Zobáková spektroskopie. GPM.2.1.0001.15 Spektrometrie v blízké infračervené oblasti Matematické zpracování NIR spekter

MicroNIR™ Pro Spectrometer je ultrakompaktní, ultralehký a cenově dostupný NIR spektrometr, který kombinuje vysoce přesné optické komponenty Viavi OSP s nejpokročilejšími technologiemi pro miniaturizaci optiky a přístrojů. Spektrometr MicroNIR™ Pro je ideálním řešením pro různé aplikace a kombinuje dobrý poměr cena/výkon a snadné použití. S nejmenší velikostí a nejnižší hmotností ze všech komerčně dostupných řešení lze spektrometr MicroNIR™ Pro NIR snadno a přímo integrovat do většiny zařízení výrobní linky, jako jsou sušičky s fluidním ložem, mixéry, válcové lisy, tabletovací stroje pro kontrolu vlhkosti nebo monitorování po ukončení technologické operace. Ultrakompaktní tvarový faktor spektrometru také umožňuje jeho použití při forenzních vyšetřováních v terénu k identifikaci výbušnin a omamných látek.

Přehled technologie

Mobilní a vestavěná řešení NIR spektrální analýzy se v současnosti používají pro kvalitativní a kvantitativní analýzu pevných látek, kapalin a plynů a jsou ideální pro potravinářský a zemědělský, farmaceutický a chemický průmysl a environmentální studie. Kompaktní velikost NIR spektrometru je zároveň velmi žádaná, protože právě taková zařízení jsou vhodná pro použití v terénu i pro jejich integraci do průmyslových reaktorů a strojů.

Pro výrobu optického modulu spektrometrů MicroNIR je použita patentovaná technologie depozice tenkovrstvých lineárně variabilních filtrů (LVF). Tyto filtry fungují jako disperzní prvek spektrometru a jsou speciálním tenkým klínovitým jednostranným povlakem. Protože vlnová délka maxima absorpčního pásma závisí na tloušťce povlaku
filtr, klínovitý tvar LVF filtru umožňuje průchod vlnových délek světla v sérii. Všechna optická řešení Viavi jsou tedy LVF filtry přímo kombinované s detektorem diodového pole.

Lineárně variabilní diodový filtr, světelné zdroje, pomocná optika a elektronika jsou umístěny v jediném, velmi kompaktním balení, které poskytuje bezkonkurenční flexibilitu vestavěného řešení a mobilitu v terénu.

V závislosti na režimu měření a typu vzorků mohou být spektrometry MicroNIR TM 1700 ES vybaveny různým příslušenstvím:

Držák lahvičky pro analýzu prášků a některých kapalin
Pro ochranu optiky spektrometru a nastavení optimální ohniskové vzdálenosti je nutná manžeta (součástí standardu)
Manžeta s přídavným ochranným okénkem se používá pro analýzu prášků balených v plastových sáčcích.
Přenosový modul nezbytné pro analýzu kapalin a tenkých vrstev.

MicroNIR™ OnSite NIR spektrometr

Spektrometr MicroNIRTM OnSite NIR je speciální zodolněná verze spektrometru MicroNIR™ 1700 ES vyráběná v krytí IP 65. Tento spektrometr se doporučuje pro použití v expedičních prostředích, stejně jako ve skladech a forenzních vyšetřováních - ve všech případech, kdy je nutná spolehlivá ochrana proti vlhkosti a prach.
Pro ještě bezpečnější provoz se doporučuje používat tento spektrometr s tablety nebo notebooky chráněnými IP65. Speciální mobilní verze software slouží k rychlé a přesné kvantitativní analýze a identifikaci neznámých látek.

NIR spektrometry MicroNIR™ PAT USB / USB Extended

MicroNIR™ PAT USB a MicroNIR™ PAT USB Extended jsou průmyslové NIR spektrometry navržené pro instalaci do průmyslových zařízení jakékoli velikosti. Tyto nástroje se dodávají v odolném krytu (stupeň krytí IP65), vyrobeném z nerezové oceli SS316 pro snadné čištění a jsou prakticky bezúdržbové.

MicroNIR™ PAT WE NIR spektrometr

NIR spektrometr MicroNIR™ PAT WE je nejpřenosnějším řešením pro přenosné průmyslové NIR analyzátory. Spektrometr (s měřicím portem z nerezové oceli SS316), lithium-iontová baterie, modul WiFi a senzory akcelerometru jsou umístěny v kompaktním hliníkovém pouzdře, aby byly zajištěny rychlé a přesné výsledky měření. Toto zařízení lze instalovat na pohyblivé části průmyslových strojů.

Klíčové vlastnosti:

Konstrukce spektrometru neobsahuje žádné pohyblivé součásti.
K provozu se nepoužívají drahé optické kabely.
Tělo analyzátoru je vyrobeno z hliníku a nerezové oceli SS316 a je chráněno před vlhkostí a prachem v souladu s IP65.
Vyměnitelná lithium-iontová baterie poskytuje až 8 hodin nepřetržitého provozu.
9osý orientační systém, který zahrnuje akcelerometr, magnetometr a gyroskop, umožňuje plně kompenzovat měření, pokud je zařízení instalováno na pohyblivém nebo rotujícím zařízení.

