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근적외선 분광분석기(NIR Analyzer) 이론

NIR은 근적외선(Near InfraRed)의 약어로서, 빛의 적외선 영역에 해당됩니다.  파장 범위는 780 ~ 2500 nm 입니다.

주로 CH, OH, NH, SH 등의 유기 분자 결합 및 진동 운동에 대한 정보를 얻을 수 있으며, 모든 유기물은 근적외선을 조사시키면 분자 특유의 진동을 하게 되고, 이에 따라 각 성분들은 고유의 파장대에서 특유의 스펙트럼을 얻을 수 있습니다.

이 스펙트럼 데이터를 이용하여 정성분석과 정량분석을 수행할 수 있습니다.

NIR은 정성 분석 및 정량 분석에 이용이 가능합니다. 정성분석의 예로써 원산지 판별 등이 있으며, 정량분석은 품질관리를 위한 함량 분석 등이 가능합니다.

근적외선 분광분석기(NIR Analyzer)는 실시간 정보를 제공하며, 시료 전처리 없이 10초 이내에 분석이 완료됩니다. 또한 여러 성분을 동시에 분석할 수 있어 전수 검사에 이용이 가능합니다. 분석 대상은 고체, 액체, 반고체 등이 가능하여 시료 형태에 제한이 거의 없습니다.

작업자에게 해로운 유해 용매를 사용하지 않으며 유해 폐기물이 없어서 친환경 분석 및 안전한 분석이 가능합니다.

근적외선 분광분석기 개발 배경

 

  • 전통적인 습식 분석 방법으로서 분석량 한계를 극복하기 위해 개발되었습니다.

  • 기존 분석 제한 요소

    • 시간: 시료 전처리 및 분석에 요구되는 시간이 많이 요구됩니다.

    • 노동력: 각각의 분석을 위해서 인력이 필요합니다.

    • 효율성: 실시간 데이터 제공이 어렵습니다.

    • 분석 비용: 화학 시약 및 폐기물 처리 등의 비용이 요구됩니다.

  • 다양한 어플리케이션 대응 요구: 기존 분석시스템은 특화된 목적에 적합하지만 멀티 분석 능력이 부족합니다.

특징 및 장점

  • 화학 약품을 사용하지 않으므로 실험실 환경을 개선할 수 있습니다.

  • 시료 전처리가 필요 없는 비파괴 분석법입니다.

  • 최소의 유지 비용으로 사용이 충분합니다.

  • 실험실은 물론 생산 현장에서도 이용이 가능합니다.

  • 비정상 시료 검출(Outlier detection) 기능이 있어 신속 점검(Fast Screening)이 가능합니다

  • 분석시간이 빠릅니다. 약 6초

  • 사용이 간단합니다. (초보자도 5분 교육 후 사용 가능)

필요성

  1. 품질관리

    NIR은 시료 전처리 없이 6초에 분석이 완료됩니다. 원료 및 제품의 신속한 품질관리와 생산효율의 증대효과를 기대할 수 있습니다. 부적합한 원료의 공급 차단 및 출고되는 모든 제품의 이상유무를 파악할 수 있습니다.
  2. 원가절감

    빠르고 정확한 측정이 가능하여 원료의 과량투입을 방지하고 시약 및 초자가 필요 없어 분석비용을 절감할 수 있습니다. 또한 최소 공간 이용으로 실험실 운영을 최적화 할 수 있습니다.
  3. 분석의 신뢰성

    근적외선 분석기는 다른 화학분석과 달리 고도의 테크닉을 요구하지 않기 때문에 실험 데이터를 안정적으로 유지시킬 수 있습니다.
  4. 실험실 환경개선

    비파괴 분석법이며 어떠한 화학약품도 사용되지 않습니다. 따라서 화학분석 시 발생하는 유독가스 및 폐수 발생량을 획기적으로 줄일 수 있습니다.
  5. 고객 만족도 향상

    제품의 품질관리가 강화되어 홍보 및 클레임을 줄일 수 있습니다.
  6. 각종 규제 대응

    위해요소관리기준(HACCP), 제조물책임법(PL법) 등은 최종 제품 품질 확인 이상의 것을 요구하며, 작업공정, 작업공정의 사전관리, 전제품의 완전성 확보를 요구합니다. 식품 및 제품에 대한 안전 및 품질을 관리하기 위해서 NIR은 대안이 될 수 있습니다.

