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INFORMATIONZWEI/13NIRS-SONDERAUSGABELösungen für die Nahinfrarot-Spektroskopievon Metrohm NIRSystemsTheorie der NIR-SpektroskopieNIR-Geräte und -Software für Labor und ProzessApplikationen für NIRS und Einsatzfelder

02Liebe Leserin, lieber Leser,verzieht sich der winterliche Hochnebel, eröffnet sich der Blickaus meinem Fenster auf die Silhouette des Säntis. Dieser hat einesehr charakteristische Höhenlinie und der Ostschweizer muss nichtlange darüber nachdenken, zu welchem Berg diese Linie gehört.Wird eine Probe mit Licht eines definierten Wellenlängenbereichsbestrahlt, so wird in der Regel ein Teil davon absorbiert.Ähnelt das verbleibende Spektrum einer alpinen Höhenlinie, sostehen die Chancen sehr gut, dass es sich um ein NIR-Spektrum (NIR= Nahes Infrarot) handelt. Licht im NIR-Wellenlängenbereich regtMoleküle mit einem veränderbaren (asymmetrische Moleküle) oderinduzierbaren Dipolmoment zur Schwingung an und wird dabei absorbiert.Reinsubstanzen haben sehr charakteristische Spektren. Sinddie Substanzen verdünnt oder von geringerer Reinheit verändernsich diese Spektren. Ein zweiter Gipfel neben dem Säntis würde auffallen... Ein konkretes Beispiel: Handelt es sich bei der Pille auf demNachttisch um Aspirin oder um Traubenzucker? Das NIR-Spektrumgibt darüber Auskunft. Wie hoch ist der Wassergehalt im Aspirin – 5,10 oder sogar 15 %? Die Antwort liefert das NIR-Spektrum.Die NIR-Spektroskopie (NIRS) ist eine unter vielen spektroskopischenMethoden und bietet viele Vorteile: Sie gibt eine schnelleAntwort auf analytische Fragen, denn eine Messung dauert wenigerals eine Minute. Sie braucht keine Nasschemie oder zusätzliche Reagenzien,denn die Probe wird direkt und zerstörungsfrei ver messen.Die Messung ist sehr einfach und kann auch von angelerntem Personaldurchgeführt werden: «Jeder kann NIRS!»Wie jede analytische Methode hat auch die (NIR-)Spektroskopieihre Grenzen: Längst nicht alle Substanzen absorbieren im nahenInfrarotbereich und die Nachweisgrenzen sind in der Regel höherals bei den klassisch-nasschemischen Verfahren. Zudem ist die Kalibrierungnicht trivial und bei der Analyse von Stoffgemischen ist dieInterpretation der Spektren schwierig.Für die jeweilige analytische Aufgabe ist die geeignetsteAnalysemethode auszuwählen: Mit der NIR-Spektroskopie bietensich zusätzliche analytische Optionen und es lassen sich neben denchemischen teilweise auch physikalische Eigenschaften der Probebestimmen. Häufig führt auch die Kombination von mehreren Methodenans Ziel: Die Kalibrierung des NIR-Systems erfolgt oft mittelsTitration oder Ionenchromatographie.Warum also NIR-Spektroskopie aus dem Hause Metrohm? Derneue Produktbereich «Metrohm NIRSystems» bringt dem Kundenviele Vorteile, da er das Spektrum unserer analytischen Möglichkeitenerweitert. Mit der NIR-Spektroskopie setzt Metrohm auf eine schnelleund praktische Methode, die keine Chemikalien benötigt und diePrinzipien einer nachhaltigen «Grünen Chemie» («Green Chemistry»-Leitbild gemäss der Amerikanischen Umweltbehörde U.S. EPA) erfüllt.Selbst Metrohm kann eine neue analytische Methode nichteinfach so aus dem Boden stampfen. Deshalb ist Metrohm eine strategischeAllianz mit der skandinavischen Firma FOSS eingegangen,die über jahrzehntelange Erfahrung in der Spektroskopie verfügt.Editorial

03Metrohm übernimmt weltweit den exklusiven Vertrieb von FOSSNIR-Spektroskopiegeräten in der chemischen, petrochemischen undpharmazeutischen Industrie sowie im Bereich von Ausbildung undUmweltanalytik. Durch diese Allianz kann sich FOSS noch stärker aufdie Märkte für Nahrungsmittel und Agrarprodukte konzentrieren.In Zukunft wird Ihnen deshalb neben Metrohm, Metrohm Applikonund Metrohm Autolab der Name «Metrohm NIRSystems – designedby FOSS» begegnen. Wir sind Ihr kompetenter Ansprechpartner,wenn es um die Lösung Ihrer analytischen Herausforderung geht, seies im Prozess oder auch im Labor.In der vorliegenden Sonderausgabe der Metrohm Informationerfahren Sie viele interessante Details zu der neuen Methode ausdem Hause Metrohm. Ich wünsche Ihnen viel Spass beim Lesen.Dr. Kai Henning ViehwegerDirektor und Leiter Vertrieb und Marketing der Metrohm-GruppeINFORMATION | 2 | 2013

Second Overtone RegionSecond Overtone RegionCombination Band RegionCombination Band Region04InhaltsverzeichnisThird Overtone RegionThird Overtone RegionFirst Overtone RegionFirst Overtone RegionH 2O H 2O H 2O H 2OH 2O H 2O H 2O H 2OROH ROH ROH RCO2H RCO2R’ ROHROH ROH ROH RCO2H RCO2R’ ROHCONH2ArOH RNH2 ArOH RNH2 ArOH RNH2RNH2 ArOH CONH2POHArOH RNH2 ArOH RNH2RNH2POHRNH2ArCH RNHR’ ArCH ArCH CONHR ArCH SH CONH 2 CONH 2(H)ArCH CONHR CONH2 CONH 2(H)ArCH RNHR’ ArCH ArCH SHCHOCH CH CH CH CH CHCHOCH CH CH CH CH CHCH 2 CH 2 CH 2 CH 2 CH 2 CC CH 2CH 2 CH 2 CH 2 CH 2 CH 2 CC CH 2CH 3 CH 3 CH 3 CH 3 CH 3 CH 3CH 3 CH 3 CH 3 CH 3 CH 3 CH 3700 9007001,1009001,3001,1001,5001,3001,7001,5001,9001,7002,1001,9002,3002,1002,5002,300 2,500Wavelength [nm]Wavelength [nm]Editorial• NIR-Spektroskopie 02Einleitung• Geschichte und Bedeutung der NIR-Spektroskopie 05Theorie – ein erster Ansatz• Wechselwirkung von Licht und physikalischer Materie 06• Harmonischer und anharmonischer Oszillator 07• Folgen für NIRS 07• NIRS, MIR und Raman 08• Datenvorbehandlung und Techniken zur Datenreduktion (Chemometrie) 09Instrumente und Vision ® Software• Laboranalysatoren und Atline-Analysatoren 12• Prozessanalysatoren 16• Vision ® Software 19Applikationen• Neue Metrohm Application Notes und Application Bulletins 20Normen• Arzneibücher und internationale Normen 22Industriezweige für NIR-Spektroskopie• Biotechnologie; Chemie; Bildung, Forschung und Entwicklung; Petrochemie;Pharma; Polymere; Papier und Zellstoff; Textilien, weitere Applikationen 24Neu: weitere Anwendungen und elektronische AusgabeAuf www.metrohm.info, der Webseite der MetrohmInformation, finden Sie die elektronische Ausgabe unseres Kundenmagazinsund das Archiv aller Ausgaben von 2005 bis 2013 zumHerunterladen.Inhaltsverzeichnis

Einleitung05Einige der Teilnehmer der NIRS-Schulung, die im März 2013 in Herisau stattfandDie Produktpalette von Metrohm wird um zahlreiche Geräte für dieNahinfrarot-Spektroskopie (NIR-Spektroskopie oder NIRS) ergänzt. Kundenkönnen damit aus noch mehr Optionen wählen und die perfekte Lösungfür ihre Analyseaufgaben im Labor und im Prozess finden. Um die bestenLösungen für die NIR-Spektroskopie anbieten zu können, ist Metrohm einestrategische Allianz mit dem dänischen Hersteller FOSS eingegangen. WährendMetrohm den weltweiten Alleinvertrieb von FOSS NIR-Geräten für dieIndustriezweige Chemie, Petrochemie, Pharmazie und Umwelt übernimmt,kann FOSS sich auf die Lebensmittel- und Agrarindustrie konzentrieren. Damitbauen die beiden Unternehmen ihre Führungspositionen in ihren Märktenaus. Die US-amerikanische Tochtergesellschaft FOSS NIRSystems wird zuMetrohm NIRSystems. Das Unternehmen FOSS stellt weiterhin die Geräteund Software für Metrohm NIRSystems her, womit es in der NIR-Technologieweiter von dem leistungsstarken Forschungs- und Entwicklungsprogrammvon FOSS profitieren kann.In dieser Sonderausgabe der Metrohm Information erfahren Sie, wasNIR-Spektroskopie eigentlich ist, von welchen Applikationen Sie profitierenkönnen und welche Lösungen Sie von Metrohm erwarten können. Zunächsteinmal ein paar allgemeine Überlegungen zu dieser «neuen» Analysemethode.Geschichte und Bedeutung der NIR-SpektroskopieDie Nahinfrarot-Spektroskopie ist eine vielseitige Analysentechnik. Siewurde zum ersten Mal Mitte der 1960-er Jahre vom US-amerikanischenAgrarministerium zur Detektion der Qualität von Äpfeln eingesetzt, die durchdie sogenannte «Glasigkeit» in verheerendem Umfang geschädigt wurden.Aus diesen Anfängen entwickelte sich die NIR-Spektroskopie zu einer weitverbreiteten Methode für schnelle, zerstörungsfreie Analysen einer Vielzahlvon Probenmatrices in zahlreichen Industrien.In der pharmazeutischen und in der chemischen Industrie ist die NIR-Analyse seit rund 30 Jahren erfolgreich implementiert. Zu Beginn lag derSchwerpunkt der Applikationen auf der Rohstoffprüfung. In jüngster Zeit gehtes eher um die Analyse von festen und flüssigen chemischen Präparaten fürdie Produktqualität und die prozessbegleitende Kontrolle (In-Process Control,IPC) von Herstellungsabläufen. In dieser Hinsicht ist die NIR-Spektroskopieauch ein wichtiges spektroskopisches Werkzeug für die Process AnalyticalTechnology (PAT), die regulatorischen Rahmenbedingungen der FDA (UnitedStates Food and Drug Administration) für die pharmazeutische Industrie. Fürdie Materialprüfung werden Proben wie erhalten gescannt, und die Identitätund die Qualität eines Materials werden mit Mustererkennungsalgorithmenbestätigt. Als ein prozessbegleitendes Prüf- und Messwerkzeug bietet dieNIR-Spektroskopie (zusammen mit statistischen Regressionstechniken)nahezu in Echtzeit Informationen für die Steuerung von chemischen Produktionsprozessenund Lösungsmittelrückgewinnungsanlagen sowie Abläufenbeim Trocknen, Mischen und Extrudieren. Damit gewährleistet ist, dassdie am besten geeignete Analysestrategie implementiert wird und stabileNIR-Methoden entwickelt werden, müssen die optischen Kenngrössen derProbe, die Empfindlichkeit und Selektivität des Analyten sowie die Produktions-und Steuerungsanforderungen berücksichtigt werden.NIR-Spektrum und AbsorptionsbandenDie Nahinfrarot-Spektroskopie basiert auf der Absorption, die imNahinfrarotbereich des elektromagnetischen Spektrums (800–2500 nm oder12500–4000 cm -1 ) gemessen wird. Dieses Spektrum reicht vom Ende dessichtbaren bis zum mittelinfraroten (MIR) Spektralbereich. Die fundamentalenAbsorptionsbanden der funktionalen Gruppen von chemischen Stoffenbefinden sich im MIR-Bereich und sind sehr stark. Damit die Extinktionenauf den Linearbereich eines Detektors gesenkt werden, müssen sehr geringePfadlängen verwendet oder Proben verdünnt werden. Wenn dieschwächeren Kombinationsabsorptionsbanden oder die sogenannten Oberschwingungsabsorptionsbandendieser fundamentalen Banden verwendetwerden, müssen Proben nicht vorbereitet werden. Die Banden befinden sichim NIR-Spektralbereich.INFORMATION | 2 | 2013