Přehled softwaru

Software MicroNIR™ Pro je intuitivní uživatelské rozhraní přizpůsobené moderním osobním a mobilním počítačům, včetně těch vybavených dotykovými obrazovkami. Tento software umožňuje nejen ovládat spektrometry, ale také vyvíjet metody měření a vytvářet kalibrační modely pro kvalitativní a kvantitativní analýzu. Software plně vyhovuje 21 CFR Part 11, má organizační strukturu víceúrovňového přístupu a je vybaven všemi nezbytnými nástroji pro ukládání velkého množství dat a provádění auditů.

Data získaná pomocí softwaru MicroNIR™ PRO lze snadno importovat do výkonného softwarového balíku Unscrambler X od SAMO (tento produkt je součástí softwaru dodávaného se spektrometry MicroNIR™) a provádět dávkové předběžné zpracování spekter a poté sestavování klasifikačních a regresních chemometrických modelů. Pro kvalitativní analýzu jsou k dispozici modelovací algoritmy PCA, PLS-DA a SVM a pro kvantitativní analýzu PLS, PCR a SVM-R.

Výhody NIR spektroskopie

Snadnost měření
Vysoká přesnost a reprodukovatelnost analýzy (přesnost analýzy je dána kvalitou zpracování spektra, vůlemi a přesností kalibrace mechanických částí, kalibrací zdroje záření)
Žádné znečištění
Možnost měření přes skleněné a plastové obaly
Automatizace měření. Používá se program OPUS. Práce s tímto programem vyžaduje vysoce kvalifikovaného uživatele
Přenos metody z jednoho nástroje na druhý
Analýza fyzikálních a chemických vlastností

Výhody Ramanovy spektroskopie

Není vyžadována žádná předúprava vzorku
Vzhledem k absenci mechanických částí a definovanějším spektrálním charakteristikám se Ramanova spektra měří mnohem snadněji než NIR.
Měření pomocí Ramanovy spektroskopie je považováno za otisk chemických látek (tj. nejpřesnější, jaký je dnes k dispozici). Absence pohyblivých částí a nezávislost Ramanova spektra na kolísání frekvence a intenzity zářiče poskytují ultra vysokou opakovatelnost měření.
Žádné znečištění
Měření je možné provádět přes skleněné (včetně barevného skla) a plastové obaly a identifikace jednotlivých prvků (obalů a léků) je mnohem spolehlivější než u metody NIR
Automatizace měření. Bylo vytvořeno uživatelské programové rozhraní, které umožňuje obsluhu zařízení neškolenému uživateli. Program se snadno přizpůsobí koncovému uživateli. Tato položka je velmi důležitá pro práci lékárníků a lékařů.
Spektra Ramanova rozptylu pořízená dvěma různými přístroji se stejným spektrálním rozlišením se vždy shodují. Proto neexistuje žádný problém s přenosem metody.
Přesnější analýza fyzikálních a chemických vlastností studovaných látek je možná, protože technika NIR měří podtexty fundamentálních vibrací, jejichž přímé získávání fyzikálních informací z energetického a rozptylového průřezu je velmi obtížné, ne-li nemožné. . Ramanova spektroskopie analyzuje velmi fundamentální vibrace molekul chemických látek, o kterých jsou buď již k dispozici úplné informace, nebo je lze získat jednoduchými experimentálními a teoretickými metodami.

Vlastnosti zařízení

BIC

Rychlost (obvykle 5-10s)
Kompaktní rozměry
Rozlišení určené šířkou studovaných čar (asi 100 cm-1)
Minimální množství látky pro analýzu je přibližně 0,1 mg
Databáze neexistuje. Tato metoda se objevila nedávno a existuje extrémně málo kalibrovaných NIR spekter. To znamená, že k vytvoření vhodné databáze léků je třeba vykonat obrovské množství práce (vykonané kvalifikovaným personálem).

Inspektor

Rychlé (obvykle méně než 1 s)
Přenosný Ramanův komplex EnSpectr má výrazně menší rozměry a hmotnost než NIR spektrometr
Rozlišení je určeno šířkou studovaných čar (asi 6 cm-1). To znamená, že je možné výrazně identifikovat velké množství látek
Minimální množství látky pro analýzu je přibližně 0,001 mg (tj. 100krát méně). To je způsobeno lepší citlivostí přijímacího systému ve viditelné oblasti.
Metoda je dobře propracovaná. Byla nashromážděna databáze kalibrovaných spekter velkého množství léků a chemikálií

Jednou z metod, které se ve světě rozšířily pro identifikaci padělaného zboží, je metoda blízké infračervené spektroskopie s Fourierovou transformací (NIR spektroskopie). Jeho hlavní výhody jsou: rychlost analýzy, absence nebo minimální příprava vzorku (možnost analýzy bez otevření obalu), získání charakteristik jak fyzikálních, tak chemických vlastností léčiva (identifikace složek, stanovení krystalinity, kvantitativní analýza účinné látky). Další různé výzkumné metody umožňují studovat vzorky různých fyzikálních stavů (metody pro přenos, difúzní odraz). Všechny tyto výhody umožňují spolehlivě identifikovat padělek, stejně jako identifikovat jeho výrobce. Navíc jsou NIR analyzátory díky své konstrukci přenosné a lze je s úspěchem použít v mobilních laboratořích.

