NIR Spektroskopi Nedir?

Yakın kızılötesi ışık nedir

Yakın kızılötesi (NIR) ışınım, elektromanyetik spektrumun görünür ışık ile orta kızılötesi arasında kalan bölümüdür. Sınırları kaynağa göre biraz farklı çizilir: farmakope bölümü USP <856> NIR aralığını 780 ila 2.500 nm, yani yaklaşık 12.821 ila 4.000 cm⁻¹ olarak tanımlar [1]; optik ve fotonik standardı ISO 20473 ise yakın kızılötesi bandını 0,78–3 µm'ye yerleştirir [2]. Analitik derlemeler 750–2.500 nm veya 800–2.500 nm değerlerini verir [3][4]. Bu kaynakların hiçbiri bölgeyi, zaman zaman gayri resmî olarak dile getirilen 700 nm kadar aşağıdan başlatmaz [1][2][3][4]. USP <1856> ayrıca aralığı yaklaşık 780–1.100 nm'lik kısa dalga boylu “Herschel” bölgesine ve 1.100 ila 2.500 nm arasındaki uzun dalga boylu bölgeye ayırır [5].

Herschel'den Norris'e

Yakın kızılötesi, keşfedilen ilk görünmez ışınım türüdür [4]. William Herschel 1800 yılında güneş ışığını bir prizmayla dağıtmış ve termometreleri spektrumun görünür kırmızı ucunun ötesine yerleştirmiştir; termometreler yine de ısınmış ve Herschel görünmez ışınları “cisimleri ısıtma gücü yüksek, ancak nesneleri aydınlatma gücü hiç olmayan” ışınlar olarak tanımlamıştır [6]. Analitik kullanım çok daha sonra gelmiştir. Pasquini bu kullanımın kökenini tarım için enstrümantal yöntemler geliştirme çabalarına bağlar ve tarım ürünlerinde nem tayini için yeni yöntemler ararken NIR ile çalışmaya başlayan Karl Norris'i tekniğin tarihindeki en önemli isim olarak anar [3].

Bir NIR spektrumu neyi kaydeder

Moleküller orta kızılötesi ışınımı temel titreşimlerinin frekanslarında soğurur. NIR bölgesine ise bu temel titreşimlerin üst tonları ve kombinasyonları hâkimdir [1][3]. Bu tür geçişlere yalnızca bağ titreşimleri anharmonik olduğu için izin verilir; yüksek anharmonisiteleri ve yüksek bağ enerjileriyle O–H, C–H, N–H ve S–H bağları en güçlü NIR özelliklerini verir [3]. Beć ve Huck, X–H bantlarını NIR spektrumlarının en belirgin bölümü olarak tanımlar ve bunların konum ve şiddetlerinin anharmonik etkilerle belirlendiğine dikkat çeker [4]. Başlıca fonksiyonel grupların bant atamaları, Workman ve Weyer'inki gibi yorumlayıcı atlaslarda derlenmiştir [7].

Üst ton ve kombinasyon bantları zayıftır: USP <856>, NIR molar absorptivitelerinin orta kızılötesindekinden çok daha düşük olduğunu ve ışınımın malzemenin birkaç milimetre içine nüfuz ettiğini belirtir [1]. Bu zayıflık pratikte bir avantajdır. Numuneler olduğu gibi, çoğu zaman ön işlem yapılmadan difüz yansımayla ölçülebilir [3] ve ölçüm yalnızca yüzeyi değil kütlenin tamamını yoklar [4]. Bir spektrumu kaydetmek için ışığın nasıl dağıtıldığı ya da modüle edildiği ayrı bir konudur ve FT-NIR Nedir? yazısında ve NIR ve FT-NIR mimarilerinin karşılaştırmasında ele alınmıştır.