06Theorie – ein erster AnsatzBegriffe wie «Oberschwingungsspektroskopie» und «anharmonischeSchwingungsspektroskopie» verdeutlichen, dass die NIRS-Theorie keineswegs leicht zu verstehen ist. Auch wenn imRahmen dieser NIRS-Sonderausgabe keine Übersicht über dentheo retischen Hintergrund der Schwingungs spektroskopie gegebenwerden kann, ist es doch nötig, auf einige Grundprinzipiennäher einzugehen, die die Spektreninterpretation erleichtern.Wechselwirkung von Licht und physikalischer MaterieBei der Spektroskopie wird Licht – elektromagnetische Strahlung – fürdie Analyse von Materialien eingesetzt. Dazu wird die Energieübertragungzwischen Licht und Materie beschrieben. Die Energie eines einzelnenPhotons – eines Lichtpartikels – ist definiert als:(Gl. 1)Planck-Konstante in m 2·kg/sLichtfrequenz in s -1Lichtgeschwindigkeit in m/sWellenlänge des Lichts in mWellenzahl des Lichts in m -1Im Allgemeinen werden Wellenzahlen in cm -1 angegeben. Zur Umrechnungder Wellenlänge in Wellenzahlen wird der reziproke Wert derWellenlänge in nm mit 10 7 multipliziert. Aus Gleichung 1 folgt: Je kürzerdie Wellenlänge, desto höher die Wellenzahl und damit die Energie desPhotons.Das elektromagnetische Spektrum ist in mehrere Bereiche aufgeteilt.Jeder Bereich steht für eine bestimmte Art von molekularem oder atomaremÜbergang und damit für eine bestimmte spektroskopische Methode.Die Wellenlängen von Gammastrahlen und Röntgenstrahlen liegen im pmundim niedrigen nm-Bereich und sind sehr schädlich, da sie chemischeBindungen aufbrechen und Moleküle ionisieren. UV-Strahlung deckt denBereich von 190 bis 350 nm ab, sichtbare Strahlung (VIS) den Bereich von350 bis 780 nm. Bei der Photonenabsorption im UV/VIS-Bereich werdenElektronen von energiearmen in energiereiche Molekülorbitale übertragen.Durch Fluoreszenz gelangen sie auf einfache Weise wieder in denGrundzustand. Als Nahinfrarotstrahlung bezeichnete Strahlung definiertden Bereich zwischen ca. 780 und 2500 nm. Moleküle können Infrarotlichtohne eine spätere erneute Emission durch Anregung bestimmterSchwingungsfrequenzen absorbieren. Die Probe absorbiert die Frequenzenvon polychromatischem Licht, das ihren molekularen Schwingungsübergängenentspricht.Theorie

-r eKraft07Harmonischer Oszillator – der IdealfallDiese molekularen Schwingungen können mit dem klassischen physikalischenModell des harmonischen zweiatomigen Oszillators als einfachstemSchwingungssystem beschrieben werden. Zwei schwingende Massen, dieüber eine Feder mit einer bestimmten Kraftkonstanten verbunden sind, führenzu Änderungen beim Kernabstand. Wird das Hook'sche Gesetz mit demNewton'schen Kraftgesetz kombiniert, entspricht die Schwingungsfrequenz:(Gl. 2)Nach dem Hook'schen Gesetz ist die potenzielle Energie V des harmonischenOszillators eine Quadratfunktion der Auslenkung der vibrierendenAtome. Die parabolische Funktion ist symmetrisch zur Gleichgewichtsbindungslänger e .(Gl. 3)Quantenmechanische Überlegungen unter Verwendung der Schrödinger-Gleichungerlauben nur Übergänge zwischen benachbarten und gleichweit entfernten Energiestufen. Die Vorbedingung für die Absorption einesLichtphotons ist, dass die Frequenz des Lichtphotons der Energiedifferenzzwischen zwei Schwingungszuständen der Bindung entspricht. Aber für dieEnergieabsorption ist noch weit mehr erforderlich.Energieabsorption nach der ResonanztheorieNach der Resonanztheorie muss eine Möglichkeit gefunden werden,die Energie erfolgreich auf das Molekül zu übertragen (z. B. durch physischenKontakt). Bei molekularen Schwingungen findet diese Übertragung über diemolekulare Polarität statt. Das heisst, dass eine Wechselwirkung zwischenInfrarotstrahlung und einem schwingenden Molekül nur eintritt, wenn esneben der Schwingung zu einer Änderung des Dipolmoments μ kommt.(Gl. 4)Bindungsfrequenz vonAbsorptionsbandeKraftkonstante der Bindungreduzierte Masse dergebundenen Atomepotenzielle EnergieKernabstandKernabstand beiGleichgewichtAuslenkung vibrierender AtomeNach Gleichung 4 weisen nur heteronukleare zweiatomige Moleküle(Schwingungsspektrum-)Übergänge zwischen den Photonen des Lichtsund den Molekülschwingungen auf. Das Wasserstoffatom ist das leichtesteAtom. Deswegen zeigen Bindungen mit Wasserstoff die grössten Schwingungen(C–H, N–H, O–H und S–H). Ganz gleich, wie hilfreich das Modelldes harmonischen Oszillators auch sein mag, die Realität lässt sich mit ihm invielerlei Hinsicht nicht beschreiben.Anharmonischer Oszillator – die RealitätNach dem Modell des harmonischen Oszillators können unendlicheEnergien im Molekül gespeichert werden, ohne dass Bindungen aufgebrochenwerden. Die Erfahrung lehrt aber, dass alle Moleküle dissoziieren, wennnur genügend Energie zugeführt und die schwingende Bindung gedehntwird. Zudem lassen sich starke Abstossungskräfte beobachten, wenn dieAtome zusammengedrückt werden. Wegen dieser mechanischen sogenanntenAnharmonizität – Bindungsdissoziation und Coulomb-Abstossung– muss das klassische Kugel-Feder-Modell modifiziert werden.Zudem ermöglicht die Anharmonizität Übergänge zwischen nichtbenachbarten Energiezuständen, wobei ∆v = ± 2, 3 ... Ausserdem sind dieEnergieniveaus der Schwingungen nicht mehr gleich weit entfernt, undEnergiedifferenzen nehmen mit steigender Quantenzahl v ab.Folgen für NIRSZusammenfassend kann gesagt werden, dass sich das Auftreten unddie Spektraleigenschaften von NIR-Absorptionsbanden – neben der Änderungdes Dipolmoments – auf die hohe mechanische Anharmonizität derschwingenden Atome zurückführen lassen. Das spiegelt sich in Folgendemwider:• Oberschwingungsübergängen, die Quantenzahlen grösser einsentsprechen und als Vielfache der fundamentalen Schwingungsfrequenzauftreten. Oberschwingungsübergänge treten zwischen ca. 780und 2000 nm auf. Die Wahrscheinlichkeit von ersten und höherenOberschwingungen ist sehr viel geringer als die der fundamentalenSchwingungsfrequenz. Aus diesem Grund sind die Banden schwächer.• In polyatomaren Molekülen treten Kombinationsmodi auf, wobei eszu Wechselwirkungen zwischen mehreren Schwingungsmodi kommt.Die Kombinationsschwingungen erscheinen bei der Summe derVielfachen der einzelnen in Wechselwirkung stehenden Frequenzen. IhreAbsorptionsbanden erscheinen zwischen 1900 und 2500 nm.• den nicht gleich weit entfernten Energiezuständen einer Schwingung.Das bedeutet, dass zulässige Übergänge energieärmer werden.Potenzielle EnergieHarmonischer OszillatorAtomabstandKernabstandDissoziationAnharmonischer Oszillator

Zweiter OberschwingungsbereichKombinationsbandenbereichDritter OberschwingungsbereichErster OberschwingungsbereichH 2 O H 2 O H 2 O H 2 O08ROH ROH ROH RCO 2 H RCO 2 R’ArOH RNH 2 ArOH RNH 2 ArOH CONH 2 RNH 2POHROHRNH 2ArCH RNHR’ ArCH ArCH CONHR ArCH SH CONH 2 CONH 2 (H)CH CH CH CH CH CHO CHCH 2 CH 2 CH 2 CH 2 CH 2 CC CH 2CH 3 CH 3 CH 3 CH 3 CH 3 CH 3700 900 1,100 1,300 1,500 1,700 1,900 2,100 2,300 2,500Wellenlänge [nm]Abbildung 1: Analytische Hauptbanden und relative Peakpositionen für die wichtigsten Absorptionen im Nahinfrarotbereich. Die meisten chemischen undbiologischen Produkte zeigen eindeutige Absorptionen, die für die qualitative und quantitative Analyse verwendet werden können.NIR-SpektralbereichAus dem Vorhergehenden ist offensichtlich, dass die deutlichstenAbsorptionsbanden im NIR-Bereich mit den Oberschwingungs- und Kombinationsbanden(Abbildung 1, Tabelle 1) der Grundschwingungen derfunktionalen C–H-, N–H-, O–H- und S–H-Gruppen zusammenhängen, dieim mittelinfraroten Spektralbereich beobachtet werden.Tabelle 1: Wellenlängen in nm und Wellenzahlen in cm -1 von einigenNahinfrarotbanden von organischen VerbindungenWellenlänge Wellenzahl Zuordnung[nm] [cm -1 ]2500 4000 Kombinationsschwingung derS–H-Streckschwingung2200–2460 4545–4065 Kombinationsschwingung derC–H-Streckschwingung2000–2200 5000–4545 Kombination N–H-Streckschwingung;Kombination O–H-Streckschwingung1620–1800 6173–5556 erste Oberschwingung derO–H-Streckschwingung1400–1600 7143–6250 erste Oberschwingung derN–H-Streckschwingung;erste Oberschwingung derO–H-Streckschwingung1300–1420 7692–7042 Kombinationsschwingung derC–H-Streckschwingung1100–1225 9091–8163 zweite Oberschwingung derC–H-Streckschwingung950–1100 10526–9091 zweite Oberschwingung derN-H-Streckschwingung; zweite Oberschwingungder O-H-Streckschwingung850–950 11765–10526 dritte Oberschwingung derC–H-Streckschwingung775–850 12903–11765 dritte Oberschwingung derN–H-StreckschwingungNIRS, MIR und RamanSpektroskopische Methoden zeichnen sich dadurch aus, dassschnell genaue Informationen aus den hochauflösenden Spektren vonfesten und flüssigen Proben gewonnen werden können, ohne dass vorher(NIRS) oder in geringem Umfang (Raman) Proben vorbereitet werdenmüssen.NIRS, Mittelinfrarot (MIR) und Raman bieten zahlreiche Vorteile(Tabelle 1). Alle drei spektroskopischen Methoden sind wirtschaftlichund ermöglichen qualitative und quantitative sowie nichtinvasive undzerstörungsfreie Analysen. Zu den weiteren Vorteilen gehören, dass siereagenzien- und abfallfrei sind und keine zusätzlichen Hilfschemikalienerfordern. Aus all diesen Gründen eignen sich spektroskopische Methodenideal für die industrielle Qualitätskontrolle und Prozessüberwachung.Für nahezu jede Applikation gibt es die richtige Methode.Die flexibelste Methode ist jedoch NIRS. Insbesondere die verfügbareneffizienten Werkzeuge für die chemometrische Auswertung, dieentsprechende Software sowie Glasfaseroptik haben NIRS zu einem unverzichtbarenWerkzeug für die Forschung und die industrielle Qualitätskontrollegemacht. Mit NIRS können in einer Einzelbestimmung mehrereWerte bestimmt werden. Ein hervorstechendes Merkmal von NIRS in derProzessumgebung ist die Möglichkeit der Messungen vor Ort und derRemote-Probennahme – nicht zuletzt, weil das Spektrometer weit vomProbennahmepunkt entfernt aufgestellt werden kann.NIRS-Analysen können durch lichtdurchlässige Verpackungsmaterialienhindurch durchgeführt werden, womit sie sich ideal für dieQualitätskontrolle von Rohstoffen eignen. Die Eindringtiefe erlaubt auchdie Analyse von Schüttgütern. Inter molekulare Wasserstoffbindungenund Dipolwechselwirkungen verändern die Schwingungsenergie undführen so zu Verschiebungen bei vorhandenen Absorptionsbanden odersogar zur Bildung von neuen Absorptionsbanden. Die Tatsache, dass dieSpektren stark durch physikalische Parameter (z. B. Partikelgrösse, Dichteund Wassergehalt) beeinflusst werden, ist andererseits genau der Grund,warum NIRS ideal für die Erfassung dieser Kenngrössen geeignet ist.Theorie