Zpočátku byly NIR spektrometry používány pro kontrolu výroby léčiv na všech úrovních její výroby: kontrola kvality vstupních surovin, kontrola všech výrobních procesů (sušení, míchání) a kontrola kvality výstupních produktů (kontrola kvality a kvantitativní rozbor aktivních látek). komponenty v hotových výrobcích). V budoucnu byla tato metoda široce používána k identifikaci padělaného zboží. Od roku 2000 jsou výsledky identifikace padělků získávány a zveřejňovány na příkladu léků různých výrobců. Ve stejných pracích byly zvažovány různé vlastnosti ovlivňující přesnost analýzy. Na základě získaných zkušeností začaly mezinárodní organizace pro kontrolu padělaných léčiv tuto metodu zavádět k identifikaci padělaných výrobků, a to jak samostatně, tak v kombinaci s jinými metodami.

Existují metody, ve kterých se metoda NIR používá pro kvalitativní a kvantitativní analýzu omamných látek. Metoda umožňuje nejen identifikovat podezřelý vzorek jako drogu, ale také kvantifikovat obsah účinné látky.

To ukazuje na preferenci použití metody blízkého infračerveného Fourierova spektrometru jako jedné z metod pro kvalitativní a kvantitativní analýzu omamných látek. Pro přesnou identifikaci padělků, kvantitativní stanovení účinné látky v léku a také možnost sledovat výrobce padělaných léků nebo omamných látek.

V době pořízení analyzátoru NIR NIIECC na Hlavním ředitelství Ministerstva vnitra Ukrajiny v Doněcké oblasti nastal vážný problém s výrobou a distribucí tramadolu v zemi, takže prvním úkolem pro NIR bylo vyvinout metodiku identifikace tramadolu a jeho výrobce, která by umožnila určit jeho zdroj. Následně byla tato metoda doplněna o techniku řešení dalšího problému – identifikaci padělaných léků.

K vývoji identifikačních metod byl použit spektrometr s Fourierovou transformací v blízké infračervené oblasti Antaris II vyrobený společností Thermo Fisher Scientific. Vzhled zařízení je znázorněno na obr. 1.4.1.

Rýže. 1.4.1. NIR spektrometr Antaris II.

Konstrukce spektrometru umožňuje vybavit jeden přístroj různými zařízeními pro analýzu různých typů vzorků.

Spektrometr Antaris II je vybaven:

· přenosový modul pro analýzu kapalných vzorků a desek;

· detektor prostupu pro analýzu pevných vzorků (tablety, kapsle, prášky);

integrační sféra;

externí optická sonda.

Detektor pevných vzorků je instalován nad integrační koulí, což umožňuje současnou analýzu vzorku jak pro přenos, který charakterizuje celý vzorek jako celek, tak i na integrační kouli metodou difuzního odrazu, která umožňuje charakterizovat plochu povrchu vzorek. Externí sonda slouží k difuzní analýze odrazivosti vzorků v nestandardních obalech, bez otevírání obalu, i kapalných vzorků. Všechny výše uvedené metody nevyžadují přípravu vzorku nebo vyžadují minimální přípravu a umožňují získat výsledek do 3 minut, nevyžadují finanční náklady na činidla a spotřební materiál, a co je nejdůležitější, jsou nedestruktivní, což umožňuje ušetřit vzorek pro další potvrzení výsledků jinými metodami.

MINISTERSTVO ZDRAVÍ RUSKÉ FEDERACE

VŠEOBECNÉ LÉKÁRENSKÉ AUTORIZACE

Cspektrometrie v blízkosti OFS.1.2.1.1.0001.15

infračervený Představeno poprvé

Spektrometrie v blízké infračervené (NIR) oblasti je metoda založená na schopnosti látek absorbovat elektromagnetické záření v rozsahu vlnových délek od 780 do 2500 nm (od 12500 do 4000 cm-1).

Absorpce v oblasti NIR je zpravidla spojena s podtóny základních vibračních frekvencí vazeb C–H, N–H, O–H a S–H a jejich kombinací. Nejinformativnějším rozsahem je oblast od 1700 do 2500 nm (od 6000 do 4000 cm -1).

Spektrometrie v oblasti NIR se vyznačuje snadnou přípravou vzorku nebo nedostatečnou přípravou vzorku, rychlým měřením, nedestruktivním charakterem analýzy (bez otevření balení léku), současným vyhodnocením několika parametrů (indikátorů), vzdáleným monitorováním, včetně v toky procesů v reálném čase.

NIR spektrometrie vám umožňuje přímo nebo nepřímo provádět kvalitativní a kvantitativní hodnocení chemických, fyzikálních a fyzikálně-chemických vlastností analyzovaného objektu, včetně:

– hydroxylové a jodové číslo, stupeň hydroxylace;

– krystalická forma a stupeň krystalinity;

– polymorfní forma nebo pseudopolymorfní forma;

– disperze částic a další.

Analýza informací extrahovaných z NIR spekter se provádí pomocí chemometrických algoritmů.

Zařízení

NIR spektrometry se skládají z:

zdroj záření, například křemenná lampa (žárovka) nebo její ekvivalent;
monochromátor (difrakční mřížka, hranol, opticko-akustický filtr) nebo interferometr (pro Fourierovy spektrometry);
záznamové zařízení - detektor (na bázi křemíku, sulfidu olovnatého, arsenidu india, arsenidu india-gallia, teluridu rtuti-kadmia, deuterovaného triglycinsulfátu atd.);
zařízení pro umístění vzorku a/nebo vzdálená sonda z optických vláken.

