Temperaturkontrolle für genauere und reproduzierbare NIRS-Ergebnisse
07.10.2024
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In diesem Artikel wird die Auswirkung der Temperatur auf die Nahinfrarot-Absorptionsspektroskopie (NIR) untersucht, und es wird erläutert, warum es wichtig ist, die Temperatur zu kontrollieren - insbesondere bei der Analyse von flüssigen Proben. Diese Erkenntnisse werden Ihnen helfen zu verstehen, wie Sie die Genauigkeit und Wiederholbarkeit von NIRS-Messungen verbessern können.
Grundlegende Einführung in die Nahinfrarotspektroskopie
Die Nahinfrarotspektroskopie ist eine Analysemethode, die auf der Wechselwirkung von Licht und Materie beruht. NIR-Spektrometer messen die Absorption von Licht aus der Probe im NIR-Bereich bei Wellenlängen zwischen 780 und 2500 nm. Chemische sowie physikalische und rheologische Parameter können sowohl in Flüssigkeiten als auch in Festkörpern nachgewiesen werden. Die Ergebnisse sind schnell (< 1 Minute) und es sind keine Probenvorbereitung oder Chemikalien erforderlich. Da es sich bei NIRS um eine sekundäre Methode handelt, muss zur Erstellung eines Vorhersagemodells eine primäre Methode wie die Titration verwendet werden.
Erfahren Sie mehr über die Grundlagen von NIRS in unserem Blogbeitrag
Eine Theorie, die Schwingungsübergänge und Temperaturabhängigkeit verknüpft
Das grundlegendste Modell zur Erklärung des Schwingungsverhaltens von Molekülen ist das harmonische Oszillatormodell (Abbildung 1) [1,2].
Diese im Rahmen der Quantenmechanik entwickelte Theorie erklärt die Schwingungsenergie von Molekülen oder funktionellen Gruppen mithilfe der folgenden Formel:
E = Energie
N = Quantenebene
H = Planck-Konstante
ν = Frequenz
Wie in Abbildung 1 dargestellt und durch die obige Gleichung beschrieben, besagt der harmonische Oszillator, dass nur bestimmte diskrete Energieniveaus (Quantenzustände n) zulässig sind. Daher findet der Übergang zwischen verschiedenen Schwingungszuständen (z. B. n = 0 zu n = 1) nur statt, wenn eine bestimmte Energiemenge (∆E) verfügbar ist.
∆E = hν
Die Energiedifferenz ∆E hängt von der Planck-Konstante h und der Frequenz ν ab, wobei ν von der Bindungsstärke der Atome innerhalb des Moleküls oder der funktionellen Gruppe beeinflusst wird. Da die berechneten Energiedifferenzen in den Bereich des infraroten (IR) und nahen infraroten Lichts fallen, können IR- und NIR-Licht Schwingungsübergänge induzieren. Darüber hinaus erklärt das Modell, warum die resultierenden Absorptionsbanden mit verschiedenen funktionellen Gruppen in Verbindung gebracht werden können.
Obwohl die Temperatur in der Formel des harmonischen Oszillators nicht ausdrücklich erwähnt wird, spielt sie eine wichtige Rolle, da sie bestimmt, in welchem Energiezustand sich die Moleküle befinden. Die Wahrscheinlichkeit, dass sich Moleküle in einem bestimmten Energiezustand befinden, wird durch die Boltzmann-Verteilung beschrieben [3]:
PN = Wahrscheinlichkeit der Besetzung des Quantenniveaus n
EN = Energie
kB = Boltzmann-Konstante
T = Temperatur
Z = Partitionsfunktion
Bei sehr niedrigen Temperaturen besetzen die Moleküle überwiegend den niedrigsten Energiezustand (n = 0). Mit zunehmender Temperatur steigt die Wahrscheinlichkeit, höhere Zustände (n = 1, 2, 3, ...) einzunehmen.
Die Temperatur beeinflusst auch die Bewegung der Moleküle, was sich wiederum auf die Breite der Spektralbanden auswirkt. Höhere Temperaturen bewirken eine Verbreiterung der Peaks aufgrund des Dopplereffekts und verstärkter Molekülkollisionen wegen der höheren Mobilität der Moleküle. Der Einfluss dieser Faktoren ist in Gasen stärker ausgeprägt als in Flüssigkeiten und in Festkörpern am geringsten [4].
Einfluss von Temperaturänderungen auf NIR-Vorhersagen
Um die Auswirkungen der Temperatur auf die NIR-Ergebnisse zu untersuchen, haben wir verschiedene Applikationen für Flüssigkeiten ausgewählt und die Veränderung der Vorhersageergebnisse bei bestimmten Temperaturen beobachtet. Die Analyse wurde über einen Temperaturbereich von 26-38 °C durchgeführt.
