Teil 4

Nahe Infrarot-Spektroskopie (NIR-Spektroskopie)
IR: 0,75-1000 µm

Theorie der IR-Absorption
IR-Strahlung ist nicht energiereich genug, um Elektronenübergänge
hervorzurufen.
Die Energie reicht nur aus, um Schwingungen und Rotationen im
Molekül anzuregen, d.h. es kommt zu Schwingungs- und
Rotationsübergängen.

Energieniveaudiagramm
.
Rotationsniveaus

Theorie der IR-Absorption
IR-Strahlung ist nicht energiereich genug, um Elektronenübergänge
hervorzurufen.
Die Energie reicht nur aus, um Schwingungen und Rotationen im
Molekül anzuregen, d.h. es kommt zu Schwingungs- und
Rotationsübergängen.
Voraussetzungen dafür, dass eine Substanz IR-Strahlung
absorbieren kann:
• Sie muss ein permanentes Dipolmoment besitzen.
• Das Dipolmoment muss sich während der Schwingung ändern.

Dipolmoment
Ein Dipol wird dann gebildet, wenn aufgrund der Struktur des Moleküls
der negative und der positive Ladungsschwerpunkt nicht
zusammenfallen.
CO 2
HCl
Das Dipolmoment µ wird durch die Größe der Ladungsdifferenz
und durch die Entfernung zwischen den beiden Ladungszentren
bestimmt.
µ= e l
e: Größe der Ladungsdifferenz
l: Abstand der Ladungszentren

Theorie der IR-Absorption
IR-Strahlung ist nicht energiereich genug, um Elektronenübergänge
hervorzurufen.
Die Energie reicht nur aus, um Schwingungen und Rotationen im
Molekül anzuregen, d.h. es kommt zu Schwingungs- und
Rotationsübergängen.
Voraussetzungen dafür, dass eine Substanz IR-Strahlung
absorbieren kann:
• Sie muss ein permanentes Dipolmoment besitzen.
• Das Dipolmoment muss sich während der Schwingung ändern.

Molekülschwingungen

Molekülschwingungen
Symmetrische
Asymmetrische
Valenzschwingung
in der Ebene
aus der Ebene
Spreiz
Pendel
Torsion
Kipp
Deformationsschwingung

Absorption von IR-Strahlung
Atome schwingen in Molekülen mit definierten Frequenzen, die durch
die Atommasse und die Stärke der chemischen Bindung festgelegt sind.
Stimmt die Strahlungsfrequenz mit der natürlichen
Schwingungsfrequenz überein, absorbiert das Molekül diese Strahlung
und schwingt dann bei gleicher Frequenz, aber mit größerer Amplitude.
Je mehr Atome ein Molekül enthält, umso mehr
Schwingungsmöglichkeiten gibt es.

IR-Spektrum
Bandenspektrum

IR-Spektrum

Absorptionsbanden von Lebensmittelkomponenten

NIR-Spektren

NIR-Spektrometer

Diffuse Reflexionsmessung
• ermöglicht es, direkt die Zusammensetzung von festen Lebensmitteln
zu messen
• wird vorwiegend bei festen und körnigen Proben verwendet

Detektoren zur Messung der diffusen Reflexion
Vergleich mit nichtabsorbierender Referenzprobe:
R = I
I o
R: Reflexion
I: Intensität der Strahlung, die von der Probe bei einer
bestimmten Wellenlänge reflektiert wird
I o : Intensität der Strahlung, die von der Referenzprobe bei
der gleichen Wellenlänge reflektiert wird

Transmissionsmessung

Qualitative Analyse mittels NIR
Diskriminationsanalyse: Man vergleicht das NIR Spektrum einer
unbekannten Probe mit Spektren von Proben von verschiedenen
Gruppen. Die unbekannte Probe kann dann der Gruppe zugeordnet
werden, mit der das Spektrum am ähnlichsten ist.
• häufig in der pharmazeutischen und chemischen Industrie verwendet
• zur Identifizierung von Rohmaterial
• zur Identifizierung von Lebensmitteln
Beispiele:
• Klassifizierung von Milchpulver gemäß ihrer Hitzebehandlung
• Klassifizierung von Frühlings- oder Winterweizen
• Überprüfung der Herkunft von Olivenöl