Tabelle 2: Einige Kenngrössen der NIR-, MIR- und Raman-SpektroskopieRaman MIR NIRWellenzahl 50–4000 cm -1 200–4000 cm -1 4000–12500 cm -1Bindungen homonukleare Bindungen wie z. B.C–C, C=C, S–Spolare Bindungen wie z. B.C=O, C–O, C–FAbsorptionsbanden wegen gestreuter Strahlung absorbierter Strahlung(Grundschwingung)H enthaltende Bindungen wie z. B.C–H, O–H, N–H, S–Habsorbierter Strahlung(Oberschwingungen und Kombination)Absorption stark schwach schwachAbsorptionsbandengut aufgelöst, können bestimmten gut aufgelöst, können bestimmten Serie von überlappenden Bandenchemischen Gruppen zugeordnetwerdenchemischen Gruppen zugeordnetwerdenSignalintensität schlecht gut gutQuantifizierung Intensität (I) ~ Konzentration log I 0 /I ~ Konzentration(Lambert-Beer'sches Gesetz)log I 0 /I ~ Konzentration(Lambert-Beer'sches Gesetz)Anregungsbedingungen Änderung der Polarisierbarkeit a Änderung des Dipolmoments μ Änderung des Dipolmoments μSelektivität hoch hoch niedrig, erfordert Kalibrierung undChemometrieInterferenz breite Fluoreszenzbasislinie Wasser Wasser, physikalische Attribute(z. B. Probengrösse, Form und Härte)Partikelgrösse unabhängig abhängig abhängigAnwendbarkeit für atline, online undinlinegut schlecht gutStrahlungsquelleMonochromatisch(Laser VIS-/NIR-Bereich)Polychromatisch durch Globar ausWolframPolychromatisch durch Globar ausWolframProbenvorbereitung keine reduziert (ausser ATR*) keine09*ATR = Attenuated Total Reflection (abgeschwächte Totalreflexion)NIRS gehört – mehr noch als MIR und Raman – zu den indirektenoder sekundären Methoden. Um Informationen zu erhalten, müssen dieSpektren mit Referenzmethoden verglichen werden. Daher wird anhandder Spektren mit mathematischen Mitteln ein NIR-«Prognosemodell» erstellt,um die Zusammensetzung der untersuchten Probe vorherzusagen.Multivariate Datenauswertung mit ChemometrieNIR-Absorptionsspektren sind häufig komplex und weisen in derRegel breite überlappende NIR-Absorptionsbanden auf. Chemische,physikalische und strukturelle Probeneigenschaften jeder Art beeinflussendie gemessenen Spektren. Auch kleine Unterschiede zwischen denProben einer Probenserie können zu geringen spektralen Unterschiedenführen. Das bedeutet, dass die gewonnenen NIR-Absorptionsdaten (diegemessenen Spektren) von mehreren Variablen gleichzeitig abhängenund daher multivariat sind.In der Chemometrie werden mathematische und statistischeVerfahren für die multivariate Datenanalyse zum Filtern von Informationeneingesetzt, die mit einer bestimmten Eigenschaft aus einer sehrgrossen Datenmenge korrelieren. In der qualitativen und quantitativenNIR-Analyse wird der relevante Teil aus den multivariaten NIR-Datenextrahiert, ohne dass wichtige Informationen verloren gehen und umnicht erwünschte Informationen (z. B. Interferenzen oder Rauschen)auszublenden. In NIR-Modellen wird beschrieben, wie die gemessenenmultivariaten Spektralmerkmale (z. B. Absorptionswerte von Proben,die bei vielen verschiedenen Wellenlängen gemessen werden) mit denEigenschaften der Analyten (z. B. den Konzentrationen der Analyten)zusammenhängen.Erforderliche ReferenzanalysemethodenEine umfassende NIR-Datenanalyse beginnt mit dem Klassifizierenund Identifizieren einer gemessenen Probe, gefolgt von Qualifikationund Quantifizierung. Voraussetzungen für quantitative und qualitativeAnalysemethoden sind Kalibrierung und Validierung von NIR-Absorptionsdaten. Dies erfordert aussagekräftige Proben und genaue Ergebnissevon Referenzanalysemethoden (z. B. Konzentrationen von analysiertenProben). Wenn z. B. der Wassergehalt mit NIR-Spektroskopie bestimmtwerden soll, kann die Karl-Fischer-Titration als Referenzanalysemethodeeingesetzt werden. Wie viele Proben bei der Identifizierung, Qualifikationund Quantifizierung ausreichen, um die normale Schwankung zwischenProben abzudecken, hängt von der Komplexität der Probenmatrix und/oder der Interferenz ab, die die Matrix bei dem Signal des betreffendenAnalyten verursacht.INFORMATION | 2 | 2013

(a)10ExtinktionWellenlänge [nm]Abbildung 2: Wasserbestimmung in Ethanol: (a) NIR-Spektren von Ethanolproben mit unterschiedlichem Wassergehalt; (b) entsprechende Spektren der zweitenAbleitung; (c) vergrösserter Abschnitt von Spektren der zweiten Ableitung zwischen 1828 und 1972 nm (erste O–H-Oberschwingung von Wasser).DatenvorbehandlungBei der Pfadgesamtlänge, die die Photonen bis zum Detektor zurücklegenmüssen, resultieren Schwankungen zwischen Proben aus derinhomogenen Verteilung von Partikeln in einer Probe, unterschiedlichenPartikelgrössen, Schwankungen bei der Probendichte, Unterschieden beider Probenmorphologie (Form und Rauheit der Probenoberfläche), …Sie beeinflussen die gemessenen NIR-Spektren und führen zu Basislinienverschiebungensowie Skalierungsschwankungen (Intensitätsschwankungen).Wenn keine Informationen über das Aussehen von Proben benötigt werden,müssen die NIR-Rohdaten vorbehandelt werden, um ungenaue Resultate zuverhindern. Aus einer Reihe von getesteten Vorbehandlungen ist die zweckmässigsteVorbehandlung diejenige mit der geringsten Zahl von statistischenFehlern in der Datenanalyse (lineare Regression). Zu den klassischen Methodender Vorbehandlung gehören Mittelwert-Zentrierung, Trendbereinigung, Ableitungenerster und zweiter Ordnung, Glättung, automatische Skalierung, …Die Vorbehandlung anhand von Ableitungen zweiter Ordnung ist weitverbreitet und kann dazu beitragen, benachbarte Peaks aufzulösen und dieSpektralauflösung zu verbessern (Abbildung 2).Techniken zur DatenreduktionIdentifizierung, Kalibrierung und Validierung basieren auf Spektren vonDutzenden bis Hunderten von ähnlichen Proben. Jedes NIR-Probenspektrumbesteht aus Daten, die bei Myriaden von verschiedenen Wellenlängen erfasstwurden. Zusammen ergeben sie eine riesige Menge von NIR-Spektraldaten,die verarbeitet werden müssen.Die gemessenen Absorptionen eines Spektrums sind nicht unabhängigvoneinander, sondern hängen eng miteinander zusammen. Das wird alsMultikollinearität bezeichnet und kann zu Problemen (schlechte Vorhersage)bei linearen Regressionsmodellen führen, die für die Kalibrierung eingesetztwerden. Kalibrierungen werden durch Regressionen der gemessenen NIR-Spektraldaten gegen die Werte von Analytkonzentrationen entwickelt, diedurch analytische Referenzmethoden bestimmt werden (z. B. Regressiongemessener Absorptionen gegen Daten zur Referenzanalytkonzentration).Die Hauptkomponentenanalyse (Principal Component Analysis, PCA) isteine weit verbreitete Methode zur Datenkomprimierung und wird alsunüberwachtes Mustererkennungsverfahren in der qualitativen NIR-Analyseeingesetzt. Sie wird für vorbehandelte Daten durchgeführt.Bei der PCA werden die ursprünglich korrelierten Variablen (Absorptionenbei zahlreichen Wellenlängen) in einen sehr viel kleineren Satz von nichtkorrelierten latenten Variablen (Hauptkomponenten, bei denen es sich umVektoren handelt) zerlegt. Der entsprechende Satz von Hauptkomponentenstellt die häufigsten Schwankungen im analysierten Datensatz dar. Die ersteHauptkomponente dieses Satzes wird so berechnet, dass sie den Grossteil derVarianz in den Daten ausmacht. Jede folgende benötigte Hauptkomponentemuss orthogonal zur vorhergehenden Hauptkomponente sein und wird soberechnet, dass sie die höchstmögliche verbleibende Varianz aufweist; daswird fortgesetzt, bis nur Rauschen übrig bleibt. «Overfitting» (die Auswahlvon zu vielen Hauptkomponenten mit dem Ergebnis, dass eine oder mehrerevon ihnen nur Rauschen oder unerwünschte Interferenzen darstellen) musssorgfältig vermieden werden, da es sich nachteilig auf die Stabilität und dieVorhersageleistung des betroffenen Modells auswirkt. Auch «Underfitting»sollte vermieden werden, da wichtige Informationen verloren gehen könnten,wenn nicht genügend Hauptkomponenten verwendet werden.Lineare RegressionsmodelleDie Kalibrierung wird mit entsprechenden Modellen durchgeführt, diedie Beziehung zwischen abhängigen und unabhängigen Variablen beschreiben.Dieser Ablauf wird zunächst exemplarisch mit univariaten Daten vonMessungen einzelner Wellenlängen beschrieben. Dabei ist die unabhängigeVariable die gemessene Extinktion bei einer einzelnen Wellenlänge (X), diefür eine Reihe von Kalibrierungsstandardlösungen gemessen wird, derenKonzentrationen (abhängige Variable, Y) durch eine analytische Referenzmethodebestimmt wurden. Unter der Voraussetzung, dass das Lambert-Beer'sche Gesetz befolgt wird, kann die Beziehung Y = f(X) durch univariateKalibrierung mit linearer Regression ausgedrückt werden. Die berechnetenModellparameter «Steigung» und «Achsenabschnitt» werden für die Vorhersageneuer Proben verwendet.Für multivariate Daten ist eine multivariate Kalibrierung erforderlich. Sieläuft nach denselben Grundprinzipien ab, die gerade für univariate Datenbeschrieben wurden. Die unabhängigen Variablen sind die Extinktionenbei einer Reihe von Wellenlängen, und mehrere abhängige Variablen (Konzentrationswerte)können berücksichtigt werden. Es gibt eine Reihe vonbewährten Regressionsmodellen, die für die multivariate Kalibrierung eingesetztwerden können. Ein weit verbreitetes Regressionsmodell, das von derVision ® Software von Metrohm NIRSystems verwendet wird, ist die multipleTheorie

