NIR Spektrometer

Fourier-Transform-Infrarot-(FTIR)-Spektrometer bieten gegenüber herkömmlichen Gitterspektrometern (dispersiven Spektrometern) mehrere wesentliche Vorteile. Erstens erfasst ein FTIR (wie das FT-NIR Rocket) alle Wellenlängen gleichzeitig (Felgett-Vorteil), was in der Regel zu einem höheren Signal-Rausch-Verhältnis und schnelleren Messungen führt – insbesondere beim Mitteln vieler Scans. Zweitens verfügen FTIR-Instrumente über einen internen Laser zur Wellenlängenkalibrierung. Das ermöglicht von Natur aus eine hohe Wellenlängengenauigkeit und macht häufige Neukalibrierungen überflüssig – während Gitterspektrometer driften können oder Referenzprüfungen benötigen. FTIR-Spektrometer verwenden zudem typischerweise einen Einzelelement-Detektor statt eines Detector Array. Außerdem begrenzt ein FTIR-Instrument die Lichtmenge, die den Detektor erreicht, nicht durch einen Eintrittsspalt. Da der optische Durchsatz dadurch höher ist und das Signal auf einem Detektorelement gemessen wird, kann die erreichbare Empfindlichkeit höher sein als bei gitterbasierten Spektrometern mit Array-Detektor, bei denen das Signal auf viele Pixel verteilt wird. Darüber hinaus können FTIR-Systeme eine sehr hohe spektrale Auflösung erreichen, die durch die optische Weglänge im Interferometer definiert ist – und damit oft höher ist als das, was bei kompakten Gitterspektrometern praktikabel ist. Zusätzlich vermeidet ein FTIR, weil es einen einzelnen Detektor und keinen Eintrittsspalt nutzt, Probleme wie Streulicht und Pixel-Inhomogenität und erzeugt dadurch „sauberere“ Spektren ohne die Basislinienartefakte, die Array-basierte Gittersysteme häufig beeinträchtigen. Zusammengefasst bietet ein FTIR-Spektrometer eine breite spektrale Abdeckung, hohe Auflösung sowie stabile, reproduzierbare Ergebnisse – und ist damit eine leistungsfähige Alternative zu gitterbasierten Designs, wenn Präzision und Messbereich entscheidend sind.

Diese beiden Modelle sind Varianten des FT-NIR Rocket Spektrometers mit unterschiedlichen Detektorkonfigurationen und Spektralbereichen. Das Modell FTNIR-L1-025-2TE verwendet eine einzelne thermoelektrisch gekühlte InGaAs-Fotodiode und deckt den Nahinfrarotbereich von etwa 0,9 μm bis 2,5 μm (900–2500 nm) ab. Das Modell FTNIR-L1-060-EXT hingegen verfügt über ein Zwei-Detektor-System: Es kombiniert denselben InGaAs-Detektor mit einem zusätzlichen gekühlten MCT-Detektor (Mercury Cadmium Telluride). Dieses erweiterte Modell kann von 0,9 μm bis 6,0 μm (900–6000 nm) messen und reicht damit weit in den mittleren Infrarotbereich hinein. In der Praxis ermöglicht die EXT-Version die Detektion von spektralen Merkmalen im Bereich 2,5–6 μm (z. B. bestimmter organischer funktioneller Gruppen oder Feuchtebänder), die das Standardmodell nicht erfassen kann. Das erweiterte Modell benötigt eine etwas höhere Leistung (es müssen zwei Detektoren gekühlt werden) und verfügt über zwei nutzbare spektrale Teilbereiche – mit einem sehr hohen Signal-Rausch-Verhältnis im NIR-Bereich und einem etwas niedrigeren SNR am äußersten Ende des Mid-IR. Abgesehen von Spektralbereich und Detektoren teilen beide Modelle dasselbe Interferometer-Design, dieselben Auflösungsoptionen, die gleiche Softwareschnittstelle und dieselben Abmessungen. Die Auswahl hängt davon ab, ob Ihre Anwendung diese zusätzliche Mid-IR-Abdeckung benötigt: Wenn Sie über 2,5 μm hinaus messen müssen (z. B. bei bestimmten Kunststoffen oder Chemikalien mit Mid-IR-Merkmalen), ist das FTNIR-L1-060-EXT die passende Wahl; andernfalls deckt das Standardmodell FTNIR-L1-025-2TE typische NIR-Anwendungen mit einem einfacheren Single-Detektor-Aufbau ab.

