Raman vs. NIR vs. FT-IR — ein Vergleich für die Prozesschemie

Die Wahl zwischen Raman-, NIR- und FT-IR-Spektroskopie ist eine der ersten Entscheidungen, die ein Verfahrensingenieur trifft, wenn er die manuelle Probenahme durch eine In-situ-Messung ersetzen möchte. Jede der drei Techniken hat eine andere Physik, andere Anforderungen an die Probe und eine andere Sondengeometrie – und unter Reaktor- oder Rohrleitungsbedingungen entscheiden diese Unterschiede oft darüber, ob ein PAT-Projekt überhaupt startet.

Diesen Vergleich führen wir aus der Perspektive der Produktion, nicht des Labors: Für jede der drei Techniken zählt nicht die Eleganz der Physik, sondern ob sie die Messung im Reaktor, in der Rohrleitung und im kontinuierlichen Betrieb aufrechterhalten kann. Die Wahl zwischen Raman, NIR oder FT-IR ist selten akademisch – meist entscheidet die konkrete Chemie und Geometrie des Prozesses, an die die Methode ohnehin angepasst werden muss.

Drei Techniken, eine Prozessanalytik

Alle drei Methoden sind Schwingungsspektroskopien – sie betrachten die Schwingungen von Bindungen im Molekül. Sie unterscheiden sich darin, wie sie diese Schwingungen anregen und was sie erfassen.

• Raman – inelastische Streuung von Laserlicht (meist 785 oder 1064 nm). Ein Photon gibt Energie an eine Bindungsschwingung ab oder nimmt sie auf, und der Detektor misst die Frequenzverschiebung. Das Ergebnis ist ein Spektrum mit scharfen, schmalen Banden im Bereich von typischerweise 300–3500 cm⁻¹.
• NIR (Nahes Infrarot) – Absorption von Strahlung im Bereich von ~4000–12500 cm⁻¹ (800–2500 nm). Es misst Obertöne und Kombinationsschwingungen von O–H-, N–H- und C–H-Bindungen. Die Banden sind breit und schlecht aufgelöst, aber das Signal ist stark und lässt sich gut über Lichtwellenleiter übertragen.
• FT-IR (mittleres Infrarot) – Absorption im Bereich von 400–4000 cm⁻¹, d. h. „fundamentale” Schwingungen der meisten funktionellen Gruppen. Die Banden sind scharf und sehr selektiv, aber Wasser absorbiert IR-Licht stark, und klassische Lichtwellenleiter funktionieren in diesem Bereich nicht – es werden ATR-Sonden mit Kristallen aus ZnSe, AgX oder Diamant benötigt.

In der Prozesspraxis konkurrieren diese drei Techniken selten – sie ergänzen sich häufiger. Die Wahl reduziert sich auf die Frage: Welche Moleküle messen wir, in welcher Matrix, an welcher Stelle der Anlage und mit welcher Toleranz gegenüber Störungen?

Vergleichstabelle – Raman vs. NIR vs. FT-IR

Kriterium	Raman	NIR	FT-IR (Mid-IR)
Signaltyp	inelastische Streuung	Absorption von Obertönen	Absorption fundamentaler Schwingungen
Spektrale Selektivität	hoch (schmale Banden)	niedrig (breite Obertöne)	hoch (scharfe Banden)
Empfindlichkeit gegenüber Wasser	niedrig (Wasser streut schwach)	mittel	hoch (Wasser absorbiert Mid-IR)
Messung durch Glas / Verpackung	ja (Quarzküvetten, Glas)	teilweise (Glas schneidet bei ~2700 nm)	nie
Lichtwellenleitersonde	bis ~100 m, Standard	bis ~50 m, Standard	kurze Strecken, spezielle Fasern
Typische Eindringtiefe	Millimeter (abhängig von der Konfiguration)	Millimeter–Zentimeter	Mikrometer (ATR – Kontaktschicht)
Anforderung an chemometrische Kalibrierung	oft niedrig für einzelne Analyten	immer hoch	in der Regel niedrig
Integrationszeit	typischerweise 5–300 s	Millisekunden–Sekunden	Sekunden
Fluoreszenz als Problem	ja (785 nm), schwächer bei 1064 nm	nie	nie
Sondenkonstruktionsmaterialien	Glas, Saphir, Quarz	Glas, Saphir	ZnSe, AgX, Diamant

Wann Raman im Prozess gewinnt

Raman ist unsere Standardwahl für die meisten Anwendungen in der Verfahrenschemie – und das nicht aus Marketinggründen, sondern aufgrund einer Kombination von Eigenschaften, die in der Praxis die Einschränkungen der anderen Techniken eliminieren.