Die Probe wurde bei jeder Temperatur dreimal gemessen, um den Wiederholbarkeitsfehler der NIR-Vorhersagen zu ermitteln. Alle Messungen wurden mit dem OMNIS NIR Analyzer Liquid und der OMNIS Software. durchgeführt. Als Probenbehälter wurden Standard-Glasfläschchen mit einer optischen Pfadlänge von 8 mm und einem Gesamtfüllvolumen von 1 mL verwendet. Die Temperaturregelung erfolgte über die integrierten Funktionen des OMNIS NIR Analyzers. Eine repräsentative Messreihe ist in Tabelle 1 dargestellt.
Tabelle 1. Messreihen für eine Polyolprobe. Die Probe wurde zunächst mit dem OMNIS NIR Analyzer auf 25 °C abgekühlt und 300 Sekunden lang auf dieser Temperatur gehalten. Anschließend wurde die Probe auf die Zieltemperatur (z. B. 26 °C) aufgeheizt und die Messung gestartet. Dieser Vorgang wurde zwei weitere Male wiederholt, um drei Messungen pro Zieltemperatur zu erhalten.
Qualitativ ist die hohe Wiederholbarkeit der bei derselben Temperatur durchgeführten Messungen eindeutig, wie die hervorragende Überlappung der Spektren zeigt (Abbildung 2a). Dies wird auch durch die quantitative Analyse der Reproduzierbarkeit in Abbildung 2b bestätigt, die auf einen geringen Wiederholbarkeitsfehler (absoluter Fehler = 0,05 mg KOH/g, relativer Fehler = 0,20 %) hinweist, der anhand der Wiederholungsmessungen berechnet wurde.
Beim Vergleich der NIR-Spektren von Messungen bei unterschiedlichen Temperaturen sind Unterschiede in der Spektralform direkt zu erkennen (Abbildung 3a). Diese Veränderung wirkt sich auf die NIR-Vorhersageergebnisse aus, wie in Abbildung 3b dargestellt, die einen klaren Trend zu sinkenden Werten bei höheren Probentemperaturen zeigt.
Die Untersuchung anderer Applikationen bestätigte die Beobachtung, dass die Temperatur die vorhergesagten Ergebnisse beeinflusst. Abbildung 4 zeigt den Einfluss der Temperatur auf die vorhergesagten Werte für den Hydroxylwert in Polyolen, den Feuchtigkeitsgehalt in Methoxypropanol sowie den Cetanindex und die Viskosität in Diesel. Ein Vergleich über alle Applikationen hinweg zeigt, dass sich die vorhergesagten Ergebnisse linear mit den Temperaturschwankungen verändern. Diese konstante absolute Änderung der Vorhersageergebnisse pro Grad Temperaturänderung für jeden Parameter spiegelt eine konsistente Änderung der Spektralform bei Änderungen der Probentemperatur wider.
Daher beeinträchtigt die Vernachlässigung der Probentemperaturkontrolle während der Messungen sowohl die Genauigkeit als auch die Reproduzierbarkeit der NIR-Vorhersagen. Tabelle 2 zeigt die mit jedem Grad Temperaturschwankung verbundenen Änderungen. Aufgrund der absoluten Änderung pro Temperaturgrad ist der induzierte relative Fehler für Proben mit niedrigeren Konzentrationen signifikanter.
Tabelle 2. Übersicht über die absoluten und relativen Änderungen der NIR-Vorhersagen bei jedem Grad der Änderung der Probentemperatur für verschiedene Applikationen. Die relativen Fehler, die durch Temperaturänderungen verursacht werden, können bei niedrigeren Konzentrationen des interessierenden Parameters sehr groß sein.
Tabelle 3 fasst den Gesamtfehler des Polyolbeispiels mit dem Messparameter Hydroxylwert zusammen, einschließlich des Wiederholbarkeitsfehlers sowie des temperaturbedingten Fehlers bei einer Abweichung von 1 °C bzw. 2 °C. Wie gezeigt, verursacht eine Abweichung von zwei Grad bei der Temperatur bereits einen signifikanten Fehler von mehr als 1 %.
Tabelle 3. Übersicht über den Gesamtfehler (Wiederholbarkeitsfehler und Temperaturschwankungsfehler) für eine Polyolprobe mit einem vorhergesagten Wert von 24,91 mg KOH/g bei 26 °C.