Spektrometry mohou být vybaveny kyvetovou přihrádkou, integrační koulí (integrační koulí je optická součást skládající se z kulové dutiny potažené vysoce reflexním materiálem, koule je určena k získání spekter odrazivosti nehomogenních vzorků), externími moduly pro měření přenos vzorků s vysokým rozptylem, automatických podávacích zařízení, sond z optických vláken atd. Výběr jednoho nebo druhého zařízení pro analýzu závisí na typu vzorku a zvolené metodě měření.

Vzorky se vkládají do skleněných nebo křemenných kyvet, lahviček, skleněných kádinek, držáků na kapsle nebo tablety a dalších zařízení.

Zpracování dat a analýza získaných výsledků se provádí pomocí speciálního softwaru.

Každý režim měření (propustnost, difúzní odraz a jejich kombinace) musí mít svůj vlastní ověřovací postup, včetně ověření přesnosti a reprodukovatelnosti vlnové stupnice, linearity, stability odezvy a fotometrického šumu.

Kontrola přesnosti vlnové stupnice. Pro kontrolu přesnosti vlnové stupnice se zaznamená spektrum standardu, které má charakteristická maxima a absorpční minima, a získané hodnoty vlnové délky se porovnají s deklarovanými charakteristikami. Standardně se používají oxidy prvků vzácných zemin, vodní pára v atmosféře, methylenchlorid a další.

U zařízení s Fourierovou transformací je stupnice vlnových čísel lineární v celém pracovním rozsahu a pro kontrolu přesnosti vlnové stupnice stačí použít jeden etalon s řízením deklarovaných charakteristik jedním absorpčním pásmem. Přístroje jiných typů mohou mít nelineární charakter stupnice vlnových čísel a vyžadovat ověření deklarovaných metrologických charakteristik pro alespoň tři špičky (jeden nebo více etalonů) pokrývající celý provozní rozsah.

Chyba v nastavení vlnových délek by neměla být větší než ± 1 nm (nebo ekvivalentní hodnota vlnového čísla) v rozsahu vlnových délek do 1900 nm a ne větší než ± 1,5 nm pro rozsah vlnových délek ≥ 1900 nm.

Reprodukovatelnost vlnových délek musí splňovat požadavky výrobce nebo požadavky regulačních dokumentů platných na území Ruské federace.

Ověření fotometrické linearity a stability odezev. Pro kontrolu fotometrické linearity se zaznamenají NIR spektra standardů se známými hodnotami propustnosti nebo odrazivosti a vykreslí se grafická závislost získaných hodnot prostupu nebo odrazu na známých hodnotách. Výsledkem konstrukce takové závislosti by měla být přímka s mezí (0,00 ± 0,05) a tečnou sklonu přímky (1,00 ± 0,05).

Pro kontrolu fotometrické linearity v reflexním režimu se jako standardy používají uhlíkem dopované polymery nebo ekvivalenty. Pokud se přístroj používá k měření vzorků s absorbancí 1,0 nebo menší, pak stačí použít 4 standardy v rozsahu hodnot odrazivosti od 10 do 90 %, např. 10, 20, 40 a 80 % s odpovídající hodnoty absorbance 1,0; 0,7; 0,4 a 0,1. Při měření vzorku s absorbancí větší než 1,0 se ke specifikované sadě standardů přidá 2% a/nebo 5% standard odrazivosti.

Pro kontrolu fotometrické linearity v transmisním režimu jsou standardně použity 3 filtry s hodnotami propustnosti v rozsahu od 10 do 90% a řadou 100% propustnosti, tzn. záznam přenosového spektra prázdného kanálu.

Chcete-li zkontrolovat stabilitu odezvy, pravidelně měřte standard s nezměněnými fyzickými a chemické vlastnosti. Měření pozadí musí být provedeno pomocí stejného interního nebo externího standardu. Odchylka fotometrické odezvy by neměla překročit ± 2 %.

Kontrola fotometrického šumu. Pro odhad fotometrického šumu při měření přenosu se zaznamená 100% vzduchové vedení; při měření odrazivosti zaznamenejte čáru 100 % pomocí vhodných standardů s odrazivostí alespoň 99 %. 100% čára v tomto případě znamená měření, při kterém je standardem měřený vzorek a zároveň pozadí. Při vysokých hodnotách absorpce je fotometrický šum hodnocen pomocí standardů s hodnotami propustnosti nebo odrazivosti kolem 10 %.

Fotometrický šum musí splňovat požadavky uvedené ve specifikaci výrobce.

Metody měření

NIR spektrum je závislostí odpovídající fotometrické veličiny [optická hustota ( A), propustnost ( T), koeficient odrazu ( R) a deriváty] na vlnové délce nebo frekvenci záření. Při měření v oblasti NIR jsou implementovány následující metody:

– měření prostupu (nebo absorpce) během průchodu záření vzorkem;

– měření záření odraženého nebo rozptýleného od vzorku;

- kombinace výše uvedených metod.

Měření se vždy provádějí vzhledem k pozadí.

Měření přenosu. Transmise je mírou snížení intenzity záření při průchodu vzorkem. Tento princip je implementován ve většině používaných spektrometrů a výsledek lze prezentovat přímo v přenosových jednotkách ( T) a/nebo optická hustota ( A).

já 0 je intenzita dopadajícího světla;

já je intenzita světla procházejícího vzorkem;

Metoda je použitelná pro pevné a kapalné vzorky, včetně disperzních systémů.