(b)Intensität der zweiten Ableitung11Wellenlänge [nm](c)Intensität der zweiten AbleitungWellenlänge [nm]lineare Regression (MLR). Sie wird auf Spektren der zweiten Ableitung einesKalibrierprobensatzes angewendet. Um das Problem der Multikollinearität zubewältigen und ein stabiles Vorhersagemodell zu erhalten, wird die Anzahlder zur Analyse genutzten Wellenlängen erheblich reduziert. Normalerweisewerden beim Einsatz der MLR nur zwei bis zehn sorgfältig ausgewählteWellenlängen berücksichtigt. Sie gehören zu einem repräsentativen Teil deraufgezeichneten Spektren, d. h., sie werden überhaupt nicht oder zumindestkaum durch Interferenzen beeinträchtigt.Eine andere weit verbreitete Kalibriermethode ist die Partial-Least-Squares-Regression (PLS). Im Vergleich zu MLR können mit PLS mehr Informationenin das Kalibriermodell aufgenommen werden, und PLS ist nichtdurch Multikollinearität eingeschränkt. Bei der PLS-Regressionsmethodewerden die Dimensionalitätsreduktion der x-Matrix und die Regressiongleichzeitig ausgeführt. Analog den Hauptkomponenten von PCR (Hauptkomponentenregression)werden bei PLS sogenannte «PLS-Komponenten»verwendet. Sie werden bestimmt, um die Kovarianz zwischen den Spektraldaten(unabhängige Variablen) und den Konzentrationen (abhängigeVariablen) zu maximieren.Praktischer Ansatz für die NIR-Datenanalyse und weitereInformationenIn den Application Notes und im Application Bulletin von MetrohmNIRSystems fi nden Sie einen detaillierten praktischen Ansatz für dieerfolgreiche Auswertung von spektroskopischen NIR-Messdaten mittelsgrundlegender chemometrischer Methoden unserer Vision ® Software.Auf diese Dokumente wird weiter unten in dieser Sonderausgabe derMetrohm Information näher eingegangen. Es ist dennoch immer vonVorteil, sein Wissen über das für den reinen «Blackbox-Betrieb» Notwendigehinaus zu erweitern und einige Hintergrundinformationen zuerhalten, hier besonders zur Chemometrie. Eine gute Übersicht überChemometrie und die NIR-Spektralanalyse im Allgemeinen erhalten Siein unserer in Englisch verfassten Monographie. Sie beleuchtet theoretischeAspekte der NIR-Spektroskopie und steckt voller praktischer Tipps.Die Monographie kann kostenlos von www.metrohm.com/com/Search/ heruntergeladen werden. Geben Sie dazu die Artikelnummer8.108.5026EN in das Suchfeld ein.

Metrohm NIRSystemsFamilieLabor12Instrumente und Vision ® SoftwareNIRS XDSAnalyzerNIRS DS2500AnalyzerNIRS Analyzer PRONIRS XDS RapidContentAnalyzerNIRS XDSSmartProbe AnalyzerNIRS XDSRapidLiquid AnalyzerNIRS Analyzer PRO –DirectLight/NonContactNIRS XDS RapidContentAnalyzer – SolidsNIRS XDSInteractanceOptiProbe AnalyzerNIRS Analyzer PRO –ContactReflectionNIRS XDSMultiVial AnalyzerNIRS XDSTransmissionOptiProbe AnalyzerNIRS Analyzer PRO –FiberSystemNIRS XDSMasterLab AnalyzerAuf den folgenden Seiten erhalten Sie eine kurze Übersicht überdie Einsatzmöglichkeiten der Metrohm NIRSystems Analyzer.Weitere Informationen finden Sie auf unserer Webseitewww.metrohm-nirs.com oder in unseren Produktprospekten.Laboranalysatoren und Atline-AnalysatorenLaboranalysatoren von Metrohm NIRSystems mit ihrem patentiertenMonochromator können in Laboren für Qualitätskontrolle, Forschung undEntwicklung sowie in Werkslaboren betrieben werden. Das modulare Probennahmezubehörermöglicht die Analyse von Pulvern, Granulaten, Feststoffen,Schlämmen, Gels, Pasten und trüben oder klaren Flüssigkeiten. DaNIR-Analysen mit nicht modifizierten Proben durchgeführt werden, bestehtder wichtigste Aspekt in der Präsentation der Probe für das Gerät. Durchdas modulare Design der Laboranalysatoren von Metrohm NIRSystemsist gewährleistet, dass Analysen für bestimmte Probentypen optimiertwerden. Mit dem NIRS XDS MasterLab Analyzer werden echte Transmissions-und Reflexionsmessungen für feste Dosierungsformen durchgeführt.Profitieren Sie von unserem erweiterten SupportMetrohm NIRSystems erleichtert die Integration der NIR-Spektroskopie in Ihre Analysemethoden und bietet Unterstützungfür eine problemlose Bedienung Ihrer Geräte. Sie können eineoptionale Schulung für die Bedienung von NIRS XDS Geräten undMethodenentwicklung (dreieinhalbtägiger Kurs) bei Metrohmbuchen. Zusätzlich oder als Alternative können Sie sich für eineoptionale Serviceschulung anmelden, in der Sie die Wartung IhresNIRS XDS Analyzers erlernen. Ausserdem haben Sie die Möglichkeit,Ihre Vision ® Validierungsdokumentation auf CD zu erwerbenoder einen zertifizierten Techniker halbjährlich die Geräteleistungbei Ihnen vor Ort bescheinigen zu lassen.Der NIRS XDS RapidContent Analyzer führt Reflexionsanalysen für Materialin Beuteln, Vials oder Probenbechern und Transflexionsanalysen für Flüssigkeitenin Bechergläsern durch. Der NIRS XDS RapidContent Analyzer mitSolids-Modul bietet einen grossen Probennahmebereich für inhomogenePulver, Fasermaterialien, Flocken und Pellets. Der NIRS XDS Rapid LiquidAnalyzer führt temperaturgeregelte Transmissionsanalysen von Flüssigkeitenin Küvetten oder Vials durch. Mit dem NIRS XDS SmartProbe Analyzerkönnen Feststoffe und Flüssigkeiten direkt in Versandbehältern analysiertwerden. Glasfasersonden ermöglichen den Einsatz von Laborgeräten auchfür Scale-up- und Reaktionsüberwachung.Da keine Probenvorbereitung nötig ist, können NIR-Laboranalysenschnell und reproduzierbar von vielen Mitarbeitern durchgeführt werden.Geschwindigkeit, Sauberkeit und Einfachheit machen NIR zur idealenTestmethode für die Produktion. Im Labor entwickelte Methoden könnenproblemlos für die Rohstoffprüfung und Atline-Tests vor Ort eingesetztwerden. Online-NIR-Methoden mit Glasfaseroptik werden als Fenster inden Prozess entwickelt.Die patentierte Scan-Technologie von Metrohm NIRSystems ermöglichteine optimale Auswahl von Wellenlängen, effiziente Kalibrierungsentwicklungund unkomplizierte Implementierung. Die NIRS XDS-Technologiebietet eine sehr hohe Analyzer-Leistung und Geräteanpassung, um dieEntwicklung von Methoden zu erweitern, die Implementierungszeit zuminimieren und eine nahtlose Übertragbarkeit der Methoden zu gewährleisten.Identifizierung sowie qualitative und quantitative Methoden könneneinfach mit der modernen, benutzerfreundlichen und netzwerkfähigenVision ® Software erstellt werden. Präzise und genaue Analysen sind miteinem Tastendruck oder per Mausklick möglich.Instrumente und Software

ProzessNIRS XDS ProcessAnalyzer13NIRS XDSProcess Analyzer –SingleFiber SinglePointNIRS XDSProcess Analyzer –MicrobundleSinglePointNIRS XDSProcess Analyzer –DirectLight/NonContactNIRS XDSProcess Analyzer –SingleFiber 4 ChannelsNIRS XDSProcess Analyzer –Microbundle 4ChannelsNIRS XDSProcess Analyzer –SingleFiber 9 ChannelsNIRS XDSProcess Analyzer –Microbundle 9ChannelsNIRS XDS RapidContent AnalyzerDer NIRS XDS RapidContent Analyzer eignet sich für schnelle undzerstörungsfreie Messungen von flüssigen und festen chemischen undpharmazeutischen Rezepturen.Mit dem RapidContent Analyzer können Sie Routinetests ersetzen,den Produktionsprozess beschleunigen und Quarantänezeiten praktischvollständig eliminieren. Materialbestimmungen oder Untersuchungen derZusammensetzung werden entweder im Labor oder atline an Proben inihren Original-Vials, -beuteln oder -flaschen durchgeführt.Das Solids-Modul erweitert die Analyse auf praktisch alle Feststoffformen,von feinen Pulvern bis hin zu grobkörnigem Material, Pelletsund Flocken. Durch die optional einstellbare Punktgrösse kann die Probenbeleuchtungje nach den physikalischen Eigenschaften Ihrer Probenangepasst werden.NIRS XDS MultiVial AnalyzerDer NIRS XDS MultiVial Analyzer steht für die nächste Generation vonanwendungsspezifischen NIR-Analysen; er ermöglicht schnelle und zerstörungsfreieMessungen von Feststoffen in Vials.Mit dem MultiVial Analyzer können Sie Routinetests ersetzen, denProduktionsprozess beschleunigen und Quarantänezeiten praktisch vollständigeliminieren. Materialbestimmungen oder Untersuchungen derZusammensetzung werden entweder im Labor oder atline, an Proben inVials, durchgeführt. Der Analyzer unterstützt die Aufnahme von Spektrenin einem unbeaufsichtigten Modus, d. h., der Anwender kann gleichzeitigandere Proben vorbereiten, Daten analysieren etc.Der vielseitige Probennahmemechanismus des MultiVial Analyzersbietet eine bewegliche (X-Y) Probenplattform, die sich für die Handhabungeines Tabletts mit mehreren Vials eignet. Durch die integrierte Funktionzur Einstellung der Punktgrösse kann die Probenbeleuchtung je nachDurchmesser der verwendeten Vials angepasst werden. Die Iris zur Probenzentrierungist für die Einzelprobenanalyse vorgesehen, während der optionaleProbenbehälter für grobkörnige Substanzen die Analyse auf praktischalle Feststoffformen erweitert, von feinen Pulvern bis hin zu grobkörnigemMaterial wie Pellets und Flocken.INFORMATION | 2 | 2013