• Wässrige Lösungen – Wasser ist ein schwacher Raman-Streuer. Wir messen Harnstoff, Biuret, Phosphate oder Nitrate in Wasser problemlos, ohne den starken Absorptionshintergrund, der FT-IR beeinträchtigt.
• Polykondensations- und Polymerisationsreaktionen – freier Formaldehyd in Phenol-Formaldehyd-Harzen, freies Phenol, Endpunkt der Polykondensation, Polymorphe. Die schmalen Raman-Banden ermöglichen die gleichzeitige Verfolgung mehrerer Analyten im Reaktionsgemisch.
• Messung durch Glas oder Quarzküvette – ein Vial genügt. Kein Sondenkontakt mit dem Medium und keine spezielle Probenvorbereitung erforderlich.
• Lange Lichtwellenleiterstrecken – Sonde im Reaktor, Analysator im Schrank bis zu 100 m entfernt. Dies ist entscheidend in Zonenanlagen, wo die Elektronik außerhalb des explosionsgefährdeten Bereichs sein muss.
• Identifizierung von Rohstoffen – schmale Banden liefern starke molekulare Signaturen, die von Referenzspektrenbibliotheken gut erkannt werden.

Dort, wo Fluoreszenz auftritt (dunkles Medium, geringe Mengen aromatischer Verunreinigungen, einige ölige Matrizen) – wechseln wir von 785 nm auf 1064 nm, was die Anregung außerhalb des Bereichs elektronischer Übergänge der meisten Fluorophore verschiebt.

Wann NIR gewinnt

NIR hat seine klaren Vorteile, und es wäre unehrlich, diese Technik nur deshalb abzuraten, weil wir mit Raman arbeiten.

• Messung des Feuchtigkeitsgehalts — Wasser weist starke O–H-Obertöne im Bereich von ~1450 und ~1940 nm auf. NIR misst Feuchte in Pulvern, Granulaten oder Pasten mit einer Genauigkeit, die mit anderen Methoden kaum erreichbar ist.
• Sehr schnelle Inline-Messung trockener Materialien — NIR-Dioden arbeiten im Millisekundenbereich, was an Übergabestellen, Bändern und Pulvermischern von Bedeutung ist.
• Anwendungen, bei denen Chemometrie ohnehin notwendig ist — wenn der Analyt einer von vielen chemisch ähnlichen Bestandteilen ist und eine chemometrische Kalibrierung ohnehin erstellt werden muss, liefert NIR mit einem geeigneten PLS-Modell gute und reproduzierbare Ergebnisse.
• Tablettierung und Kontrolle der Gleichmäßigkeit — breite NIR-Banden mitteln das Signal über ein größeres Probenvolumen, was bei heterogenen Granulaten vorteilhaft sein kann.

Die Schwachstelle von NIR in unseren Branchen ist die Selektivität. Wenn in einer Mischung mehrere Substanzen mit ähnlichen C–H- und O–H-Bindungen vorliegen, unterscheidet NIR sie von sich aus nicht – alles muss das chemometrische Modell regeln, das mit der Zeit driftet und eine Rekalibrierung erfordert.

Wann FT-IR die Nase vorn hat

FT-IR bietet die höchste strukturelle Selektivität der drei Techniken und bleibt die bevorzugte Laborwahl für die Identifizierung unbekannter Verbindungen und die Bestätigung der chemischen Struktur.

• Identifikation im Labor — Analyse unbekannter Substanzen, Fingerprinting, Prüfung der Authentizität von Rohstoffen.
• Messung von Oberflächenschichten — ATR misst in einer Tiefe von wenigen Mikrometern, was bei der Untersuchung von Beschichtungen, Folien, Rückständen und Ablagerungen von Vorteil ist.
• Trockene Proben und organische Flüssigkeiten — ohne Wasser im Hintergrund liefert FT-IR ein sauberes, leicht interpretierbares Spektrum.
• Identifikation funktioneller Gruppen — Carbonyl-, Hydroxyl- und Aminbanden sind im mittleren IR scharf und eindeutig.

Schwachstellen von FT-IR im Prozess: begrenzte Sondenlänge (speziell Chalkogenid-Fasern können in dieser Hinsicht nicht mit Silizium-Lichtwellenleitern konkurrieren), null Toleranz gegenüber Wasser in der Transmission sowie die Notwendigkeit IR-transparenter Materialien in der Sonde (ZnSe, AgX, Diamant), die teurer und mechanisch weniger widerstandsfähig sind.

