Der physikochemische Hintergrund in der analytischen NIRS

Die Nahinfrarotspektroskopie (NIRS) gewinnt für verschiedene analytische Anwendungen zunehmend an Bedeutung. Sie wird breit in industriellen, landwirtschaftlichen, pharmazeutischen und verschiedenen Bereichen der Qualitätskontrolle eingesetzt. Ein tieferes Verständnis über die spektrale Basisgrundlage blieb bis dato weitgehend auf der Strecke. Analytische Untersuchungen mittels NIRS stützen sich zunehmend auf feine spektrale Unterschiede, die häufig eine direkte Interpretation aufgrund der spektralen Komplexität äußerst schwierig machen. Die molekularen und physikochemischen Faktoren, welche für die spektrale Variabilität verantwortlich sind, sind nur sehr allgemein beschrieben und bekannt. Für ein gezieltes Beispiel bleiben die Details mehrdeutig. Zu diesem Zwecke wurden multivariate Datenauswertungs-Algorithmen etabliert, was zu einer Verwendung der Spektraldaten ohne vollständiges Verständnis führt (Blackbox).Die Weiterentwicklung der NIRS könnte beträchtlich von der Beantwortung grundlegender Fragen profitieren. Andere molekülspektroskopische Untersuchungsmethoden haben bereits stark von der Hilfe quantenmechanischer Berechnungen und Spektrensimulation profitiert. Dieser Ansatz kann im besten Fall ein vollständiges Packet an Antworten auf die oben gestellten Fragen liefern. Im Falle der NIRS hat jedoch ein hoher rechnersicher Aufwand zur genauen Berechnung von anharmonischen Effekten systematische Studien der Spektren-Struktur-Korrelationen bis vor kurzem verhindert. Jüngste Fortschritte in der anharmonischen Theorie und der technologische Fortschritt bei der Rechenleistung erlauben es, die Grenze der grundlegenden NIRS zu überschreiten. Eine exakte spektrale Simulation von hochkomplexen Molekülen ist möglich geworden. Dies eröffnet nunmehr die Möglichkeit, eine systematische rechnerische und spektroskopische Untersuchung durchzuführen, um die komplexen Effekte, die NIR-Spektren bestimmen, zu erforschen. Ziel des Projektes ist es, eine solide Grundlage für dieses neue Gebiet zu generieren, indem die Korrelationen zwischen spektralen Merkmalen und Molekülstrukturen für eine große Auswahl an Molekülen aufgeklärt werden. Die anharmonsichen quantenmechanischen Berechnungen werden das primäre Werkzeug zum Erreichendieser Zielebilden.DieBerechnungen werden mit Hilfe eines Hochleistungsrechenzentrums durchgeführt und die erhaltenen Ergebnisse mit experimentellen Spektraldaten im Detail verglichen. Dieses Projekt wird den Wissensstand auf dem Gebiet der grundlegenden NIR-Spektroskopie erheblich verbessern und gleichzeitig für die analytischen Anwendungen von großem Nutzen sein. Dieses Forschungsfeld bietet hochinnovative Ansätze und wurde bis dato vom Antragsteller zu keiner Förderung eingereicht.

Die Nahinfrarot-Spektroskopie (NIRS) gewinnt eine bemerkenswerte Bedeutung bei analytischen Anwendungen in Industrie, Landwirtschaft, Pharmazie und Qualitätskontrolle/-sicherung. Die Grundlagenforschung, die dieser Analysetechnik zugrunde liegt, ist jedoch angesichts der schwer zu interpretierenden Spektren zurückgeblieben. Die für die beobachtete spektrale Variabilität verantwortlichen molekularen und physikalisch-chemischen Faktoren sind nur allgemein bekannt. Aus diesem Grund wurde ein Workaround in Form einer statistischen Analyse für analytische Routinen angepasst, wodurch NIRS auf ein "Black-Box"-Tool beschränkt wurde, das ohne volles Verständnis verwendet wird. Weitere Fortschritte hängen von der Grundlagenforschung mit einer der dringenden Fragen ab, wie chemometrische NIR-Modelle auf die wichtigsten molekularen Eigenschaften der analysierten Probe reagieren, z. die intermolekularen Wechselwirkungen. Das Projekt bildete eine solide Grundlage für ein aufstrebendes interdisziplinäres Feld. In grenzüberschreitender Forschung, die experimentelle Methoden der analytischen Spektroskopie, eine neue Generation miniaturisierter Sensoren und neuartige Werkzeuge der Computerchemie kombiniert. Die Hauptforschung entwickelte sich um anharmonische quantenmechanische Simulationen von Obertönen und Kombinationsbändern von Modellsystemen, die wichtige Arten von Proben für Industrie und Biowissenschaften darstellen. Dieses Projekt hatte einen streng neuartigen und originellen Charakter, da zuvor keine ähnlichen Forschungsrichtungen verfolgt werden konnten. Die gelösten Probleme und beantworteten Fragen haben den Wissensstand auf dem Gebiet der analytischen NIRS erheblich weiterentwickelt, sind aber auch für die Grundlagenspektroskopie und physikalische Chemie von großem Nutzen. Das Projekt stellte fest, dass die beiden wichtigen Arten intermolekularer Wechselwirkungen, Wasserstoffbrückenbindungen und --Stapelung, zu unterschiedlichen Erscheinungsformen in NIR-Spektren führen. Dieser physikalisch-chemische Unterschied in der Grundschicht spiegelt sich eindeutig in der Relevanz der zugehörigen Variablen in chemometrischen Kalibrierungsmodellen wider, die in analytischen Anwendungen und in der Industrie weit verbreitet sind. Es zeigte sich, dass der Effekt subtil ist, aber auch in dem wichtigen Fall, wo der instrumentelle Unterschied eine Rolle spielt, in den Regressionsmodellen zurückverfolgt werden kann. Dadurch kann ein besseres Verständnis nicht nur der grundlegenden Phänomene (z. B. der in NIR-Spektren ausgedrückten physikalisch-chemischen Faktoren) verstanden werden, sondern auch der Auswirkungen, die sich auf praktische Anwendungen und reale analytische Szenarien auswirken. Folglich brachte das Projekt zunächst einen signifikanten Einfluss auf das Basiswissen mit einem entscheidenden Fortschritt im grundlegenden Verständnis von NIR-Spektren. Zweitens profitieren praktische Anwendungen der NIR-Spektroskopie von dem Projekt mit neuen Erkenntnissen, wie der instrumentelle Unterschied mit der Kenntnis der chemischen Informationen angegangen werden kann, wie in diesem Projekt gezeigt. Der instrumentelle Unterschied spielt eine entscheidende Rolle bei der Anwendung neuartiger miniaturisierter NIR-Sensoren - die in verschiedenen Anwendungen in Wissenschaft und Industrie hoch geschätzt werden, aber immer noch unter "Kinderkrankheiten" leiden. Daher tragen die Projektergebnisse erheblich zu einer besseren Nutzung der neuartigen Sensoren durch grundlegende Grundlagenforschung bei, die durch die einzigartigen Methoden und die für dieses Projekt konzipierte feldübergreifende Forschung möglich geworden ist.