Integration und Steuerung des FT-NIR Rocket sind auf eine einfache Handhabung ausgelegt. Das Gerät wird über eine standardmäßige USB 2.0-Schnittstelle mit einem PC verbunden, über die es auch mit Strom versorgt und gesteuert wird. Arcoptix stellt eine Windows-basierte grafische Benutzeroberfläche (GUI) für den unmittelbaren Betrieb bereit – damit können Sie Einstellungen anpassen, Spektren in Echtzeit aufnehmen und eine grundlegende Verarbeitung durchführen (z. B. Referenzen setzen oder zwischen Absorptions- und Transmissionsmodus umschalten). Für kunden­spezifische Systeme und die Software-Integration steht eine vollständige Application Programming Interface (API) zur Verfügung: Das Spektrometer kann über die DLL-Bibliotheken von Arcoptix oder über einen TCP/IP-Befehlsserver gesteuert werden, der mit der AoDAQ-Software des Instruments läuft. Das bedeutet, dass Sie eigenen Code (in Sprachen wie C++, Python, LabVIEW usw.) schreiben können, um Messungen zu automatisieren, Daten zu streamen oder die Funktionalität des Spektrometers in größere Steuerungs­systeme einzubetten. Im Kern kann das FT-NIR Rocket sowohl als eigenständiges Laborgerät als auch als OEM-Komponente betrieben werden; seine kompakten Abmessungen und der geringe Leistungsbedarf (12 V DC) erleichtern zudem die Integration in portable oder Inline-Aufbauten. Für entfernte oder verteilte Installationen ermöglicht der TCP-Servermodus der mitgelieferten Software sogar den Zugriff auf das Spektrometer über ein Netzwerk und damit bei Bedarf eine Fernüberwachung oder -steuerung.

Ja – das FT-NIR Rocket ist mit derselben Art von faseroptischem Probenzubehör kompatibel, das üblicherweise mit konventionellen dispersiven NIR-Spektrometern verwendet wird. Es verfügt am Eingang über abnehmbare SMA-905-Faserkoppler, sodass Sie low-OH-Silicafasern anschließen können, um externe Module wie Sondenköpfe, Durchflusszellen, Küvettenhalter oder Integrationskugeln zu verbinden. So können Sie beispielsweise eine Reflexionssonde für Feststoffproben, eine Transflektionssonde für Flüssigkeiten oder eine fasergekoppelte Transmissionszelle zur Analyse von Lösungen einsetzen – das Spektrometer unterstützt all dies, solange die Optik für den NIR-Wellenlängenbereich geeignet ist. Ein wichtiger Punkt ist, Fasern und Optiken zu verwenden, die für 0,9–2,5 μm (oder darüber hinaus beim Modell mit erweitertem Bereich) spezifiziert sind; typischerweise werden „low hydroxyl“ (low-OH) Silicafasern empfohlen, um Absorptionsverluste im NIR zu minimieren. In der Praxis lässt sich vom einfachen Faser-Tauchfühler bis hin zu aufwändigerem Zubehör (wie der ArcSphere-Integrationskugel oder einer fasergekoppelten Durchflusszelle) vieles mit dem FT-NIR Rocket kombinieren. Dank des flexiblen Fasereingangs können Sie das Spektrometer leicht an unterschiedliche Probenahme-Setups anpassen – egal, ob Sie Flüssigkeiten in Vials analysieren, Reflexion von einer Oberfläche messen oder für Spezialmessungen sogar extern eine NIR-Lichtquelle ankoppeln möchten.

Die Auflösung eines FTIR-Spektrometers wird in Wellenzahlen (cm⁻¹) angegeben, also in einer inversen Wellenlängeneinheit. Eine Auflösung von 2 cm⁻¹ entspricht der Fähigkeit, spektrale Merkmale zu unterscheiden, die im Frequenz- (Wellenzahl-)Bereich um 2 cm⁻¹ voneinander getrennt sind. Im Wellenlängenbereich (Nanometer oder Mikrometer) hängt der tatsächliche Abstand, den 2 cm⁻¹ darstellen, von der Wellenlänge des Lichts ab. Der Zusammenhang lautet Δλ ≈ λ² · Δν (wobei λ in cm und Δν die Auflösung in cm⁻¹ ist). Praktische Beispiele: Bei λ = 1000 nm (1,0 µm) entspricht eine Auflösung von 2 cm⁻¹ ungefähr einer Wellenlängendifferenz von etwa 0,25 nm. Bei λ = 2500 nm (2,5 µm) entsprechen 2 cm⁻¹ etwa 1,2–1,3 nm. Das bedeutet, dass der FT-NIR Rocket bei 2 cm⁻¹ sehr feine Spektrallinien auflösen kann – deutlich feiner als die Auflösung typischer arraybasierter NIR-Spektrometer, die häufig im Bereich mehrerer Nanometer liegt. Zu beachten ist, dass die Auflösung in nm bei längeren Wellenlängen gröber wird (weil ein festes cm⁻¹-Intervall bei größerem λ mehr nm abdeckt); dennoch sind die spezifizierten 2 cm⁻¹ über den gesamten Bereich eine hohe spektrale Auflösung. Zusammengefasst ermöglicht eine Auflösung von 2 cm⁻¹ dem Spektrometer, eng beieinanderliegende Absorptionspeaks zu unterscheiden (z. B. zwei chemische Banden zu trennen, die bei geringerer Auflösung als eine einzige erscheinen würden) und liefert damit detailliertere spektrale Informationen zur Identifikation und Quantifizierung von Substanzen.

