NIR-Nahinfrarotspektroskopie

Bioprozesse mit NIR-Nahinfrarotspektroskopie in Echtzeit überwachen

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NIR-Spektren qualitativ oder quantitativ auswerten

Die Nahinfrarotspektroskopie (NIR) verwendet Anregungslicht im Bereich von etwa 900-2500 nm. In diesem Bereich absorbieren Obertöne und Kombinationsschwingungen der meisten organischen chemischen Bindungen (z.B. OH, CH, NH usw.). Dabei ist die Absorption der funktionellen Gruppen abhängig von ihrer chemischen Umgebung.

Aufgrund der Vielzahl sowie der ähnlichen Anregungsenergien der Kombinations- und Oberschwingungen kommt es zu einer Überlagerung der Absorptionsbanden. Die resultierenden breiten Banden in einem NIR-Spektrum enthalten daher die Informationen mehrerer Bindungsarten, weshalb meist problemlos eine direkte Bandenzuordnung möglich ist. Daher sind mathematisch statistische Verfahren zur Auswertung der Spektren nötig, die als Chemometrie bezeichnet werden.

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Die Auswertung der NIR-Spektren kann qualitativ oder quantitativ erfolgen. Für eine qualitative Auswertung werden keinerlei Kalibrierungen und somit auch keine Referenzmessungen benötigt. Das Spektrum wird wie bei einer Mustererkennung miteinander verglichen, wodurch beispielsweise die Identität eines Materials sowie der gewünschte Endpunkt auf gleiche Weise bestimmt werden können.

Eine gängige Methode ist die Darstellung des Prozessverhaltens als Trajektorien (Batch Evolution Model, BEM). Die Hauptvarianzen innerhalb der Spektren, ausgedrückt durch die Hauptkomponenten einer PCA (principal component analysis), werden dabei als Trajektorien über die Zeit dargestellt. Dadurch haben die Prozessführer den Verlauf jederzeit im Blick und können auf unerwünschte Änderungen sofort reagieren (vgl. Abbildung oben).

Voraussetzung für jedes Prozessgerät ist ein hohes Maß an Robustheit des Sensorsystems unter Prozessbedingungen. Moderne NIR-Prozessspektrometer werden daher ohne bewegliche Teile konzipiert und arbeiten mit redundanten Lichtquellen, um über viele Jahre dauerhaft und wartungsfrei zu laufen.

Der Aufbau jedes spektroskopischen Messsystems ist prinzipiell vergleichbar. Hauptbestandteile sind die Strahlungsquelle und eine Detektion des Lichtes nach der Wechselwirkung mit der Probe, wobei dieses auf verschiedene Art nach Wellenlängen separiert wird. State-of-the-art NIR-Spektrometer für den Prozess arbeiten mit Gittern als dispersives Element, wobei die Detektion oft mit einem Photodiodenarray erfolgt.

Der große Vorteil besteht bei dieser Anordnung in der simultanen Erfassung des gesamten Spektralbereichs. Dadurch ist auch bei im Prozess üblichen Probenströmen gewährleistet, dass das gesamte Spektrum der Messung derselben Probe entstammt. Insbesondere bei sehr dynamischen Systemen, in denen sich streuende Partikel, wie z.B. Zellen oder Luftbläschen befinden, wie sie typischerweise in Fermentationsprozessen zu finden sind, haben Diodenarraysysteme deutliche Vorteile gegenüber anderen Spektrometertypen.

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