Zpravidla není vyžadována speciální příprava vzorků pro měření přenosu. K měření spektra kapalných vzorků používejte lahvičky nebo kyvety s vhodnou délkou optické dráhy (obvykle 0,5 - 22 mm) a také sondy z optických vláken se speciální tryskou.

difuzní odraz. Při metodě difuzního odrazu se měří odrazivost ( R) představující poměr intenzity světla odraženého od vzorku ( já), na intenzitu světla odraženého od pozadí ( já r):

nebo reciproční logaritmická hodnota tohoto poměru ( A R):

Jako pozadí se používá povrch s vysokou velikostí. R: zlaté desky, perfluorované nasycené polymery, keramické desky a další vhodné materiály.

Metoda se používá k analýze pevných vzorků pomocí integračních kulových nebo optických sond pracujících v reflexním režimu. V druhém případě je pro reprodukovatelnost získaných výsledků nutné zajistit stabilitu podmínek měření, zejména relativní nehybnost sondy, míru kontaktu senzoru se vzorkem a další podmínky.

Přenos - odraz. Tato metoda je kombinací prostupu a odrazu díky speciální konstrukci kyvet a senzorů, kdy záření prochází vzorkem dvakrát, což umožňuje analýzu vzorků s nízkou absorpční a rozptylovou schopností.

Jako fotometrická veličina se používá koeficient dvojitého prostupu ( T*):

TO je intenzita záření po dvojitém přenosu, bez vzorku;

já je intenzita procházejícího a odraženého záření měřená se vzorkem;

a hodnotu podobnou optické hustotě ( A*):

Jako pozadí se používá spektrum vzduchu nebo referenčního média.

Metoda je použitelná pro kapaliny, včetně nehomogenních vzorků.

Pro záznam spektra se zkušební vzorek umístí do kyvety se zrcadlem nebo jiným difuzním reflektorem. Je možné použít optickou sondu se speciální tryskou, která se ponoří do vzorku.

Faktory ovlivňující výsledky měření

Teplota vzorku. Teplota vzorku může ovlivnit jak jeho prostup, tak odraz. Kontrola teploty je důležitá při analýze tepelně labilních objektů, u kterých může rozdíl několika stupňů vést k významným spektrálním změnám, včetně pevných vzorků obsahujících vodu, disperzních systémů, amorfních objektů atd.

Vlhkost a zbytková rozpouštědla. Přítomnost vody a zbytkových rozpouštědel může ovlivnit povahu spektra a výsledky analýzy. Potřeba a podmínky sušení by měly být specifikovány v lékopisných monografiích.

Tloušťka vzorku určuje stupeň přenosu. S nárůstem tloušťky vrstvy je pozorováno zvýšení absorpce. Proto při srovnávacích měřeních prostupu musí být tloušťka vzorku stejná nebo se musí brát v úvahu. Při měření odrazu nemá tloušťka vrstvy zásadní význam, ale je třeba počítat s tím, že tloušťka vrstvy musí být srovnatelná s hloubkou průniku paprsku do vzorku. V případě nedostatečné tloušťky se za vzorek umístí další reflexní materiál, například razítko se zlatým povlakem.

Optické vlastnosti vzorku. Při analýze pevných vzorků je nutné zajistit, aby byl vzorek co nejvíce homogenní, protože rozdíly v hustotě částic nebo velikosti částic ovlivňují povahu spektra. Spektra fyzikálně, chemicky nebo opticky heterogenních vzorků by měla být zaznamenávána buď se zvětšenou velikostí paprsku, nebo pomocí zařízení, které vzorky během měření otáčejí. V tomto případě je žádoucí měřit každý vzorek vícekrát s následným průměrováním spekter.

Polymorfismus. Rozdíl v krystalové struktuře (polymorfismus) ovlivňuje spektrum, které umožňuje od sebe odlišit krystalické nebo amorfní formy na základě jejich NIR spekter. Při provádění analýzy je nutné vzít v úvahu krystalovou strukturu (modifikace) referenčního spektra použitého v metodě analýzy.

Ukázkový věk. Vlastnosti vzorku se mohou v průběhu času měnit a tyto změny mohou způsobit spektrální rozdíly u stejných vzorků. Tyto změny by měly být brány v úvahu při sestavování kalibračních modelů, a to jak pro účely identifikace, tak pro účely kvantitativní analýzy.

KVALITATIVNÍ ANALÝZA

Kvalitativní analýza (kvalifikace a identifikace) v NIR spektrometrii je založena na podobnosti spekter stejné látky.

Pro provedení kvalitativní analýzy je nejprve vytvořena knihovna standardních spekter, je vybrán optimální matematický model pro zpracování spekter a implementace algoritmů pro jejich porovnání. Dále je knihovna validována ve spojení s vybraným matematickým modelem (viz část Validace kvalitativních metod). Kvalitativní analýza se provádí porovnáním spektra testovaného vzorku se spektry v knihovně (viz část "Analýza dat").