14NIRS XDS MasterLab AnalyzerDer NIRS XDS MasterLab Analyzer kann für schnelle und zerstörungsfreieMessungen von Tabletten, Feststoffen und Flüssigkeiten eingesetztwerden.Mit dem MasterLab Analyzer können Sie Routinetests ersetzen, denProduktionsprozess beschleunigen und Quarantänezeiten praktisch vollständigeliminieren. Der Analyzer unterstützt die Aufnahme von Spektrenin einem unbeaufsichtigten Modus, d. h., der Anwender kann gleichzeitigandere Proben vorbereiten, Daten analysieren etc.Der MasterLab Analyzer bietet Arzneimittelherstellern eine schnelle,zuverlässige Testmethode, die die komplette Reihe von festen Dosierungsformenabdeckt: geschichtete Tabletten, Tabletten mit Überzug oderKern, Kapseln, Filmtabletten, Geltabletten und Gelkapseln. Der vielseitigeProbennahmemechanismus des MasterLab Analyzers bietet eine automatisierteund unbeaufsichtigte Reflexions- oder Transmissionsanalyse einesTabletts mit mehreren Tabletten oder Vials.NIRS XDS SmartProbe AnalyzerDer NIRS XDS SmartProbe Analyzer eignet sich für schnelle undzerstörungsfreie Messungen von flüssigen und festen chemischen undpharmazeutischen Rezepturen.Mit dem SmartProbe Analyzer können Sie Routinetests ersetzen, denProduktionsprozess beschleunigen und Quarantänezeiten praktisch vollständigeliminieren. Der SmartProbe Analyzer ist stabil gebaut und eignetsich für den Einsatz im Warenlager oder in Produktionsumgebungen. SensibleIdentitäts- und Qualitätstests von flüssigen oder festen Wirkstoffenwerden direkt im Transportbehälter durchgeführt.Das ergonomische, handliche Design ist unkompliziert; Sonde einfachin die Probe halten und Auslöser drücken. Pass/Fail-Ergebnisse werdennach jedem Test auf dem Griff angezeigt.Die Probenaufgabe ist einfach: Tablett einfach bestücken, in denMasterLab Analyzer schieben und den beweglichen (X-Y) Probennahmemechanismusjede Tablette/jedes Vial richtig positionieren und analysierenlassen. Durch die integrierte Funktion zur Einstellung der Punktgrössekann die Probenbeleuchtung je nach Durchmesser der verwendeten Vialsangepasst werden. Die optionale Probenzelle für grobkörnige Substanzenerweitert die Analyse auf inhomogene Feststoffformen, die von feinenPulvern bis zu grobkörnigem Material wie Pellets und Flocken reichen, dieüber einen grossen Bereich gemittelt werden.Instrumente und Software

15NIRS XDS Interactance OptiProbe AnalyzerDer NIRS XDS Interactance OptiProbe Analyzer wurde entwickelt, umRoutinetests zu ersetzen, den Produktionsprozess zu beschleunigen undLaboranalysezeiten zu minimieren. Der Interactance OptiProbe Analyzerwurde für die Laborreaktionsüberwachung und als Methodenentwicklungssystemfür Prozess-Scale-Up-Anwendungen entwickelt.Mit dem Interactance OptiProbe Analyzer erhalten Sie sowohlReflexions- als auch Tauchsonden für eine Vielzahl von Probentypen. DieReflexionssonde wird zum Scannen von Feststoffen, stark streuendenFlüssigkeiten und Schlämmen verwendet. Die Tauchsonde analysiert wässrigeProdukte, klare Flüssigkeiten und Lösungsmittel. Durch das Glasfaser-Design kann der Interactance OptiProbe Analyzer direkt an der Schnittstellevon schwierigen und gefährlichen Probenumgebungen eingesetzt werden.NIRS XDS Transmission OptiProbe AnalyzerMit dem NIRS XDS Transmission OptiProbe Analyzer können SieRoutinetests ersetzen, den Produktionsprozess beschleunigen und Laboranalysezeitenminimieren.Der Transmission OptiProbe Analyzer wurde für die Laborüberwachungvon wässrigen Produkten, klaren Flüssigkeiten und Lösungsmittelnsowie viskosen Proben entwickelt. Der Transmission OptiProbe Analyzereignet sich gut für Prozess-Scale-Up-Anwendungen und Atline-Messungen.NIRS XDS RapidLiquid AnalyzerDer NIRS XDS RapidLiquid Analyzer kann für schnelle und zerstörungsfreieAnalysen von flüssigen chemischen und pharmazeutischenRezepturen eingesetzt werden. Der NIRS XDS RapidLiquid Analyzer liefertschnelle quantitative und qualitative Ergebnisse zur Qualitätskontrolle und-sicherung.Mit dem RapidLiquid Analyzer kann praktisch jede Flüssigkeit oderSuspension analysiert werden, sowohl im Labor als auch atline. Probenwerden problemlos und ohne viel Reinigungsaufwand in Quarzküvettenoder Einweg-Vials analysiert. Ein temperierter Probenraum bietet die stabileProbenumgebung, die für genaue Messungen unerlässlich ist.NIRS DS2500 AnalyzerMit diesem Gerät geht die Nahinfrarotanalyse einen weiteren Schrittin Richtung Zukunft der Routineanalytik. Der Analyzer bietet eine aussergewöhnlicheGenauigkeit über den grossen Wellenlängenbereich von400 bis 2500 nm. Er ist robust, einfach zu verwenden und IP65-zertifiziertund hält Feuchtigkeit, Staub, Vibrationen und Temperaturschwankungenstand. Durch seine solide Bauweise eignet sich der NIRS DS2500 für dieAtline-Verwendung, kann von jedermann und in den verschiedenstenProduktionsanlagen eingesetzt werden. Der DS2500 erfüllt die pharmazeutischenRechtsvorschriften und unterstützt die Arbeitsprozesse derNahrungsergänzungsmittelindustrie.Viskose Proben können mit diesem Analyzer einfach analysiert werden,wobei Einweg-Vials verwendet werden, was den Reinigungsaufwand aufein Minimum beschränkt. Mit dem optionalen Vial Heater Module bietetdas System auch eine unbeaufsichtigte Probentemperatur-Equilibrierung(bis 200 °C) vor der Datenanalyse, was die Laboreffizienz steigert.INFORMATION | 2 | 2013

16ProzessanalysatorenNIR-Prozessanalysatoren bieten nahezu in Echtzeit Informationenzu chemischen Prozessen beim Betrieb unter schwierigen Herstellungsbedingungen.Die Prozessprobenschnittstelle ist durchden Probentyp und die Prozessbedingungen vorgegeben. Für dieAnalyse von klaren bis lichtundurchlässigen Flüssigkeiten undFeststoffen werden Kontakttransmissions- und Reflexionssondeneingesetzt.Kontaktfreie Reflexionsmessungen werden für Materialien durchgeführt,die in Trichtern und auf Transportbändern und Bandstrassentransportiert werden. Im Allgemeinen wird NIR-Licht vom Gerät überGlasfasern zur Prozessprobenschnittstelle geleitet. Zur Erhaltung derAnalyseleistung wird die Anzahl der Fasern im Glasfaserbündel mit zunehmendenLichtstreuungs eigenschaften erhöht (Tabelle 3). Einzelfaser-NIR-Prozessanalysatoren werden in der Regel für die Analyse von klaren Flüssigkeiteneingesetzt. Micobundle-NIR-Prozessanalysatoren überwachen leichtstreuende flüssige Medien, Suspensionen und Trocknungsprozesse. DieseNIR-Prozessanalysatoren werden für die anspruchvollsten Applikationeneingesetzt, z. B. die Überwachung der Trocknung von hydrierten Medienoder die Analyse von Bestandteilen in kleinsten Mengen. Die Länge derGlasfaserschnittstelle kann 1 m (grosses Faserbündel) bis 150 m (Einzelfaseroptik)betragen. Mit dem Einsatz längerer Glasfasern kann ein Prozessanalysatorausserhalb von Bereichen mit elektrotechnischer Klassifizierung,Sicherheitsklassifzierung oder unter schwierigen Betriebsbedingungen aufgestelltwerden (z. B. bei grossen Temperaturschwankungen). Mit einemMultiplexer-NIR-Prozessanalysator von Metrohm NIRSystems können biszu neun getrennte Prozessströme oder Probennahmepunkte überwachtwerden. Durch Multiplexing werden sowohl die Kosten pro Messpunkt alsauch die Implementierungsgesamtkosten für einen NIR-Prozessanalysatorgesenkt.Analysatoren, Software, Support für Applikationen und Services vonMetrohm NIRSystems erfüllen eine ganze Palette von Anforderungen in derverfahrenstechnischen Industrie – Prozessentwicklung, Rohstoffprüfung,Prozessüberwachung, Endpunktbestimmung, Fliessbetttrocknung, Qualitätskontrolleund Stabilitätsprüfung.NIRS XDS Process Analyzer – SingleFiberDer NIRS XDS Process Analyzer – SingleFiber gehört zur nächstenGeneration von Prozessanalysatoren für Echtzeitanalysen in der pharmazeutischenund chemischen Industrie. Zerstörungsfreie, genaue Messungenwerden direkt in der Prozesslinie oder dem Reaktionsgefäss durchgeführt.Typische Messungen umfassen Reaktionsüberwachung und Endpunktbestimmungin Raffinerie-, Petrochemie- und Polymerprozessen, Lösungsmittelrückgewinnungin pharmazeutischen API-Anlagen und Analysen vonextrudierten Polymerfolien und -beschichtungen.Durch die Verwendung von einzelnen Fasern und den zugehörigenSonden und Durchflusszellen sind kostengünstige Analysen einer Vielzahlvon Probentypen möglich, die von klaren Flüssigkeiten bis zu transparentenFolien reichen.Der Analysator ist als Einzelpunkt- oder Multiplexer-Konfigurationerhältlich. Zwei Konfigurationen von Multiplexer-Prozessanalysatoren bietenentweder bis zu vier oder neun Probennahmepunkte. Durch diese günstigeMöglichkeit, Remote-Messungen durchzuführen, kann der Analysatorausserhalb einer Sperrzone installiert werden, was die Kosten für Installationund Betrieb senkt.Instrumente und Software