Quantitative Analyse mittels NIR
Diffus reflektierte Strahlung R ist proportional der Konzentration
log 1/R = kc
k ist Proportionalitätsfaktor
Kalibration: Aufgrund der Überlappung der NIR Absorptionsbanden ist
es notwendig, Messungen bei 2 oder mehreren Wellenlängen
durchzuführen, um eine Komponente quantifizieren zu können.
% Bestandteil = z + a log (1/R 1 ) + b log (1/R 2 ) + c log (1/R 3 )+…..
Jeder Term repräsentiert spektrale Messung bei unterschiedlicher
Wellenlänge multipliziert mit korrespondierendem Koeffizienten. Alle
Koeffizienten und der Achsenabstand z werden mittels multivariater
Regressionsanalyse bestimmt.

Multivariate Regressionsanalyse
Erster Schritt: Wahl eines Sets von Kalibrations- oder Trainingsproben
Die Proben sollten
• für das zu analysierende Produkt repräsentativ sein
• die Bestandteile, für die man sich interessiert, in dem zu erwartenden
Konzentrationsbereich enthalten und
• eine relativ uniforme Konzentrationsverteilung in dem Bereich haben.
Die Kalibrationsproben werden mit klassischen Analysenmethoden
analysiert und mittels NIR bei allen verfügbaren Wellenlängen
gemessen. Alle Daten werden im PC gespeichert.
Multiple lineare Regression wird dann am häufigsten verwendet, um die
optimalen Wellenlängen für Messungen auszuwählen und die
Koeffizienten für jede Wellenlänge zu finden.
Meistens Kalibration bei 2 – 6 Wellenlängen erforderlich

Anwendungen
Verbreitetste Anwendung in der Getreide, Zerealien und Ölsamen
verarbeitenden Industrie
routinemäßige Identitäts- und Reinheitsprüfung
• bei gemahlenen oder pulverförmigen Proben (Hafer, Gerste, Roggen,
Weizen, Weizenmehl, Sojabohnen): Proteinbestimmung, Feuchtigkeit, Öl
• Fleisch, verarbeiteten Fleischprodukten, Fisch: Feuchtigkeit, Protein
• Milchprodukten, z.B. Feuchtigkeit von Margarine
• Käse: Feuchtigkeit, Fett und Protein
• Gesamtzuckergehalt in Früchten und Säften

Vor- und Nachteile
Vorteile:
• Wenn Gerät einmal kalibriert ist, können mehrere Bestandteile einer
Probe rasch (30 s bis 2 min) gleichzeitig gemessen werden.
• einfache Operation
• kein Wägen der Probe ist erforderlich
• geringe laufende Kosten
• Keine Reagentien, kein Waste
• Messungen sind völlig automatisierbar, 100 bis 300 Analysen pro
Stunde.
Nachteile:
• Substanz muss in ausreichender Konzentration vorliegen (einige
Zehntel Prozent oder mehr)
• Substanz muss im NIR-Bereich absorbieren
• hohe Kosten des Geräts (zahlt sich nur bei großer Probenzahl aus)
• Tatsache, dass für jedes Produkt speziell kalibriert werden muss
• Daten, die erhalten werden, können nicht besser sein als die Daten,
die zur Kalibration verwendet werden.

Bestimmung von toxischen Schadstoffen

Schadwirkung - Risiko
Schadwirkung (hazard):
toxisches Potential einer chemischen Verbindung
qualitativer Begriff
Risiko (risk):
Wahrscheinlichkeit des Eintretens einer Schadwirkung
quantitativer Begriff

Theophrast von Hohenheim,
genannt Paracelsus
(geboren 1493 bei Maria Einsiedeln in der Schweiz,
gestorben 1541 in Salzburg )
Alle Dinge sind Gift, und nichts ohn Gift.
Allein die Dosis macht, daß ein Ding kein Gift ist.