Vytvoření knihovny spektra

Knihovna představuje sady spekter obsahujících charakteristické informace o každém objektu analýzy. Pro každou sadu spekter jsou pomocí vhodných metod a algoritmů určeny optimální identifikační parametry. Zadaná nastavení jsou platná pro celou knihovnu. Pro blízké objekty, které jsou při daném nastavení nerozeznatelné, jsou vytvořeny dílčí knihovny, ve kterých lze použít jiné metody předzpracování spektra a algoritmy analýzy. Počet spekter v knihovně není omezen.

Knihovna zahrnuje spektra látek vyhovujících požadavkům, jejichž kvalita je potvrzena lékopisnými nebo jinými certifikovanými metodami.

Aby se vzaly v úvahu možné odchylky ve vlastnostech každého typu analyzovaných objektů, jsou zaznamenávána spektra několika sérií (šarží). Registrace spekter se provádí za podobných podmínek měření a provádí se stejné předběžné zpracování. Zvolené předběžné zpracování spekter obsažených v knihovně zůstává během následujících měření nezměněno.

Metody předzpracování spektra

Doporučuje se předzpracovat spektra, aby se zvýšil informační obsah získaných výsledků a snížil vliv spektrálních variací. Zpracování nezpracovaných dat může zahrnovat výpočet první nebo druhé derivace, normalizaci, multiplikativní korekci rozptylu a další způsoby nebo jejich kombinace. Při výběru metod pro předzpracování spektra je třeba vzít v úvahu, že mohou vést ke ztrátě informací nebo výskytu chyb-artefaktů.

Analýza dat

Porovnání spekter testovaných vzorků během kvalitativní analýzy se provádí s individuálními nebo zprůměrovanými spektry v knihovně, včetně použití různých matematických metod.

Knihovnu lze použít k vytvoření klasifikačních algoritmů. Je možné použít různé algoritmy, například metodu hlavních komponent (PCA) kombinovanou se shlukovou analýzou, metodu SIMCA (měkké nezávislé modelování analogie tříd), ale i další algoritmy, obojí obsažené v softwaru NIR spektrometrů, a vyvinuté třetí stranou. Spolehlivost použité metody musí být ověřena. Například korelační koeficient, součet kvadrátů odchylek, vzdálenosti v rámci modelu a další ukazatele by měly být v souladu s rozhodovací úrovní uvedenou v postupu validace.

Metoda analýzy musí být validována.

Validace kvalitativní metody

Validace metody je určena k prokázání její vhodnosti pro účely analýzy.

Validace metody se provádí na testovací sadě objektů, které se nepodílely na konstrukci metody, a zahrnuje kontrolu specificity, senzitivity a stability (robustnosti).

Citlivost ukazuje, jaká část objektů testovací sady, podobně jako objekty knihovny, jsou správně rozpoznány jako „vlastní“.

Specifičnost udává, kolik z neknihovních objektů v ověřovací sadě je správně rozpoznáno jako „cizí“.

Zvláštní pozornost je věnována výsledkům klasifikace objektů, jejichž spektra jsou vizuálně podobná spektrům knihovních objektů, ale liší se od nich složením nebo chemickou strukturou. Takové vzorky by měly být správně označeny jako "cizí".

Stabilita znamená, že drobné změny podmínek (např. teplota, vlhkost vzduchu, vibrace, teplota vzorku, zhutnění materiálu, hloubka ponoření sondy, tloušťka vrstvy atd.) neovlivňují výsledky a spolehlivost identifikace nebo kvalifikace.

KVANTITATIVNÍ ANALÝZA

Vývoj kalibračního modelu

Při vývoji modelu je stanovena závislost změny intenzity absorpce nebo odrazu ve spektru vzorků na změnách vlastností a/nebo složení látek. V tomto případě jsou zaznamenávána spektra vzorků se známými hodnotami jejich složení a/nebo jejich vlastností potvrzenými certifikovanými metodami. Protože chemometrické algoritmy neumožňují extrapolace, je nutné, aby rozsah kalibračních koncentrací nebyl menší než očekávaný rozsah analyzovaných koncentrací nebo jiných kvantitativních charakteristik. Kalibrační vzorky by měly být co nejrovnoměrněji rozmístěny v rozmezí pracovních koncentrací.

Registrace spekter se provádí při sledování experimentálních parametrů, faktorů ovlivňujících výsledky měření a primárního zpracování, které jsou předoptimalizovány pro všechny analyzované objekty a během následujících měření zůstávají konstantní.

Kalibrační model je optimalizován pomocí vhodné techniky předzpracování spektra, výběru spektrální domény a matematického algoritmu.

Předzpracování spektra

Provádí se stejným způsobem, jak je popsáno v části "Kvalitativní analýza".

Analýza dat. Ke konstrukci kalibračního modelu lze použít jakýkoli rozumný matematický algoritmus. Vzhledem k tomu, že v oblasti NIR dochází k silnému překrývání absorpčních pásem, kvantitativní analýza se provádí především chemometrickými algoritmy, jako je metoda projekcí na latentní struktury (PLS, anglicky PLS), metoda regrese na hlavní složky (RGK, anglicky PCR) a další .

Ověření kalibračního modelu

Validace kalibračního modelu zahrnuje prokázání jeho vhodnosti pro daný účel. V tomto případě by měly být stanoveny následující validační charakteristiky: specifičnost (selektivita), linearita, pracovní rozsah koncentrací (analytická oblast), správnost, přesnost a stabilita (robustnost).