So verbessern Sie die Genauigkeit und Reproduzierbarkeit von NIR-Ergebnissen
Ausgehend von diesen Erkenntnissen wird dringend empfohlen, eine zuverlässige Methode zur Erwärmung und/oder Abkühlung der Proben auf ihre jeweiligen Zieltemperaturen zu verwenden. Die ASTM D6122, die allgemeine Durchführungsrichtlinien für NIR-Applikationen enthält, unterstreicht diese Notwendigkeit:
- A1.5 Probentemperatur
Die Probentemperatur hat aufgrund von Dichteänderungen und intermolekularen Wechselwirkungen einen großen Einfluss auf die Reproduzierbarkeit von Spektralmessungen und kann folglich die vorhergesagten Werte beeinflussen.
Eine gängige Lösung bei der Verwendung von NIR-Analysatoren besteht darin, den Probenhalter auf die Zieltemperatur zu erwärmen und nach dem Einlegen der Probe eine bestimmte Wartezeit einzuhalten, um das thermische Gleichgewicht zu gewährleisten. Eine Herausforderung bei diesem Ansatz ist die Bestimmung der idealen Wartezeit, um sicherzustellen, dass die Probe die Zieltemperatur erreicht und gleichzeitig die Geschwindigkeit der NIR-Analyse genutzt werden kann. Dies ist eine besondere Herausforderung, da die Ausgangstemperatur der Probe durch saisonale Schwankungen im Labor (z. B. Winter/Sommer) beeinflusst werden kann. In vielen Fällen werden Wartezeiten von 30-60 Sekunden verwendet, aber Experimente zeigen, dass solch kurze Zeiträume unzureichend sind (Abbildung 5).
Ein anspruchsvolleres Verfahren ist daher die Überwachung der Probentemperatur selbst. Der OMNIS NIR Analyzer, der für diese Experimente verwendet wird, ermöglicht ein solches Verfahren dank der Kombination mehrerer Temperatursensoren und eines hochentwickelten Algorithmus. Mit dem OMNIS NIR Analyzer können temperaturgesteuerte Messungen definiert werden, um die Probentemperatur vor Beginn der Messung automatisch zu bewerten und zu regulieren. Dies bietet mehrere Vorteile:
- Es ist keine willkürliche Wartezeit erforderlich, wodurch sichergestellt wird, dass die Zieltemperatur erreicht wird und gleichzeitig eine hohe Analysegeschwindigkeit beibehalten wird.
- Temperaturschwankungen bei Messungen, die durch saisonale Temperaturschwankungen in der Laborumgebung bedingt sind, werden minimiert.
Fazit
Die Auswirkungen von Temperaturschwankungen auf NIR-Messungen und ihr Einfluss auf die Genauigkeit und Wiederholbarkeit sind nicht immer sofort erkennbar. Dies liegt daran, dass Temperaturschwankungen in der Regel über längere Zeiträume auftreten (z. B. saisonale Temperaturschwankungen im Labor) und in der Anfangsphase der Entwicklung von Applikationen und der Erstellung von NIR-Vorhersagemodellen oder -bibliotheken nicht so stark auffallen.
Wie jedoch in dieser Messreihe gezeigt wurde, können solche Schwankungen die Genauigkeit und Wiederholbarkeit von NIR-Vorhersagen um mehr als 1 % pro Grad Temperaturänderung der Probe erheblich beeinträchtigen und sollten daher kontrolliert werden. Idealerweise sollte dies mit Funktionalitäten geschehen, die eine Überwachung der Probentemperatur und nicht nur der Temperatur des Probenhalters ermöglichen.
Referenzen
[1] Heisenberg, W. Über quantentheoretische Umdeutung kinematischer und mechanischer Beziehungen. Z. Für Phys. 1925, 33 (1), 879–893. DOI:10.1007/BF01328377
[2] Landsberg, Gr. Molekulare Lichtzerstreuung in festen Körpern. I: Lichtzerstreuung im kristallinischen Quarz und ihre Temperaturabhängigkeit. Z. Für Phys. 1927, 43 (9–10), 773–778. DOI:10.1007/BF01397337
[3] Boltzmann, L. Weitere Studien Über Das Wärmegleichgewicht Unter Gasmolekülen. Sitzungsberichte Akad. Wiss. Zu Wien 76, 373–435.
[4] Herzberg, G.; Herzberg, G. Infrared and Raman Spectra of Polyatomic Molecules, 22. print.; Molecular spectra and molecular structure / by Gerhard Herzberg; van Nostrand: New York, 1987.
OMNIS NIRS: Ein Effizienzschub für Ihr Labor
Dieses Whitepaper stellt die Grundlagen und Vorteile der NIR-Spektroskopie vor und diskutiert Anwendungen aus der Petrochemie, der Lebensmittel- und Getränke-, Halbleiter- und Pharmaindustrie, um die einzigartigen Funktionalitäten von OMNIS NIRS in verschiedenen Situationen zu demonstrieren.