Sonde, Probe, Geometrie – was im Prozess entscheidet

Die Wahl der Technik ist nur die Hälfte der Entscheidung. Die andere Hälfte ist die Geometrie der Grenzfläche zwischen Sonde und Medium, und diese entscheidet oft darüber, ob ein PAT-Projekt in den ersten Monaten nach dem Start funktioniert.

In Reaktoren mit schwierigem Medium – Harzen, viskosen Polymeren, Gemischen mit Ablagerungen – bewächst das optische Fenster der Sonde. Bei Spectrally X1 INLINE lösen wir dies mit einem Modul Retractex, also einer selbstreinigenden Sonde: Sie fährt zyklisch aus dem Prozess zurück, spült das Fenster mit Inertgas oder Spülmedium und kehrt zur Messung zurück. Das ist eine einfache Lösung, beseitigt aber 80 % der Probleme, die bei anderen Anlagen alle paar Tage zum Ausbau der Sonde führen.

NIR und FT-IR haben ebenfalls ihre Eintauchsonden, aber in schwierigen Medien bewachsen auch sie – mit dem Unterschied, dass ATR FT-IR dafür deutlich empfindlicher ist (die letzten Mikrometer des Kontakts entscheiden über das Signal). Daher ist für schwierige Reaktoren und viskose Ströme Raman mit Selbstreinigung in der Regel die praktikabelste Option.

Chemometrische Modelle – PLS, PCA, CNN

Unabhängig von der Technik ist in realen Prozessanwendungen fast immer ein chemometrisches Modell erforderlich. Drei Modellklassen, die wir am häufigsten verwenden:

• PLS (Partial Least Squares) — der Klassiker für die quantitative Regression. Verknüpft das Spektrum mit einem analytischen Wert (Konzentration, physikalischer Parameter). Erfordert einen Kalibrierdatensatz mit Referenzlabormessungen.
• PCA (Principal Component Analysis) — für die qualitative Überwachung, Abweichungserkennung und Chargen-Clusterung. Oft der erste Schritt vor dem Aufbau eines PLS-Modells.
• CNN (Convolutional Neural Networks) — wenn das Spektrum komplex ist, Analyten sich gegenseitig überlagern und die Trainingsdaten ausreichend umfangreich sind. CNN kommt mit Basislinien-Drift und kleinen Bandenverschiebungen besser zurecht als klassisches PLS.

Alle diese Modelle betreiben wir auf der Plattform Spectrally OS – einer gemeinsamen Software-Schicht für die gesamte X1-Familie. Spectrally OS Läuft auf Debian GNU/Linux, verfügt über eine Referenzbibliothek mit rund 28.000 Spektren, Modell-Drift-Überwachung, Archivierung mit RBAC und Audit-Trail sowie Export nach CSV, PDF und RAW. Die Kommunikation mit dem DCS erfolgt über PROFIBUS, PROFINET oder GSM.

Lösungen von Gekko Photonics für die Prozessanalytik

Die meisten Implementierungen haben wir in der Prozesschemie – Phenol-Formaldehyd- und Harnstoffharze, Kosmetika, (SLES, Glycerin), Silikone, Düngemittel (Harnstoff, Biuret, RSM, AdBlue), Klebstoffe, Abwässer und Kohlenwasserstoffe. In diesen Branchen ist Raman mit unserer Software eine Plattform, die wir auf die spezifische Chemie des Kunden konfigurieren. In den Bereichen Prozessanalytik außerhalb dieses Portfolios arbeiten wir projektbezogen, nach einer Machbarkeitsstudie an Kundenproben.

Die Familie Spectrally X1 umfasst:

• Spectrally X1 INLINE — Prozess-Raman-Analysator mit Eintauchsonde, montiert im Reaktor oder in der Rohrleitung. Laser 785 nm, 600 mW (30 mW in der ATEX-Version), Detektor TE-gekühltes Back-Thinned-CCD, standardmäßig bis zu 2 Kanäle, Lichtwellenleiter bis 100 m. Mit Retractex-Modul für schwierige Medien. Vollständige Spezifikation auf der Produktseite Spectrally X1 INLINE.
• Spectrally X1 LAB — stationärer Laboranalysator mit Karussell für 25 Proben, Durchpack-Analyse für Glasfläschchen und Quarzküvetten. Wir verwenden ihn zum Aufbau chemometrischer Modelle vor der Inline-Implementierung und zur Chargenkontrolle in der Qualitätskontrolle.
• Spectrally X1 PORTABLE — tragbarer Analysator im Koffer, IP54. Zur Identifikation von Rohstoffen am Lagertor, für Audits in der Produktionshalle und zur mobilen Modellverifizierung.
• Spectrally OS — Software, die alle drei verbindet. PLS-, PCA-, CNN-Modelle, Bibliothek mit ~28.000 Spektren, Integration in DCS und MES.