Při konstrukci kalibračních modelů pomocí chemometrických metod analýzy se kvalita kalibrace odhaduje pomocí rms kalibračního zbytku ( RMSEC) a rms zbytek předpovědi ( RMSEP).

Alternativní statistické metody (párové t-test, odhad zkreslení atd.).

Emise

Při analýze metody NIR je třeba vzít v úvahu, opravit a přiměřeně vyloučit odlehlé výsledky.

Všechny odlehlé hodnoty jsou předmětem analýzy, a pokud jsou informativní nebo validované pomocí validované metodologie, mohou být zahrnuty do modelu.

Revalidace nebo revalidace

Kvalitativní nebo kvantitativní metoda, která byla validována a shledána vhodnou pro použití, vyžaduje periodickou revalidaci nebo revalidaci. Pokud jsou zjištěny odchylky, je nutné metodu opravit.

Metoda NIR je revalidována, pokud:

do knihovny byl přidán nový objekt (pro kvalitativní analýzu);
existují předpoklady pro změnu charakteristik objektů, jejichž spektra jsou již obsažena v knihovně (změna technologie výroby (syntézy), složení, kvality obalové suroviny atd.);
byly zjištěny další změny a/nebo nesrovnalosti ve vlastnostech analyzovaných objektů nebo metodice.

Přenos modelů

Při přenosu modelů kvalitativní a kvantitativní analýzy z jednoho přístroje na druhý je třeba vzít v úvahu spektrální charakteristiky použitých spektrometrů (rozlišení, rozsah vlnových čísel atd.). Postupy přenosu modelu jsou chápány jako různé chemometrické algoritmy (matematické a statistické). Po přenesení na jiné zařízení je pro potvrzení provozuschopnosti modelu nutné jej znovu ověřit.

Datové úložiště

Ukládání dat probíhá v elektronické podobě v souladu s požadavky softwaru. V tomto případě je nutné zachovat původní spektra, která nebyla podrobena matematickému zpracování, s cílem jejich případného dalšího využití při optimalizaci knihoven nebo metod.

Spektrometrie v blízké infračervené oblasti (NIR spectrometrie, angl. NIR) je metoda založená na schopnosti látek absorbovat elektromagnetické záření v rozsahu vlnových délek od 780 do 2500 nm (od 12500 do 4000 cm -1).

Absorpce v oblasti NIR je zpravidla spojena s podtóny základních vibračních frekvencí. CH-H vazby N-H, O-H a S-H a jejich kombinace. Nejinformativnějším rozsahem je oblast od 1700 do 2500 nm (od 6000 do 4000 cm -1).

Analýza informací extrahovaných z NIR spekter se provádí pomocí chemometrických algoritmů, které vyžadují vytvoření primárního pole dat.

V rámci použitelnosti metody vám NIR spektrometrie umožňuje přímo nebo nepřímo provádět kvalitativní a kvantitativní hodnocení chemických, fyzikálních a fyzikálně-chemických vlastností analyzovaného objektu, včetně vyhodnocení následujících charakteristik:

– hydroxylové a jodové číslo, stupeň hydroxylace;

– krystalická forma a stupeň krystalinity;

– polymorfní forma nebo pseudopolymorfní forma;

– stupeň disperze částic a další.

NIR spektrometrie má následující možnosti:

– snadnost přípravy vzorku nebo nedostatek přípravy;

– rychlost měření;

– nedestruktivní charakter analýzy;

– možnost současného hodnocení více parametrů (ukazatelů);

– možnost dálkového ovládání, včetně procesních toků v reálném čase.

Zařízení. Používají se jak specializované NIR spektrofotometry, tak další spektrofotometry schopné pracovat v blízké IR oblasti spektra.

NIR spektrofotometry se skládají z:

- zdroj záření, například křemenná lampa (žárovka) nebo její ekvivalent;

– monochromátor (difrakční mřížka, hranol, opticko-akustický filtr) nebo interferometr (spektrofotometry s Fourierovou transformací);

- záznamové zařízení - detektor (na bázi křemíku, sulfidu olovnatého, arsenidu india, arsenidu india a galia, teluridu rtuti a kadmia, deuterovaném triglycinsulfátu atd.);

– Zařízení pro umístění vzorku a/nebo dálkový optický senzor.

Vzorky se vkládají do skleněných nebo křemenných kyvet, lahviček, skleněných kádinek, držáků na kapsle nebo tablety a dalších zařízení.

Spektrofotometry mohou být vybaveny kyvetovým oddílem, integrační koulí (integrační koulí je optická součást skládající se z kulové dutiny potažené vysoce reflexním materiálem, koule je určena k získávání spekter nehomogenních vzorků), externími moduly pro měření prostupu vysoce rozptylových vzorků, automatické podavače vzorků, sondy z optických vláken. Výběr jednoho nebo druhého zařízení pro analýzu závisí na typu vzorku a zvolené metodě měření. Proto se doporučují používat zařízení, která implementují několik přístupů k měření.

Zpracování dat a analýza získaných výsledků se provádí pomocí speciálního softwaru.

Každý režim měření (propustnost, difúzní odraz a jejich kombinace) musí mít vlastní ověřovací postup, včetně ověření správného nastavení vlnové délky a ověření fotometrického šumu.

Kontrola správného nastavení vlnových délek. Pro kontrolu správnosti nastavení vlnové délky se zaznamená spektrum standardního vzorku, který má charakteristická absorpční maxima a minima, a získané hodnoty vlnové délky se porovnají s deklarovanými charakteristikami.