17Tabelle 3: Vergleich von Glasfaserschnittstelle, Faserbündelgrösse und Messmodus. Zur Erhaltung der Analyseleistung wird die Faserzahlmit zunehmender Trübheit der Prozessprobe erhöht.Glasfaserschnittstelle Fasergrösse/-anzahl Faserlänge [m] Probentyp ModusEinzelfaser600 µm,1–150 klare Flüssigkeiten, dünne Transmission1 Beleuchtung/1 SammelnSchichten, GaseKleine FaserbündelKleine FaserbündelGrosse Faserbündel200 µm,40 Beleuchtung/40 Sammeln200 µm,40 Beleuchtung/40 Sammeln200 µm,210 Beleuchtung/210 Sammeln1–75 Trübe Flüssigkeiten und TransmissionSuspensionen1–75 Pulver und Schichten Reflexion1–15 Pasten, Schlämme, Pellets, Fasern ReflexionNIRS XDS Process Analyzer – MicroBundleDer NIRS XDS Process Analyzer – MicroBundle gehört zur nächstenGeneration von Prozessanalysatoren für Echtzeitanalysen in der pharmazeutischenund chemischen Industrie. Zerstörungsfreie, genaue Messungenwerden direkt in der Prozesslinie, der Mühle, dem Trockner oder demReaktionsgefäss durchgeführt.Prozessanalysatoren werden während des gesamten Prozessablaufsverwendet, um eine optimale Leistung für viele Arten von Proben zugewährleisten. Die 80 Fasern (wovon 40 beleuchten) erlauben eine kostengünstigeAnalyse von Probentypen, die von klaren Flüssigkeiten bis hin zuSuspensionen und Feststoffen reichen. Konfigurieren Sie den Analysator miteiner Reflexionssonde, einer Tauchsonde oder einem Transmissionssondenpaarfür eine optimale Schnittstelle zu Ihrem speziellen Probentyp.Der XDS Process Analyzer – MicroBundle ist als Einzelpunkt- oderMultiplexer-Konfiguration zur Messung von entweder bis zu vier oderneun Probennahmepunkten erhältlich. Durch diese günstige Möglichkeit,Remote-Messungen durchzuführen, kann der Analysator ausserhalb einerSperrzone installiert werden, was die Kosten für Installation und Betriebsenkt.NIRS XDS Process Analyzer – DirectLight/NonContactDer NIRS XDS Process Analyzer – DirectLight/NonContact gehört zurnächsten Generation von kontaktfreien Prozessanalysatoren für Echtzeitanalysen.Zerstörungsfreie, genaue Messungen werden dort durchgeführt,wo sich ein Produkt bewegt und zugänglich ist, z. B. über einem Förderband,Netz oder Blech.Die kontaktfreie Reflexionsmessung kann detaillierte chemischeAnalysen für lose bis hoch verdichtete, homogene oder inhomogene festeProdukte liefern. Die kontaktfreie Messung wird zur Qualitätskontrolle beiFasern, Blechen, Laminaten und gewebebasierten Produkten wie Kunststoffen,Papier und Textilien verwendet.Der Messkopf wird am Klemmenende einer Glasfaser befestigt. Einehochintensive Lichtquelle im Sensorkopf beleuchtet die Probe. Das Lichtinteragiert mit der Probe und wird zurück zum Sensorkopf reflektiert, vomSammelfaserbündel aufgenommen und an das Gerät zur Verteilung undSignalerkennung weitergegeben.Das patentierte, robuste Design der XDS Process Analyzer bietet einenneuen Grad an konsistenter, verlässlicher und zuverlässiger Geräteleistungund Analyse beim Betrieb in schwierigen Industrieumgebungen. DieÜberwachung mit NIR fügt sich gut in die von der FDA vorgeschlageneProcess-Analytical-Technology-Initiative (PAT) ein.INFORMATION | 2 | 2013

18NIRS Analyzer PRODer NIRS Analyzer PRO ist ein Prozessanalysesystem, das auf hochauflösenderDiodenarray-Technologie basiert. Es ermöglicht zerstörungsfreieAnalysen von Produkten wie Granulaten, Pulvern, Schlämmen oder opaleszierendenSubstanzen direkt in der Prozesslinie ohne Bypass.Der Analysator ist in einem stabilen Gehäuse am entsprechendenStandort im Produktionsbereich untergebracht. Die Messungen werden imKontrollraum angezeigt, und die Ergebnisse können in ein Kontrollsystem füreine Automatiksteuerung mit geschlossenem Kreislauf eingespeist werden.Ausserdem trägt der Analysator dazu bei, den Einsatz von Rohstoffenzu optimieren und die Produktion konsistent näher an den Zielvorgabenablaufen zu lassen.Ein genauer Geräteabgleich verbessert die Methodenentwicklung,minimiert die Anforderungen an die Umsetzung und gewährleistet dieAustauschbarkeit von Kalibriermodellen zwischen Analysatoren.Der NIRS Analyzer PRO ist mit zielgerichteten Schnittstellen erhältlich,die auf Reflexions- oder Transmissionstechnologie basieren, je nachdem,was besser für den jeweiligen Anwendungsbereich passt. Die Messungenwerden direkt an der sich bewegenden Probe im Prozessablauf durchgeführt.Eine hochintensive Lichtquelle mit zwei Lampen beleuchtet die Probedirekt oder durch eine Glasfaser. Das Licht interagiert mit der Probe und dasreflektierte oder übertragene Licht wird vom Diodenarray-Sensor gemessen.Die Ersatzlampe sichert die Systemverfügbarkeit; die analytische Genauigkeitbleibt auch nach dem Wechsel auf eine neue Lampe unverändert.Der komplette Wellenlängenbereich wird unmittelbar gemessen, sodass Messungen auch an sich schnell bewegenden Proben mit hoher Genauigkeitdurchgeführt werden können. Kalibrierungen können zwischeneinzelnen Geräten übertragen werden, so dass eine Erweiterung auf andereMesspunkte leicht möglich ist. Über die OPC-Schnittstelle von Metrohm isteine Integration in Prozesssteuerungssysteme möglich.FensterreflexionHiermit können Inline-Analysen von Pasten, Granulaten, Pulvern usw.in Rohren oder Transportsystemen ohne Bypass durchgeführt werden. DieProdukte laufen über das Schnittstellenfenster. Die Reflexionsschnittstellekann problemlos in der Produktionslinie entweder mit Standard-Durchflusszellenvon GEA Tuchenhagen oder durch Anschweissen eines Verbindungsflanschesin die Wand des Rohr- bzw. Transportsystems eingebaut werden.Direktes LichtInline-Analyse von Produkten, bei denen direkter Kontakt technischnicht möglich ist, beispielsweise bei einem Produkt, das auf einem Förderbandtransportiert wird.Instrumente und Software

19Vision ® SoftwareVision ® Software für NIR-DatenanalyseDie Vision ® Software von Metrohm NIRSystems für chemische/pharmazeutische NIR-Datenanalysen ist als Einzel- oder Mehrbenutzerversionerhältlich.Vision ® SC/SP Single-User Vision für chemische/pharmazeutischeAnalysenSoftware für spektrale Erfassung, Methodenentwicklung und Routineanalysenin Chemie und Pharmazie. Diese Version bietet einem EinzelbenutzerZugang zu NIR-Geräten in einem Netzwerk (eine Kopie von Vision ®pro Gerät). Die pharmazeutische Version der Software ist voll validierbar underfüllt die Anforderungen von 21 CFR Part 11.Vision ® MC/MP Multi-User Vision für chemische/pharmazeutischeAnalysenMulti-User-Software für spektrale Erfassung, Methodenentwicklungsowie Routineanalysen in Chemie und Pharmazie. Diese Version ermöglichteine zentrale Datenbankverwaltung für alle Spektraldatenbanken undumfasst 5 Arbeitsplatzlizenzen. Die pharmazeutische Version der Softwareist umfassend validiert und erfüllt die Anforderungen von 21 CFR Part 11.INFORMATION | 2 | 2013

20ApplikationenDie Applikationsspezialisten von Metrohm NIRSystems habeneine Auswahl von Application Bulletins und Application Noteszusammengestellt, die die Vorteile der zerstörungsfreienNIR-Methode demonstrieren: sehr schnelle Messungen, diepraktisch keine Probenvorbereitung erfordern und keine teurenoder toxischen Reagenzien benötigen. Diese in der folgendenÜbersicht vorgestellte Applikationsliteratur kann vonwww.metrohm.com/com/Applications heruntergeladen werden.Ausserdem werden einige wichtige Branchen vorgestellt, indenen die Nahinfrarot-Spektroskopie erfolgreich eingesetzt wird.Überdies gibt es Informationen zu den geeigneten Geräten vonMetrohm NIRSystems, sowohl für das Labor als auch für denProzess.Application BulletinAB-358: Analyse von Restfeuchtigkeit in einem lyophilisiertenPharmazeutikum mittels Nahinfrarot-Spektroskopie (NIRS)Dieses Application Bulletin beschreibt die Methode der Nahinfrarot-Spektroskopie in diffuser Reflexion, um Restfeuchte in einem lyophilisiertenPharmazeutikum zu bestimmen. Zum Kalibrieren wurden zahlreicheProbenvials mit unterschiedlichen Wassermengen versetzt. Die resultierendenUnterschiede in den Absorbtionsbanden der OH-Schwingung wurdenmittels des Algorithmus der multiplen linearen Regression (MLR) mit dem viaKarl-Fischer-Titration bestimmten Wassergehalt korreliert.Application NotesAN-NIR-001: Bestimmung von pharmazeutischen Wirkstoffen infesten Darreichungsformen mittels Standardadditionen in festerFormDer Wirkstoffgehalt in zwei führenden Schmerzmitteln, Aspirinund Acetaminophen, wird mittels Nahinfrarot-Spektroskopie mit demWirkstoffgehalt in verschiedenen Generika verglichen. Das Standardadditionsverfahrendient der Quantifizierung. Um Nebeneffekte durchPartikelgrösse und Verpackungsmaterialien zu minimieren, wertet man diezweite Ableitung der Spektren aus.AN-NIR-002: Zerstörungsfreie Einzeltablettenanalyse mittels desNIRS XDS RapidContent AnalyzersDiese Application Note zeigt das Potenzial von NIRS als schnelles(< 30 s) und zerstörungsfreies Prüfwerkzeug für feste Darreichungsformen(z. B. Tabletten). NIRS benötigt weder Probenvorbereitung noch irgendwelcheLösungsmittel. Interferenzen durch Streuung werden minimiert, indemman die zweite Ableitung der Spektren auswertet.AN-NIR-003: Analyse von Copolymeranteilen inPolymergranulaten durch Nahinfrarot-SpektroskopieDiese Application Note beschreibt die Bestimmung der Copolymeranteilein Polyethylen- (PE) und Polyvinylacetat-Granulaten (PVA) mittels NIRS.Die Bestimmung der Zusammensetzung der Polymerblends dauert wenigerals 30 Sekunden und bedarf keiner Probenvorbereitung. Die zweitenAbleitungen der Spektren werden mittels der Methode der linearen Regression(Methode der kleinsten Fehlerquadrate) ausgewertet.Applikationen