NIR neden kemometriye ihtiyaç duyar

NIR bantları geniştir ve büyük ölçüde örtüşür; gözlenen spektrum genellikle pek çok katkının toplamıdır [4]. Bu nedenle tek bir dalga boyu nicel bir model için nadiren yeterli bilgi taşır ve Pasquini NIR'ı kemometriyi en çok uygulayan analitik teknik olarak niteler [3]. Bunun sonucu, NIR'ın dolaylı, ikincil bir yöntem olmasıdır: iyi ve kabul edilebilir referans yöntemlere büyük ölçüde bağımlıdır ve sağlam modeller, referans yöntemle analiz edilmiş yüzlerce hatta binlerce numune gerektirebilir [3]. Beć ve Huck, analitik NIR'ın bu durumda açıklamadan nicelleştiren bir “kara kutu aracına” kolayca indirgenebileceği uyarısında bulunur [4]; Pasquini’nin daha sonraki derlemesi ise tekniğin ve onu destekleyen matematiksel araçların sakıncalarını ve yanlış kullanımlarını tartışır [8]. Yem, tahıllar ve öğütülmüş tahıl ürünleri için ISO 12099, kalibrasyon, doğrulama, aykırı değerlerin ele alınması ve cihaz kararlılığının izlenmesine ilişkin yönergeler ortaya koyar [9].

NIR nerede kullanılır ve sınırlarına nerede ulaşır

Gıda sektöründe NIR; bütün katılara, serbest akışlı katılara, macunlara ve akışkanlara, hem bileşenlerin nicel analizi hem de özgünlük kontrolü gibi nitel görevler için uygulanmıştır; buna konveyör bantlarında, borularda ve fermantasyonda yapılan çevrim içi ölçümler de dahildir [10]. ISO 12099, yem ve tahıllarda nem, yağ, protein, nişasta ve ham lif gibi bileşenlerin NIR ile tayinini kapsar [9]. Farmasötik teknolojide NIR; katı, sıvı ve biyoteknolojik formlar için, geliştirme aşamasında, üretimde proses izleme amacıyla ve kalite kontrol laboratuvarlarında, hem tanımlama hem de nicel tayin için kullanılır [11]. Yöntemin belirgin sınırları da vardır:

• Dolaylı yöntem. Her nicel sonuç, referans analizlerin ve kalibrasyon setinin kalitesini devralır; bir model yalnızca üzerine kurulduğu numunelere benzeyen numuneler için geçerlidir [3][9].
• Eser düzeydeki analitler. NIR çok duyarlı değildir; Pasquini tipik tayin sınırını yaklaşık %0,1 (m/m) olarak verir ve nicel uygulamaların çoğunun ana bileşenleri hedeflediğini belirtir [3].
• Mineraller ve tuzlar. NIR spektrumlarına hâkim olan O–H, C–H, N–H veya S–H bağlarını içermeyen türler yalnızca dolaylı olarak tayin edilebilir; örneğin derişik sulu çözeltideki sodyum klorür, su bantları üzerindeki etkisi aracılığıyla [3].

USTECH NIR ölçümüne nasıl yaklaşır

USTECH laboratuvar, hat yanı ve hat içi kullanım için NIR analiz cihazları üretir. MasterLine17EC tahıllar, yem hammaddeleri ve kaba yemler için masaüstü ve hat yanı bir NIR analiz cihazıdır; ProLine2550 karıştırıcılar, reaktörler ve boru hatları için hat içi bir FT-NIR analiz cihazıdır; ProLine17EC ve ProLine17ECS ise InGaAs dizileri üzerine kurulmuş dayanıklı hat içi NIR analiz cihazlarıdır. Her NIR sonucu bir referans yönteme karşı yapılmış kalibrasyona dayandığından modeller caliX içinde geliştirilir ve doğrulanır. NIR'ın belirli bir üründe belirli bir parametreyi ölçüp ölçemeyeceği ve bunun hangi cihazla yapılacağı, kendi numuneleriniz ve referans analizlerinizle yürütülen bir fizibilite çalışmasında belirlenir.