NIR
근적외선 분광법
NIR은 입고되는 제품의 분석 또는 직접 생산 공정에 자주 사용됩니다. 이 분석법을 사용하면 다양한 파라미터를 동시에 빠르고 비파괴적으로 측정할 수 있습니다.
근적외선 분광법이란?
근적외선(NIR) 분광법은 NIR 방사선(800 nm – 2,500 nm)에 대한 샘플 내 분자 결합의 반응을 기반으로 합니다. NIR 빛은 샘플과 상호 작용할 때마다 흡수, 산란 또는 반사됩니다. 이러한 샘플-빛 상호 작용은 샘플의 조성 및 물리적 속성을 직접적으로 나타내는 스펙트럼을 생성합니다.
흡수(피크)는 흡수되는 빛의 파수/파장/에너지에 따라 다른 작용기를 가리킵니다. 예를 들어, 수분을 함유한 제품의 NIR 스펙트럼은 약 1,400 – 1,500 nm(7,100 – 6,500 cm-1) 및 약 1,900 – 2,000 nm(5,200 – 5,000 cm-1)의 범위에서 O-H 작용기에 대한 피크를 나타냅니다.
그림 1: 한 샘플 유형의 NIR 스펙트럼 예시
그림 2: 다양한 작용기의 흡수 영역
■ 결합대
■ 1차 배음
■ 2차 배음
■ 3차 배음
NIR 스펙트럼의 피크는 넓고 겹치는 경향이 있습니다. 스펙트럼에서 직접 정보를 도출하는 것은 대부분 불가능합니다. 대신 표준(습식 화학) 분석법의 기준 데이터를 기반으로 한 교정이 필요합니다. 이것이 바로 NIR이 소위 이차 분석법이고 측정값이 화학적 교정 모델을 기반으로 한 예측값인 이유입니다.
교정 자체는 자원 집약적일 수 있지만 일상적인 분석은 매우 빠르고 효율적입니다. NIR 분석법은 사용의 단순성으로 인해 모든 기술 수준의 작업자가 우수한 측정 결과를 얻을 수 있습니다. NIR 구현 속도를 높이기 위해 조성과 출처가 다른 다양한 샘플을 포함하는 사전 교정된 애플리케이션을 사용할 수 있습니다.
근적외선 분광법으로 어떤 파라미터를 측정할 수 있나요?
구성 성분이 NIR 스펙트럼에 영향을 미치는 한, 시스템을 교정한 후 다양한 파라미터를 측정할 수 있습니다. 이러한 사실로 인해 NIR 분석은 주로 유기물에 사용되는 분석법입니다(무기물은 NIR 빛과 낮은 상호 작용을 나타냄). 가장 자주 분석되는 파라미터가 표에 나와 있지만 유당, 소금, 글루텐, 산, 알코올 등과 같은 더 많은 파라미터를 분석할 수 있습니다.
- 수분
- 단백질
- 지방(또는 오일)
- 회분
- 섬유
- 당
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NIR 교정 모델 개발 방법
응용 분야의 유형이 정량 분석이든 식별이든 상관없이, 매트릭스와 조성은 장비에 «가르쳐야» 합니다.
정량적 교정을 구축하려면 샘플을 NIR 장비로 측정한 다음 킬달, 지방 추출, 건조 오븐, HPLC, 적정 등과 같은 기준 분석법으로 분석해야 합니다. 교정 모델은 할당된 기준 값과 함께 NIR 스펙트럼을 기반으로 구축됩니다. 모든 매트릭스(제품 유형)가 서로 다른 스펙트럼을 산출하기 때문에 매트릭스 및 파라미터당 한 번의 교정이 필요합니다. 예를 들어 치즈의 수분에 대한 교정은 밀가루의 수분을 측정하는 데 사용할 수 없습니다.
그림 3: 정량적 NIR 교정 개발 과정
Ⓐ NIR 장비를 통한 측정
Ⓑ 기준 분석(예: 추출)
Ⓒ 스펙트럼에 기준 값 추가
Ⓓ 교정 개발 또는 업데이트
그림 4: 예측 값과 기준 값을 보여주는 NIR 교정 도표
이 절차에 따라 여러 제품 및 파라미터에 대한 교정을 생성할 수 있습니다. 일반적으로, 백분율 범위의 파라미터를 측정하기 위해 근적외선 분광법을 적용할 수 있습니다. 더 낮은 범위에서의 측정은 덜 정확하거나 불가능하기도 합니다. 유사한 화학 구조를 가진 두 개의 다른 파라미터를 구별하는 것도 어려울 수 있습니다.