21AN-NIR-004: Bestimmung von Additiven in Polymergranulatendurch Nahinfrarot-SpektroskopieDiese Application Note zeigt, dass die NIR-Spektroskopie hervorragendgeeignet ist, um geringe Konzentrationen von Additiven in Polypropylengranulatnachzuweisen. Gezeigt wird dies am Beispiel des UV-StabilisatorsTinuvin 770 und des Antioxidationsmittels Irganox 225. MLR-Modelle(multiple lineare Regression) mit kleinsten Fehlerquadraten gleichen Pfadlängenschwankungenund Interferenzen in den Polymergranulaten aus.AN-NIR-005: Bestimmung der Beschichtungen auf Nylonfaserndurch Nahinfrarot-SpektroskopieDiese Application Note zeigt, wie der Gehalt an Beschichtungen(Öl) auf Nylonfasern mittels Nahinfrarot-Spektroskopie bestimmt werdenkann. Um die Effekte zu unterdrücken, die durch Streuung an den Oberflächenbeschichtungenentstehen, bildet man die zweiten Ableitungen derSpektren; die Partial-Least-Squares-Regressionsanalyse (PLS) dient dazu, dieKalibrierfunktion zu berechnen. NIRS bietet Ergebnisse in Echtzeit – für eineAnalyse werden weniger als 30 Sekunden benötigt – und erfordert wederProbenvorbereitung noch Reagenzien.AN-NIR-006: Nahinfrarotanalyse von PolyolenIn dieser Application Note wird eine schnelle, zerstörungsfreie undzuverlässige NIRS-Methode zur Bestimmung der Hydroxylzahl in Polyolenvorgestellt. Ergebnisse liegen in Echtzeit vor, weshalb sich die Nahinfrarot-Spektroskopie hervorragend für die In-Prozess-Qualitätskontrolle eignet. Diezweiten Ableitungen der Spektren und die lineare Regression (Methode derkleinsten Fehlerquadrate) liefern Hydroxylzahlen, die mit denen der Titrationsbestimmungübereinstimmen.AN-NIR-007: Nahinfrarotanalyse von Polyolen: Prozesskontrollein rauen UmgebungenWährend der Polymerisierung liefern Echtzeitbestimmungen derHydroxyl- und Säurezahl von Polyolen wichtige Informationen zum Molekulargewichtund Reaktionsendpunkt. Diese Application Note beschreibtpraktische Aspekte der Prozesskontrolle von Chargenverfahren der Polyolherstellungmittels NIRS.Prozesskontrolle in Echtzeit mit Hilfe von NIRS senkt die Produktionskostenund verbessert die Produktqualität.AN-NIR-008: Ligninbestimmung in HolzzellstoffDiese Application Note beschreibt, wie der residuale Ligningehalt inHolzzellstoff mittels der Nahinfrarot-Spektroskopie bestimmt werden kann.Mittels der Absorptionsbanden von Lignin und Cellulose kann mit Hilfe derzweiten Ableitungen der Spektren der residuale Ligningehalt während derPapierproduktion verfolgt werden.AN-NIR-009: Bestimmung des Hartholz-/Weichholzanteils inHolzprodukten mittels Nahinfrarot-SpektroskopieDie Nahinfrarot-Spektroskopie (NIRS) ist hervorragend dazu geeignet,den Anteil von Hart- und Weichholz in Zellstoff- und Papierproduktenzu bestimmen. Die hier beschriebene Methode basiert auf der Tatsache,dass unterschiedliche Anteile an Hart- und Weichholz über die Intensitätder Absorptionsbanden von Cellulose im NIR-Spektrum verfolgt werdenkönnen. Eine lineare Regression (Methode der kleinsten Fehlerquadrate)für die zweite Ableitung der Spektren liefert Ergebnisse, die sehr gut mitLabormethoden korrelieren. Kurze Analysezeiten (< 1 min) ermöglichen dieSteuerung von Herstellungsprozessen in Echtzeit.INFORMATION | 2 | 2013

22 NormenNormen sind technische Dokumente mit vereinbarten Lösungen,die sich in der Praxis bereits vielfach bewährt haben. DieMotivation zur Entwicklung weltweit akzeptierter Normen istenorm. Umso mehr, da sie auch dazu beitragen, dass aktuelleForschungsergebnisse rasch in Produkte und Prozesse einfliessen.Arzneibücher gewährleisten die Sicherheit von ArzneimittelnSpezifikationen und Prüfverfahren für die allgemein eingesetzten WirkundHilfsstoffe werden gemäss der Weltgesundheitsorganisation (WHO) inmehr als 38 Staaten in nationalen Arzneibüchern ausführlich dargestellt.NIRS ist ein leistungsfähiges Werkzeug für die Analyse von Pharmaka. Hierzugehören die qualitative und quantitative Auswertung von Bestandteilen,Zusatzstoffen oder die Bestimmung des Wassergehalts. Ausserdem kannNIRS für die Auswertung physikalischer Eigenschaften und die Steuerungdes pharmazeutischen Herstellungsprozesses eingesetzt werden.Als sekundäres Prüfverfahren wird NIRS im Europäischen (Ph.Eur.2.2.40), Japanischen und Amerikanischen (USP) Arzneibuch aufgeführt.In Normen zitierte NIRS-MethodenJährlich werden in den pharmazeutischen und (petro-)chemischenLaboren weltweit NIRS-Analysen im zweistelligen Millionenbereichdurchgeführt. Das Potenzial dieses früheren «schlafenden Riesen» ist nochlange nicht ausgeschöpft. Der Erfolg von NIRS ist mit dem Wissen überChemometrie und die angewendeten Vorhersagemodelle verknüpft. Jemehr NIRS Einzug in die internationalen Normen findet, desto mehr trittdie einzigartige Stärke dieses Diagnosewerkzeugs hervor. Tabelle 4 enthälteine Auswahl einiger internationaler Normen, in denen NIRS als Analysemethodezitiert wird.Tabelle 4: Eine Auswahl internationaler Normen, die NIRS verwendenNorm Titel IndustrieASTM D 6122 Standard practice for validation of the performance of multivariate online, atline, and laboratory Instrumentierunginfrared spectrophotometer based analyzer systemsASTM E 1655 Standard practices for infrared multivariate quantitative analysis AllgemeinISO 11151 Laser und Laseranlagen – Optische Standardkomponenten – Teil 1: Komponenten für den UV, Instrumentierungsichtbaren und nahinfraroten SpektralbereichISO/TS 10868 Nanotechnologien – Charakterisierung einwandiger Kohlenstoff-Nanoröhrchen durch UV-Vis-NIR- NanotechnologieAbsorptionsspektroskopieISO 15063 Kunststoffe – Polyole zur Herstellung von Polyurethanen – Bestimmung der Hydroxylzahl mit Hilfeder NIR SpektroskopiePolymereNormen

23MetrohmNIRSystemsMetrohm erweitert seine Produktpalette um Lösungen für die Nahinfra rot-Spektroskopie. Metrohm NIRSys temsbietet• NIR-Spitzentechnologie• mehr als 40 Jahre NIR-Kompetenz• Service und Support durchMetrohmwww.metrohm-nirs.comINFORMATION | 2 | 2013

24 Industriezweige für NIR-SpektroskopieBiotechnologieIn Bioreaktoren kann der erzielte Produkttiter durch die Echtzeitvorhersagevon Schlüsselanalyten verbessert werden. Das ermöglicht einezeitnahe Steuerung und Optimierung des Nährstoffgehalts sowie dieÜberprüfung der Ammoniak- und Laktatkonzentrationen. Mit unserenLabor- und Prozessgeräten wurden Säugetier- und Bakterienzellkulturenmit der Genauigkeit und Zuverlässigkeit von offline eingesetzten chemischenMethoden überwacht.Zu den in der Biotechnologie verbreiteten Analyten gehören Glucose,Milchsäure, Ammoniak, Glutamin, Glutamat, Produkttiter, Acetat undBiomasse.Empfohlene Analyzer• NIRS XDS RapidContent Analyzer• NIRS XDS RapidLiquid Analyzer• NIRS XDS Process Analyzer – MicroBundleChemieIm NIR-Spektrum erscheinen charakteristische Absorptionsbandender Ober- und Kombinationsschwingungen der O–H-Bindung. Diesermöglicht eine schnelle und zuverlässige Bestimmung des Wassergehaltsin vielen Produkten. Entsprechend erlauben die Absorptionsbanden derN–H-, C–H- und S–H-Bindungen eine Reaktionsüberwachung und Endpunktbestimmungin zahlreichen organischen Verbindungen. Bei vielenApplikationen, für die Messungen in der Vergangenheit mit der Prüfungvon physikalischen Eigenschaften, z. B. Viskosität, durchgeführt wurden,können die Messungen mit NIRS durchgeführt werden, wenn es eineAbhängigkeit gegenüber einer intrinsischen chemischen Kenngrösse, z. B.Kettenlänge oder Vernetzung, gibt.Empfohlene Analyzer• NIRS XDS RapidContent Analyzer• NIRS XDS SmartProbe Analyzer• NIRS XDS RapidLiquid Analyzer• NIRS XDS Interactance OptiProbe Analyzer• NIRS XDS Transmission OptiProbe Analyzer• NIRS XDS Process Analyzer – MicroBundle• NIRS XDS Process Analyzer – SingleFiber• NIRS Analyzer PROBildung, Forschung und EntwicklungAuch wenn NIR in erster Linie in produktionsbezogenen Applikationeneingesetzt wird, ist der Einsatz in Forschungs- und Entwicklungseinrichtungenweit verbreitet. In der pharmazeutischen Forschung und Entwicklungwird NIR häufig im Pilotanlagenbetrieb eingesetzt, um die Auswertung dertäglichen Prozesse zu unterstützen. Mit den Arbeiten sollen Kenntnisseüber die Prozesse bei der einheitlichen Vermischung, Granulationstrocknung,der Wirkstofffreisetzung von Tabletten und Liophylisation gewonnenwerden. Chemische Forschungs- und Entwicklungseinrichtungen setzenNIR zur Optimierung von Prozessleistung und Produktqualität ein.Zu den in Forschung und Entwicklung häufig gemessenen Parameterngehören Wassergehalt, Schichtdicke, Härte bei der Walzenkompaktierung,einheitliche Vermischung, Granularität, Verifizierung der Partikelgrösse undWirkstofffreisetzung.Empfohlene Analyzer• NIRS XDS RapidContent Analyzer• NIRS XDS RapidLiquid Analyzer• NIRS XDS Process Analyzer – MicroBundleZu den verbreiteten chemischen Applikationen gehören die Bestimmungder Säure- und Hydroxylzahl, des Gehalts an Bindemittel, Antioxidantien-oder UV-Inhibitoren sowie der Parameter: Aushärtung, Schmelzindex,HDPE/LDPE, Melamingehalt, Kunststoffidentifikation, Polymeranalyse,Al ko hol detektion/-analyse und Detektion von Lösungsmittelrückständen.Industriezweige