Alle Varianten teilen dieselbe chemometrische Schicht – ein mit X1 LAB validiertes Modell kann ohne Neuprogrammierung auf X1 INLINE übertragen werden.

Często zadawane pytania

Wird Raman-Spektroskopie NIR und FT-IR in unserer Fabrik ersetzen?

Es gibt keinen technischen Grund für ein „Entweder-oder”. Raman, NIR und FT-IR messen unterschiedliche Dinge in unterschiedlichen Geometrien. In der Produktion koexistieren sie meist – NIR an der Granulatlinie, Raman im Polymerisationsreaktor, FT-IR im Rohstoffkontrolllabor. Die Entscheidung, welche Investition zuerst getätigt wird, ist eine Frage der Prozesspriorität, nicht der technischen Überlegenheit.

Worin unterscheidet sich Raman aus Kalibrierungssicht von NIR?

Schmale Raman-Banden ermöglichen oft eine halbquantitative oder qualitative Messung ohne tiefgehende Chemometrie – direkt aus der Intensität einer ausgewählten Bande. NIR erfordert praktisch immer ein PLS-Modell, da die Obertonbanden überlappend und unselektiv sind. Für Raman wird ein PLS-Modell dennoch erstellt, wenn eine Genauigkeit im Zehntelprozentbereich gewünscht ist, aber die Einstiegshürde ist niedriger.

Haben Sie Raman-Implementierungen außerhalb der Prozesschemie, in Branchen wie Pharma oder Batterien?

Die meisten Implementierungen haben wir in der Prozesschemie – Harze, Kosmetika, Düngemittel, Klebstoffe und Kohlenwasserstoffe. In Bereichen wie Pharma, Batterien, Wasserstoff oder F&B arbeiten wir projektbezogen: An Kundenproben prüfen wir in einem Machbarkeitszyklus, ob Raman die richtige Methode für den jeweiligen Analyten und die Matrix ist, bevor der Kunde CAPEX bindet.

Was sind typische Messzeiten für Spectrally X1 INLINE?

Die Akquisitionszeit eines Spektrums beträgt typischerweise 5–300 Sekunden, abhängig von der Analytkonzentration, der Sondengeometrie und dem erforderlichen SNR. Für die meisten Prozessreaktionen arbeiten wir im Bereich von 10–30 Sekunden – das reicht für eine kontinuierliche Messung mit einer Aktualisierung mehrmals pro Minute.

Ist Raman 1064 nm die bessere Wahl als 785 nm?

Hängt von der Matrix ab. 785 nm liefert ein stärkeres Raman-Signal (das Signal skaliert mit ~λ⁻⁴), aber bei Vorhandensein von Fluorophoren überflutet der Fluoreszenzhintergrund das Spektrum. 1064 nm kommt mit Fluoreszenz deutlich besser zurecht, benötigt aber eine höhere Laserleistung und einen anderen Detektortyp. In unserem Angebot sind beide Konfigurationen verfügbar – die Auswahl treffen wir während der Machbarkeitsstudie.

Pomiar testowy i konsultacja inżynierska

Bei uns, Gekko Photonics, wählen wir die Messtechnik basierend auf der spezifischen Chemie und Prozessgeometrie aus – wir verkaufen keine fertige Box und lassen den Kunden nicht mit dem Modellbau allein. Der standardmäßige erste Schritt ist ein 30-minütiges Gespräch mit einem Applikationsingenieur, in dem wir Analyt, Matrix, erwartete Genauigkeit und Einbaupunkt besprechen.

Wenn die Richtung vielversprechend erscheint, führen wir eine Testmessung an Kundenproben durch – typischerweise innerhalb von 2 Wochen nach Probeneingang. Das Ergebnis der Machbarkeitsstudie zeigt, ob Raman, NIR oder FT-IR die richtige Wahl ist, welche Spektralbanden diagnostisch sind und welches chemometrische Modell benötigt wird. Erst nach der Machbarkeitsstudie sprechen wir über die Hardware-Konfiguration und den Implementierungszeitplan.

Schreiben Sie uns über Kontaktformular oder fordern Sie eine technische Beratung an – wir kommen innerhalb von 10 Arbeitstagen mit einem Machbarkeitsvorschlag zurück. Weitere praktische Artikel über Raman-Spektroskopie in der Industrie finden Sie in unserer Wissensdatenbank.