분석 장비 기술 발전

1세대 NIR 기술
2세대 NIR 기술
3세대 NIR 기술
4세대 NIR 기술
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  • 1세대 Filter type NIR

    • Filter type의 기기는 특정 파장의 filter를 사용하여 스펙트럼의 일부 파장만을 선택하여 측정할 수 있습니다.

    • 1960-1980년 대에 주로 이용되던 방식으로서 시료에 대한 충분한 data 제공이 어렵습니다.

  • 2세대 Dispersive type(Grating) NIR
    • 광원에서 나온 빛은 단색화 장치(grating)에 의해 각각의 구성 파장으로 분리됩니다.

    • 전체 spectrum 영역에 대한 Full scan이 가능합니다.

    • 시료에 대한 정량 및 정성 분석이 가능합니다.

  • 3세대 FT-type NIR

    • Source를 통해서 나온 빛은 interferometer를 거쳐 시료를 통과하면서 interferogram으로 만들어지며, Interferogram은 Fourier 변환에 의해 spectrum으로 전환됩니다.

    • 1993년 이후 적용됨. 2세대 보다 빠른 분석 및 스캔 횟수 등이 증대되었습니다.

  • 4세대 Dispersive type (Stationary Grating) NIR

    • 광원을 통해서 나온 빛은 시료에 100% 전달되며 3세대 FT-NIR에 비해 두 배 증가됩니다.

    • Diode Array 검출 시스템 적용으로 전 파장이 동시에 스캔 됩니다.

    • 2세대 Dispersive 보다 높은 해상도와 2세대, 3세대의 moving part 가 없어서 장비 안정성, 측정 속도, 스캔 횟수가 획기적으로 증대되었습니다.

    • 분석당 약 150회 스캔(1초당 최대 100회 스캔 가능)으로 평균 스펙트럼을 얻어서 안정적인 데이터를 제공합니다. (Grating NIR은 약 32회, FT-NIR은 1분 동안 약 120여 회 스캔이 가능)

    • 분석 속도가 빠릅니다. (6초)

분석 적용 

분광분석법은 시료에 근적외선 빛의 상호작용을 연구하는 방법이며, 근적외선 분광분석기는 근적외선 빛을 시료에 전달하고 스펙트럼(흡광도)을 분석하여 정성분석 및 정량 분석에 이용합니다. 간접 분석법으로 Reference 분석법의 값을 이용하여 검량 작업을 한 후 적용합니다.

어플리케이션

 

정량 분석

  • 일반 성분:          수분, 조단백질, 조지방, 조섬유, 조회분, 아미노산, 당류(포도당, 자당, 글루코즈 등), 알코올, 과산화물가, 요오드가, 산가, 염도, pH, 탄수화물, 아밀로즈, 전분, 고형분 함량, KOH, ADF, NDF, Brix 등

  • 무기물:              Ca, P, Na 등

  • 미량 성분:          카테킨, 아미노산, 캡사이신 등

 

정성 분석

  • 판별 분석:          농산물의 원산지 판별. 예, 국산/외국산 고추의 판별 등

  • 진위 판별:          진짜와 가짜의 구별. 예, 참기름의 진위 판별, 벌꿀의 진위 등

  • Identity:            순도의 확인 및 불순물의 혼입 검사

     

물성 분석: 점도, AOM, 맛 등

특수 분석: 종자 (콩, 무, 배추, 참박)의 발아율 검사, 방사선 원료 처리 검사 등

 

응용 예

  • 일반식품: 유제품, 스낵, 케첩, 마요네즈, 라면, 초콜릿, 고춧가루, 라면 스프

  • 장류: 간장, 고추장, 된장

  • 주류 및 음료: 주정, 전통주, 소주, 기능성 음료, 과즙음료, 식초

  • 식용유: 팜유, 올리브유, 해바라기유, 대두유, 채종유, 면실유, 옥수수유

  • 곡류: 쌀, 콩, 옥수수, 밀, 참깨, 소맥 보리, 맥아 등

  • 특용작물 외: 고추, 감자, 인삼, 녹차, 감귤, 키위, 고구마

  • 사료:  원료(대두박, 옥수수, 경소맥, 단백피, 소맥분, 소맥피, 야자박, 팜박, 콘글루텐, 채종박 등)및 제품(양돈, 양계, 양축, 양견, 양어)

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