. Wellenlänge (nm)	Schwingung	Typischer Bestandteil	Quelle
1440 und 1930	O–H (Wasser)	Feuchte	[4]
1210	C–H, zweiter Oberton	Kohlenhydrate, Lipide	[2]
1435, 1500, 1565	N–H, erster Oberton	Proteine	[2]
1480	O–H, erster Oberton	Kohlenhydrate	[2]
1610–1725	C–H, erster Oberton	Kohlenhydrate, Lipide	[2]
2050, 2155, 2295	N–H- und Amid-Kombinationen	Proteine	[2]
2255	O–H-Streck- + Deformationsschwingung	Kohlenhydrate	[2]

Wasser dominiert: Büning-Pfaue beschreibt zwei breite Wasserbanden bei etwa 1440 und 1930 nm in nahezu jedem NIR-Spektrum und zeigt, dass Wasserstoffbrücken und Probentemperatur die Zuverlässigkeit von NIR-Feuchteergebnissen beeinflussen [4]. Beć et al. betonen, dass solche Tabellen nur Näherungen sind und dass die Identifizierung spezifischer Marker in NIR-Spektren weit weniger einfach ist als in der Mittelinfrarot- oder Raman-Spektroskopie [2]. Deshalb werden NIR-Ergebnisse nicht an einem einzelnen Peak abgelesen.

Warum eine Kalibrierung gegen Referenzmethoden nötig ist

Da sich die Banden überlagern, ist die NIR auf ein multivariates Modell angewiesen, um eine Eigenschaft oder Konzentration in komplexen Proben zu quantifizieren. Pasquini betont, dass die Technik stark von guten Referenzmethoden abhängt und immer abhängen wird und dass der Erfolg eines Modells maßgeblich von der Qualität der Referenzwerte im Trainingsdatensatz bestimmt wird [1]. Die internationalen Leitlinien formalisieren dies. ISO 12099 regelt die Bestimmung von Bestandteilen wie Feuchte, Fett, Protein, Stärke und Rohfaser in Futtermitteln, Getreide und Getreidemahlerzeugnissen [5]; ISO 21543 | IDF 201 tut dasselbe für Milch und Milcherzeugnisse in flüssiger, halbfester oder fester Form, gemessen in Transmission, diffuser Reflexion oder Transflexion [6]. In der Praxis kommt es auf drei Punkte an:

• Die Referenzmethode setzt die Obergrenze. Eine NIR-Vorhersage kann nicht genauer sein als die Laborwerte, auf die sie kalibriert wurde; Referenzanalysen sollten daher den amtlichen Verfahren folgen [1][5].
• Matrix und Probenpräsentation zählen. Probenform und Messmodus bestimmen den Geräteaufbau [6], und bei der Feuchte müssen die Einflüsse von Temperatur und Wasserstoffbrücken im Kalibrierdatensatz abgebildet sein [4].
• Chemometrie erfordert Sorgfalt. Pasquinis Übersichtsarbeit von 2018 beschreibt die NIR als ausgereifte Technik, die durch Fortschritte in Instrumentierung und Chemometrie neues Interesse erfährt, geht aber auch auf den Missbrauch ihrer mathematischen Werkzeuge ein [7]; eine unabhängige Validierung schützt vor überangepassten Modellen.

Wie USTECH FT-NIR einsetzt

USTECH nutzt das FT-NIR-Prinzip im ProLine2550, einem Prozessanalysator für Mischer, Reaktoren und Rohrleitungen; für Getreide, Futtermittelkomponenten und Grundfutter bietet USTECH für Labortisch und At-line-Einsatz den NIR-Analysator MasterLine17EC an. Kalibrierungen werden in caliX gegen Referenzanalysen entwickelt und validiert, nach dem Ansatz von ISO 12099 und ISO 21543 | IDF 201 [5][6]. Welche Parameter ein FT-NIR-Gerät in einem bestimmten Produkt zuverlässig messen kann, wird in einer Machbarkeitsstudie mit Ihren eigenen Proben und Referenzanalysen ermittelt.