Mai 2006 1

NIR – lähi(s) infrapunane spektroskoopia

Mai 2006 2

Elektromagnetkiirgus ja meetodid

0.0001 0.01 1 100 10000 1000000 1E+08 1E+10

1E-11 1E-09 1E-07 0.00001 0.001 0.1 10 1000

, nm

, cm

0.0010.110100010000010000000

1E+091E+11 , cm-1

Infrapunane spektroskoopia (IR, NIR)

UV-Vis spektroskoopia

Gamma-spektroskoopia

_

1.E+071.E+091.E+111.E+131.E+151.E+171.E+191.E+21

, Hz, s-1

Röntgen-spektroskoopia

Raadio-spektroskoopia(NMR. ESR)

Mikrolaine-spektroskoopia

Mai 2006 3

NIR laineala

• NIR mõõtmised toimuvad nähtava (Vis) ja “tavalise” IR vahelises alas:– 770 nm …2500 nm

ehk– 13000 cm-1 … 4000 cm-1

• Spektrijooned on oobertoon- ja kombinatsioonjooned

• Spektrijooned on nõrgad– See on põhikomponentide määramise meetod, ebasobiv

jälgede jaoks

Mai 2006 4

Vee NIR spekter

• Näiteks vesi omab NIR spektris neeldumismaksimumi 5150 cm-1, mis omistatakse järgmiste baasvõnkumiste kombinatsioonile:– asümmeetriline valentsvõnkumine (3756 cm-1)– (käärid) deformatsioonvõnkumine (1596 cm-1)

• lainearvud enam vähem liituvad• Erinevus arvutusliku ja eksperimentaalse lainearvu

vahel on tingitud vesiniksideme mõjust.

Mai 2006 5

Veeaur ja CO2 O C O

O C O

O C O

OCOO C O

O C O

Infrapunase kiirguse neeldumist ei kaasne

OHH

O HH

OHH

OHH

OHH

OHH valents

valents

def

def

Mai 2006 6

NIR-is kasutatavad ülemtoonid

• Kõige intensiivsemad on C-H, N-H ja O-H võnkumiste ülemtoonid ja kombinatsioonid.– http://www.asdi.com/ASD-600510_NIR-Introduction.pd

f

• Neid kasutataksegi enamasti analüüsil• Meetodi iseloomulik omadus on ränk kattumine

erinevate ainete neeldumisjoonte vahel, seega meetodi iseeneslik selektiivsus on väga madal

Mai 2006 7

Nisu NIR spekter

H2O, OH

H2O, OH, amiidne NH

amiidne NH

CH

CH

Mai 2006 8

NIR spektroskoopia

• Oobertoon- ja kombinatsioonjoonte interpreteerimine on keeruline ja seetõttu NIR kvalitatiivseks tööks eriti ei kasutata

• NIR põhiline kasutusala on kvantitatiivne analüüs.• Eriti laialt on NIR kasutusel toiduainete, söötade,

teravilja jmt analüüsimisel– Niiskuse sisaldus, valgusisaldus, rasvasisaldus,

süsivesikusisaldus, ...• Kasutatakse ka farmaatsias, naftakeemias,

meditsiinis ja keskkonnauuringutes

Mai 2006 9

NIR spektromeeter

• Sarnane UV-Vis spektromeetrile– kiirgusallikas: volfram-halogeenlamp (kvartsakendega)– filtritega või monokromaatoriga– mõõterakk: kvarts– detektor: pliisulfiid fotojuhtivusdetektor– ühe- ja kahekiirelised, Fourier teisendustega, dioodrivi.

Mai 2006 10

Mõõtmisviisid

• Difuusne peegeldus on valdav– Minimaalne proovi ettevalmistus– Saab mõõta teralisi, pulbrilisi, kiulisi jne materjale

• Jahu, teravili, sööt, ...– Kalibreerimine sobivate proovidega on väga oluline!

• Läbiva kiirguse neeldumise mõõtmist kasutatakse vedelike ja lahuste puhul

Mai 2006 11

Difuusse peegelduse NIR analüüs

• Peegeldus (reflectance) mõõdetakse erinevatel lainepikkustel:

Ri = Isample / Iref

• Teisendatakse neelduvuse skaalasse:

Ai = log 1/Ri

Mai 2006 12

Tulemuse leidmine• Kui on vaja määrata n komponenti, siis

mõõdetakse m erineval lainepikkusel, kusjuuresm > n (hea, kui m >> n)

• Kalibreerimisvõrrandite süsteem:

A = A01 + Σi=1..n fi1∙ci

A = A02 + Σi=1..n fi2∙ci

......

A = A0m + Σi=1..n fim∙ci

• c1 .. cn leitakse kasutades eelnevalt standardproovidega leitud f väärtusi

Mai 2006 13

Kalibreerimine• Kalibreerimine on väga oluline etapp NIR analüüsil• Kalibreerimiseks mõõdetakse proovi NIR spektrid

ja analüüsitakse proov mõnel muul meetodil (nt Kjeldahl valkude määramiseks, kuivatamine konstantse massini vee määramiseks)

• Vaja on analüüsida palju proove• Leitakse f koefitsiendid• Nõuded kalibreerimisproovidele:

– Peavad katma määratava parameetri kogu määramisulatuse (nt veesisaldusega 2-25%)

– Kõik muud parameetrid peavad olema juhusliku jaotusega (nt mitte korreleeruma vee sisaldusega).

Mai 2006 14

Kalibreerimisproovid

• Kalibreerimise proove võetakse 30 kuni mõni tuhat (kogutakse üle pika aja)

• Kalibratsioone tuleb pidevalt kontrollida• Kalibreerimise hõlbustamiseks on organiseeritud

erinevaid koostöövõrke

Mai 2006 15

NIR plussid• Proovi ettevalmistust on minimaalselt või pole

üldse.• Mittedestruktiivne.• Korduvus on parem kui kalibreerimise juures

kasutatud klassikalistel meetoditel.• Ei tekita kemikaalijääke.• Kiire, lihtne kasutada.

Mai 2006 16

NIR miinused• Kalibreerimiseks ja kalibratsiooni kontrollimiseks

tuleb käigus hoida referentsmetoodikaid.• Kalibratsioonide koostamiseks on vaja kasutada

keerulisi statistilisi protseduure.• Kuna ülemtoonide neeldumisintensiivsused on

väiksed (10-100 korda nõrgemad jooned kui IR või UV-Vis alas), siis ei sobi NIR jälgede määramiseks.