원료 식별의 경우, 소위 클러스터 교정이 생성됩니다. 이 경우, 다양한 제품의 NIR 스펙트럼을 기록한 다음 다양한 물질에 할당합니다. 물질의 스펙트럼이 이러한 클러스터 중 하나와 일치하면 이 물질로 인식됩니다.
그림 5: 근적외선 분광법에서 클러스터 교정을 개발하는 방법
Ⓐ NIR 장비를 통한 측정
Ⓑ 기준 분석(예: HPLC)
Ⓒ 물질을 스펙트럼에 할당
Ⓓ 교정 개발 또는 업데이트
그림 6: NIR 클러스터 교정의 2D 투영 예시
Ⓐ 셀룰로오스
Ⓑ 실리카
Ⓒ 포도당
Ⓓ 전분
성공적인 NIR 교정 모델 개발을 위한 팁
NIR 장비를 통한 측정의 정확도와 정밀도는 교정 모델에 기반하며, 교정 모델은 교정 샘플의 수, 교정 샘플의 선택 및 일차 분석법을 통해 획득한 기준 값의 품질에 따라 달라집니다.
NIR 교정 모델 개발의 요소
교정 샘플은 조성, 입자 크기, 공급업체/배치 편차, 불순물, 온도 범위, 계절 등과 같은 모든 범위의 제품 변동성을 대표해야 합니다.
교정 구축에 필요한 샘플의 수는 예측하기 쉽지 않습니다. 샘플은 예상 샘플의 전체 범위에 걸쳐 고르게 분포되어야 합니다. 작업 범위가 크면 범위가 작을 때보다 교정을 구축하는 데 더 많은 총 샘플량이 필요합니다. 샘플의 양이 많고 샘플에 포함되는 변동성이 많을수록 교정 모델이 더 견고해집니다.
작동 범위 한계에서의 성능을 개선하기 위해 교정 범위는 작동 범위보다 커야 합니다. 교정 범위를 벗어난 예측은 단순한 외삽일 뿐입니다.
NIR과 IR과 라만 비교
세 분석법 모두 구조적 지문을 제공하고 몇 초 안에 측정값을 제공합니다. 그렇지만 몇 가지 차이점이 있습니다.
표 1: NIR, IR, 라만 분광법의 장단점
장점 | 한계 | |
|---|---|---|
NIR | - 중간 범위 IR보다 훨씬 더 잘 샘플을 투과할 수 있음 - 더 많은 이종 샘플 측정 가능(ATR-IR과 대조) - 샘플 전처리 및 희석이 필요하지 않음 - 비파괴 분석법 - 극성 결합(O-H, N-H, S-H, C-O 등)이 있는 파라미터를 측정할 수 있음 - 간단한 램프 모듈을 광원으로 포함하는 간단한 시스템 구성 요소 | - IR 및 라만에 비해 열악한 분해능 - 샘플이 용기/백을 통해 측정되는 경우 이 역시 보정이 필요함 - 헤테로사이클과 같은 무기물 또는 비극성 분자 측정이 어려움 |
라만 | - 강력한 흡수대(기본 진동 대 배음) - 흡수대의 분리 양호 - 흡수대의 강도로 혼합물의 개별 성분을 정량화하는 데 사용할 수 있음 - 스펙트럼 라이브러리를 기반으로 물질을 식별하는 데 사용할 수 있음 | - 수분 피크가 관심 대상 피크와 겹칠 수 있으므로 수분 함량이 많은 샘플에는 사용할 수 없음 - 보다 복잡한 샘플 준비(표면 분석법일 뿐인 ATR-IR이 아닌 경우) - 유리 석영 또는 사파이어로 제작되는 저렴하고 쉽게 접근할 수 있는 샘플 홀더 및 장비 구성 요소(예: 광섬유 프로브)는 자체 흡수로 인해 사용할 수 없음 |
Raman | - 비파괴 분석법 - NIR에 비해 더 좁은 피크와 더 나은 분리 - 레이저를 광원으로 사용하여 측정이 빠름 - 입자 크기 또는 결정 구조의 영향 없음, 이는 다른 한편으로 중요한 정보가 될 수도 있음 - 용기/백이 측정에 거의 영향을 미치지 않음
| - 비극성 결합을 감지하는 데만 사용할 수 있음 - 수분 함량 분석에 사용할 수 없음 - 레이저를 광원으로 사용하므로 기기 구성 요소가 더 복잡해지고 샘플 과열의 위험이 있음 - 형광을 나타내는 샘플은 측정하기 어려움 |
전반적으로, 세 방법 모두 품질 관리 및 공정 기술에서 핵심적인 역할을 하며 어떤 방법이 해당 응용 분야에서 장점이 가장 클지 신중하게 평가해야 합니다.