25PetrochemieIn der Petrochemie wurden mit der Überwachung des Mischprozessesdurch NIR grosse Einsparungen erzielt, da zentrale Eigenschaften wieWassergehalt, Dichte, Viskosität, Gehalt an Zusatzstoffen und Hydroxylzahlin weniger als einer Minute gemessen werden können.Zu den mit NIR gemessenen Parametern für Benzin gehören Research-(ROZ, ASTM D 2699), Motor- (MOZ, ASTM D 2700) und Strassenoktanzahl(SOZ) und der Volumen- oder sogar Molprozentwert einzelner Komponenten(Paraffine, Isoparaffine, Aromaten, Naphthene oder Olefine [PIANO]).Zu den mit NIR häufig gemessenen Parametern für Diesel gehören relativeDichte, Viskosität, Flammpunkt, Filtrierbarkeitsgrenze (Cold Filter PluggingPoint, CFPP), Pourpoint und Cloudpoint.Empfohlene Analyzer• NIRS XDS RapidLiquid Analyzer• NIRS XDS Transmission OptiProbe Analyzer• NIRS XDS Process Analyzer – MicroBundle• NIRS XDS Process Analyzer – SingleFiber• NIRS Analyzer PROPharmaVon der Identifizierung der Rohstoffe bis zur Messung des einheitlichenWirkstoffgehalts bei den Darreichungsformen kann die Herstellungvon pharmazeutischen Produkten durch die Implementierung von NIR-Methoden unterstützt werden. Die Gesundheitsrichtlinien der FDA und derEuropäischen Union haben die Arbeitsbelastung im Zusammenhang mitder Eingangskontrolle, der Mischung und der Analyse des Gehalts erhöhtund zu strengeren Kriterien geführt. Mit Beginn der vollständigen Prüfungvon Behältern bei der Eingangskontrolle von Rohstoffen in Europa undKanada kann die NIR-Technologie den Zeit- und Personalaufwand senken,der erforderlich ist, um den gestiegenen Compliance-Anforderungen zubegegnen.Mit der PAT-Initiative (Process Analytical Technology) zielt die FDAdarauf ab, die Effizienz der pharmazeutischen Produktion zu steigern. Diesist ein Trend weg von Endkontrollen hin zu Prozessanalyse und -steuerung inEchtzeit. Für die Initiative sind schnelle Analyse ntechniken erforderlich, dieeine umfassende Online- und Inline-Überwachung des Herstellungsprozessesermöglichen. Dafür ist NIRS das leistungsstärkste Analysewerkzeug, dasderzeit alle PAT-Projekte dominiert.Zu den verbreiteten pharmazeutischen Applikationen, die NIReinsetzen, gehören die Eingangskontrolle von Hilfs- und Wirkstoffen(Active Pharmaceutical Ingredients, API), die einheitliche Vermischung,Granulation, Trocknung und Beschichtung sowie die Nachweisanalyse fürdie Partikelgrösse. Ausserdem ist NIR ein unverzichtbares Werkzeug für dieDetektion von gefälschten Arzneimitteln und die Bestimmung des Gehaltsan Wasser und Lösungsmittelrückständen. NIRS ist in diversen internationalenArzneimittelbüchern (Ph.Eur, JP, USP) beschrieben.Applikationsliteratur• AB-358 Analyse von Restfeuchtigkeit in einem lyophilisiertenPharmazeutikum mittels Nahinfrarot-Spektroskopie• AN-NIR-001 Bestimmung von pharmazeutischen Wirkstoffen in festenDarreichungsformen mittels Standardadditionen in fester Form• AN-NIR-002 Zerstörungsfreie Einzeltablettenanalyse mittelsdes NIRS XDS RapidContent AnalyzersEmpfohlene Analyzer• NIRS XDS RapidContent Analyzer• NIRS XDS MasterLab Analyzer• NIRS XDS SmartProbe Analyzer• NIRS XDS RapidLiquid Analyzer• NIRS XDS Process Analyzer – MicroBundle• NIRS XDS Process Analyzer – SingleFiber• NIRS Analyzer PROINFORMATION | 2 | 2013

26PolymerePolymerattribute werden seit den 1950-er Jahren mit NIR gemessen.Da NIR keine Probenvorbereitung erfordert und zerstörungsfrei ist, könnenzahlreiche Polymer- und Kunststoffattribute für qualitative und quantitativeParameter schnell inline oder atline gemessen werden. Mit NIR könnendie Thermoplastproduktion, die Rohstoffreinheit und der Wassergehaltanalysiert werden. Das Verschwinden von Doppelbindungen während derPolymerisation kann mit Inline-Prozess-NIR in Echtzeit überwacht werden.Auch Lösungsmittel- und Monomerückstände können mit der NIR-Analysedetektiert werden. Additive wie Antioxidantien, UV-Inhibitoren und Additive,die eine Verfärbung verhindern, werden mit NIR gemessen. NIR ist einhervorragendes Werkzeug zur Bestimmung der ankommenden Rohstoffeund der Reaktionsendpunkte. Produkte werden so seltener über das erforderlicheMass hinaus verarbeitet, und die Produktionskonsistenz wirdverbessert. Wie in den anderen beschriebenen Industriezweigen ist auchbei Polymeren eine schnelle Bestimmung des Wassergehalts erforderlich.Die NIRS-Analyse ermöglicht auch die Bestimmung von physikalischenEigenschaften wie Molekulargewicht, Verzweigungsgrad, Taktizität,Schmelztemperatur, Verifizierung der Partikelgrösse, Dichte und Viskosität.Ausserdem können die Hydroxyl- und Säurezahl sowie der Aminwertbestimmt werden.Applikationsliteratur• AN-NIR-003 Analyse von Copolymeranteilen in Polymergranulatendurch Nahinfrarot-Spektroskopie• AN-NIR-004 Bestimmung von Additiven in Polymergranulaten durchNahinfrarot-Spektroskopie• AN-NIR-005 Bestimmung der Beschichtungen auf Nylonfaserndurch Nahinfrarot-Spektroskopie• AN-NIR-006 Nahinfrarotanalyse von Polyolen• AN-NIR-007 Nahinfrarotanalyse von Polyolen:Prozesskontrolle in rauen UmgebungenEmpfohlene Analyzer• NIRS XDS RapidContent Analyzer• NIRS XDS RapidLiquid Analyzer• NIRS XDS Process Analyzer – MicroBundle• NIRS Analyzer PROPapier und ZellstoffIn der Papier- und Zellstoffindustrie wird die NIR-Analyse seit vielenJahren eingesetzt. Sie liefert qualitative und quantitative Informationenüber ankommende Holzwerkstoffe und Ligningehalt. Die NIR-Diskriminanzanalysekann zur Bestimmung von Arten sowie von Hartholz- undWeichholzanteilen bzw. Mantelholz- und Kernholzanteilen eingesetztwerden.Zu den mit NIR häufig gemessenen Attributen von Papier und Zellstoffgehören Kappa-Zahl, Ligningehalt, Kraftzellstoffertrag, Tallöl, Wassergehalt,Harz, Helligkeit, Holzarten, Hartholz-/Weichholzanteil, Beschichtungen undKomponentenanalyse (Ton, Titandioxid, Füllstoffe, Asche etc.).Applikationsliteratur• AN-NIR-008 Ligninbestimmung in Holzzellstoff• AN-NIR-009 Bestimmung des Hartholz-/Weichholzanteilsin Holzprodukten mittels Nahinfrarot-SpektroskopieEmpfohlene Analyzer• NIRS XDS RapidContent Analyzer• NIRS XDS RapidLiquid Analyzer• NIRS XDS Process Analyzer – MicroBundle• NIRS XDS Process Analyzer – DirectLight/Noncontact• NIRS Analyzer PROIndustriezweige

27Textilien (Polymere)In der Textilindustrie wird NIR seit Langem zur Unterscheidung vonFaserarten für das Teppichrecycling eingesetzt. Mischungen verschiedenerPolymerfasern können mit NIR analysiert werden. Mit NIR-Online-Prozessanalysatorenwurde die Behandlung von Kettfäden mit Polyvinylalkohol(PVA oder PVOH) in Echtzeit analysiert.Zu den häufig mit NIR identifizierten Fasern gehören Baumwolle/Leinen, handelsübliche Baumwolle, Acryl, modifiziertes Acryl, Acetat,Triacetat, Nomex ® , Kevlar ® (K-29, K49 und K129), Nylon 6, Nylon 6,6,Seide, Polyester, mit kationischen oder Dispersionsfarbstoffen färbbaresPolyester, Polypropylen, PVA und PVC.Applikationsliteratur• AN-NIR-005 Bestimmung der Beschichtungen auf Nylonfaserndurch Nahinfrarot-SpektroskopieEmpfohlene Analyzer• NIRS XDS RapidContent Analyzer• NIRS XDS Process Analyzer – DirectLight/NonContactWeitere NIR-ApplikationenViele Applikationen für NIR fallen nicht unter einen gemeinsamenOberbegriff. NIR kann zerstörungsfrei und ohne Probenvorbereitung invielen verschiedenen Bereichen eingesetzt werden. NIR-Applikationen sindam besten für Materialien mit starken OH-, CH-, NH- oder SH-Absorberngeeignet. Da NIR-Modelle empirisch entwickelt werden, ist NIR sehr nützlichfür Applikationen, bei denen regelmässig dasselbe Produkt gemessenwird. In Zweigen der Holzwerkstoffindustrie, in denen Spanplattenpaneeleund -produkte hergestellt werden, wird NIR für die Wasseranalyse und dieAnalyse des Bindemittelgehalts eingesetzt.Zu den weiteren Applikationen bei NIR-Messungen gehören derWassergehalt in Seifen und der Bindemittelanteil in Spanplattenspänen.Ausserdem steigt die Nachfrage nach Kombinationen von bildgebendenNIR-Verfahren und bewährten bildgebenden Verfahren des Gehirns, z. B.Magnetresonanzbildgebung und Positronen-Emissions-Tomographie.Darüber hinaus gibt es verschiedene Applikationen im Umweltsektorund für Kosmetik- und Körperpflegeprodukte.Für weiterführende Informationen steht Ihnen Ihr Metrohm-Vertretergerne zur Verfügung.Applikationsliteratur• AN-NIR-005 Bestimmung der Beschichtungen auf Nylonfaserndurch Nahinfrarot-SpektroskopieEmpfohlene Analyzer• NIRS XDS RapidContent Analyzer• NIRS XDS MultiVial Analyzer• NIRS XDS MasterLab Analyzer• NIRS XDS SmartProbe Analyzer• NIRS XDS RapidLiquid Analyzer• NIRS XDS Interactance OptiProbe Analyzer• NIRS XDS Transmission OptiProbe Analyzer• NIRS XDS Process Analyzer – MicroBundle• NIRS XDS Process Analyzer – SingleFiber• NIRS XDS Process Analyzer – DirectLight/NonContactINFORMATION | 2 | 2013

Impressum42. Jahrgang, Ausgabe 2ISSN 1424-0904Die Metrohm Information ist die Kundenzeitschrift von MetrohmInternational Headquarters und erscheint zweimal jährlich indeutscher und englischer Sprache.Falls Sie die Zeitschrift noch nicht regelmässig erhalten, lassen Sie esuns bitte wissen.Herausgeber:Metrohm International HeadquartersRedaktion Metrohm InformationCH-9101 Herisau/SchweizVerantwortlicher:Dr. Kai H. Viehwegerkhv@metrohm.comRedaktion:Dr. Benedikt GallikerRoman Moserrmo@metrohm.comDr. Alfred Steinbachast@metrohm.comÜbersetzungen:neo communication agLayout:Ecknauer + Schoch, Werbeagentur ASWDruck:Metrohm International HeadquartersDeutsche Metrohm GmbH & Co. KGinfo@metrohm.dewww.metrohm.deDeutsche Metrohm ProzessanalytikGmbH & Co. KGinfo@metrohm-prozessanalytik.dewww.metrohm-prozessanalytik.deNeu: weitere Anwendungen und elektronische AusgabeAuf www.metrohm.info, der Webseite der Metrohm Information,finden Sie die elektronische Ausgabe unseres Kundenmagazins unddas Archiv aller Ausgaben von 2005 bis 2013 zum Herunterladen.Metrohm Inula GmbHoffice@inula.atwww.inula.atMetrohm Schweiz AGinfo@metrohm.chwww.metrohm.ch