Stufen der Risikoermittlung (risk assessment)
Naturwissenschaftliche Ebene
1. Ermittlung der Schadwirkung (hazard identification)
Identifizierung einer Schadwirkung einer Substanz (qualitativ)
Ermittlung der Dosis-Wirkungsbeziehung
2. Ermittlung der Exposition
3. Ermittlung des Risikos
Verknüpfung von Exposition und Wirkung
Gesellschaftspolitische Ebene
Risiko Management
Risiko Kommunikation

Konzentrationsgifte - Summationsgifte
Konzentrationsgifte:
Führen zu reversiblen Wirkungen
Mit zunehmender Dosis nimmt die Wirkungsstärke zu, nach Ausscheidung der
Substanz geht die Wirkung auf 0 zurück.
Aufgrund der Reversibilität der Wirkung kann man wirkungsfreie Dosen
beobachten, d.h. es gibt Schwellenwerte. Unterhalb dieser Schwellenwerte
treten keine Effekte auf.
Die pro Zeiteinheit aufgenommene Dosis spielt bei Konzentrationsgiften eine
wichtige Rolle.

Dosis-Wirkungs-Beziehung
% Wirkung
100
90
80
70
60
50
40
30
20
10
0
NOAEL
LOAEL
ED 50
NOEL = No-Observed-Effect-Level oder
NOAEL = No-Observed-Adverse-Effect-Level
LOEL = Lowest-Observed-Effect-Level oder
LOAEL = Lowest-Observed-Adverse-Effect-Level
ED50 = Einzeldosis mit 50% der Maximalwirkung
wenig gebräuchlich:
SD = durch lineare Extrapolation geschätzte Schwellendosis
Kontrollbereich
10 -7 10 -6 10 -5 10 -4 10 -3 10 -2
Dosis (logarithmisch)

ADI-Wert (acceptable daily intake)
ADI
100 % Wirkung
90
80 Besonderes Gefährdungspotenzial oder mangelhafte Datenlage
70
für besonders empfindliche Individuen
60
Mensch Tier
50
NOAEL
40
USF 1 =10
30
USF 2 =10
20 USF 3 =10
10
0
Kontrollbereich
10 -9 10 -8 10 -7 10 -6 10 -5 10 -4
Dosis (mg/kg KG)

Konzentrationsgifte - Summationsgifte
Summationsgifte:
Führen zu irreversiblen Wirkungen
Nach der Ausscheidung der Substanz bleibt die Wirkung bestehen, die
Wirkungen addieren (summieren) sich.
Das Ausmaß der Schädigung wird von der Gesamtdosis bestimmt. Selbst kleine
Belastungen können ein zusätzliches Risiko bedeuten.
Chemische Kanzerogene sind Summationsgifte.

Kanzerogene Substanzen
Gentoxische Substanzen
direkt gentoxisch
indirekt gentoxisch
Nicht gentoxische Substanzen

Ames Test

Mehrstufenkonzept der Krebsentstehung

Gesetzmäßigkeit bei Summationsgiften
c (Konzentration, Dosis)
Wirkung, W = (c-e) t = konstant
e
Einwirkungszeit, t
- aktiver Export
- metabolische Inaktivierung
- (DNA) Reparatur
praktische Wirkungsschwelle, e

Schwellenwert bei Summationsgiften

ALARA-Prinzip:
as low as reasonably achievable
Margin of Exposure (MOE):
MOE =
Dosis, die bei Tieren zu Tumoren führt
Aufnahmemenge der Menschen

Margin of Exposure (MOE)
Substanz
MOE
Acrylamid 1.000
Aflatoxine 100.000
Nitrosamine (flüchtige) 100.000
Benzo(a)pyren 1.000.000
Ethylcarbamat
aus täglicher Brotration 1.000.000
tägl. 1 Glas (40 ml) Steinobstdestillat 50.000