Ja, das ist möglich, allerdings müssen einige Bedingungen berücksichtigt werden, da FTIR-Spektrometer wie das FT-NIR Rocket Daten erfassen, indem sie über die Zeit ein Interferogramm scannen. Während eines Scans geht das Gerät davon aus, dass die Lichtquelle stabil bleibt. Gepulste Lichtquellen können gemessen werden, wenn die Pulswiederholrate ausreichend hoch ist, sodass während eines einzelnen Interferometer-Scans viele Pulse auftreten. In der Praxis sollte die Wiederholrate typischerweise über etwa 15 kHz liegen, damit sich die Pulse während der Messung zu einem stabilen Signal mitteln. Wenn die Pulsfrequenz niedriger ist oder in den Modulationsfrequenzbereich des Interferometers fällt, können im gemessenen Spektrum Artefakte wie Aliasing auftreten. Weitere Details und praxisnahe Messbeispiele sind in der Arcoptix Application Note zu modulierten und gepulsten Lichtquellen beschrieben, die von dieser Seite heruntergeladen werden kann.

Als vielseitiges NIR-Spektrometer findet das FT-NIR Rocket in zahlreichen Branchen und Forschungsbereichen Anwendung. In der Chemometrie und Materialanalyse wird es sowohl zur qualitativen Identifizierung als auch für quantitative Messungen eingesetzt – zum Beispiel zur Bestimmung der Zusammensetzung von Lebensmittelzutaten (Proteingehalt, Feuchte, Zuckergehalt), zur Analyse von Milchprodukten oder Getränken sowie zur Überwachung chemischer Konzentrationen in pharmazeutischen Produkten oder Polymeren. In der pharmazeutischen Industrie kann es eine schnelle Wareneingangsprüfung von Rohstoffen durchführen oder die Mischhomogenität überwachen, indem es NIR-Absorptionssignaturen verschiedener Verbindungen detektiert. In Landwirtschaft und Lebensmittelverarbeitung wird es häufig verwendet, um Eigenschaften von Getreide, Früchten oder Milchprodukten (wie Fett- und Proteingehalt) zerstörungsfrei zu messen. Das Modell mit erweitertem Spektralbereich (FTNIR-L1-060-EXT) eröffnet zusätzliche Anwendungen im Mittelinfrarot, etwa für die Analyse von Kunststoffen, Petrochemikalien oder Umweltproben, die wichtige spektrale Merkmale oberhalb von 2,5 µm aufweisen. In Geologie und Bergbau wird dieses Spektrometer – oft in Kombination mit einer Integrationskugel – zur Mineralidentifikation und Klassifizierung eingesetzt, wobei charakteristische NIR/MIR-Reflexionsprofile genutzt werden, um Mineralarten zu unterscheiden oder die Erzqualität zu bewerten. Außerdem wird es im Umweltmonitoring eingesetzt, etwa zum Nachweis von Verunreinigungen in Wasser oder zur Überwachung von Gasen (über Faseroptik-Sonden in Prozessumgebungen). Ein weiterer wachsender Bereich ist die optische und Halbleiterforschung – zum Beispiel zur Charakterisierung des Ausgangsspektrums von Lasern oder LEDs (einschließlich solcher im 1–2,5-µm-Telekom-Bereich oder sogar bis 4–5 µm bei bestimmten Quantenkaskadenlasern oder neuartigen Quellen). Dank seiner portablen Baugröße und des geringen Leistungsbedarfs kann das FT-NIR Rocket sogar aus dem Labor für Feldmessungen mitgenommen werden, etwa zur Beurteilung von Pflanzen direkt auf dem Feld oder für Vor-Ort-Analysen von Öl- und Kraftstoffproben. Zusammengefasst kann jede Anwendung, die robuste, hochwertige NIR-Spektraldaten benötigt – von der Prozesskontrolle in der Fertigung bis zur akademischen Forschung – potenziell von der Kombination aus großem Spektralbereich, hoher Auflösung und Stabilität des FT-NIR Rocket profitieren.