Pro režimy prostupu a odrazu se pro stanovení správného nastavení vlnových délek nejčastěji používají jako standardní vzorky oxidy prvků vzácných zemin, vodní pára v atmosféře, methylenchlorid a další.

U zařízení s Fourierovou transformací je stupnice vlnových čísel lineární v celém pracovním rozsahu a pro kontrolu přesnosti instalace stačí použít jeden standardní vzorek s kontrolou deklarovaných charakteristik jedním absorpčním pásmem. Přístroje jiných typů mohou mít nelineární charakter stupnice vlnových čísel a vyžadují ověření deklarovaných metrologických charakteristik pro alespoň tři píky (jeden nebo více standardních vzorků) pokrývající celý provozní rozsah.

Chyba v nastavení vlnových délek by neměla být větší než ±1 nm (nebo ekvivalentní vlnové číslo) v rozsahu vlnových délek do 1900 nm a ne větší než ±1,5 nm pro rozsah vlnových délek ≥1900 nm.

Reprodukovatelnost nastavení vlnové délky musí odpovídat požadavkům výrobce nebo požadavkům regulačních dokumentů platných na území Ruské federace.

Kontrola fotometrické linearity. Pro kontrolu fotometrické linearity se zaznamenají NIR spektra standardních vzorků se známými hodnotami propustnosti/odrazu a vynese se grafická závislost získaných hodnot propustnosti/odrazu na známých hodnotách. Výsledkem konstrukce takové závislosti by měla být přímka s průsečíkem ve středu souřadnic (0,00 ± 0,05) a tečnou sklonu přímky (1,00 ± 0,05). Pro kontrolu fotometrické linearity v reflexním režimu se jako standardní vzorky používají polymery dopované uhlíkem nebo analogy v množství minimálně 4 vzorků v rozsahu hodnot odrazu 10–90 %. Pro kontrolu fotometrické linearity v přenosovém režimu se jako standardní vzorky používají filtry v počtu 3 vzorků s hodnotami přenosu 10–90 % a 100% přenosová linka (zaznamenává se přenosové spektrum prázdného kanálu).

Kontrola fotometrického šumu. Pro odhad fotometrického šumu při měření přenosu se zaznamená 100% vzduchové vedení; při měření odrazivosti zaznamenejte čáru 100 % pomocí vhodných standardních vzorků s odrazivostí alespoň 99 %. 100% čára v tomto případě znamená měření, při kterém je standardním vzorkem měřený vzorek a zároveň pozadí. Při vysokých hodnotách absorpce je fotometrický šum hodnocen pomocí standardních vzorků s hodnotami propustnosti nebo odrazivosti kolem 10 %.

Fotometrický šum musí být v souladu se specifikací výrobce.

Metody měření. NIR spektrum je závislostí odpovídající fotometrické veličiny (optické hustoty ( A), přenosy ( T), koeficient odrazu ( R) a derivační veličiny) na vlnové délce nebo frekvenci záření. Při měření v oblasti NIR jsou implementovány následující metody:

– měření absorpce (nebo prostupu) během průchodu záření vzorkem;

– měření záření odraženého nebo rozptýleného od vzorku;

- kombinace výše uvedených metod.

Měření se vždy provádějí vzhledem k pozadí.

Měření přenosu. Transmise je mírou snížení intenzity záření při průchodu vzorkem. Tento princip je implementován ve většině používaných spektrofotometrů a výsledek lze prezentovat přímo v přenosových jednotkách ( T) a/nebo optická hustota ( A).

Metoda je použitelná pro pevné a kapalné vzorky, včetně disperzních systémů.

Zpravidla není vyžadována speciální příprava vzorků pro měření přenosu. Pro měření spektra kapalných vzorků použijte lahvičky nebo kyvety s vhodnou délkou optické dráhy (obvykle 0,5-22 mm), stejně jako senzory přenosu optických vláken.

nebo reciproční logaritmická hodnota tohoto poměru ( A R):

Jako pozadí se používá povrch s vysokou velikostí. R: zlaté desky, perfluorované nasycené polymery, keramické desky a další vhodné materiály.

Metoda se používá k analýze pevných vzorků pomocí integračních kulových nebo optických senzorů pracujících v reflexním režimu. V druhém případě je pro reprodukovatelnost získaných výsledků nutné zajistit stabilitu podmínek měření, zejména relativní nehybnosti senzoru, stupně tlaku a dalších podmínek.

Transmisně-odrazová metoda. Tato metoda je kombinací prostupu a odrazu díky speciální konstrukci kyvet a senzorů, kdy záření prochází vzorkem dvakrát, což umožňuje analýzu vzorků s nízkou absorpční a rozptylovou schopností.

Jako fotometrická veličina se používá koeficient dvojitého prostupu ( T*):

kde: já T je intenzita záření po dvojitém přenosu, bez vzorku;

já je intenzita procházejícího a odraženého záření měřená se vzorkem;

a hodnotu podobnou optické hustotě ( A*):

Jako pozadí se používá spektrum vzduchu nebo referenčního média.

Metoda je použitelná pro kapaliny, včetně nehomogenních vzorků.

Pro záznam spektra se zkušební vzorek umístí do kyvety se zrcadlem nebo jiným difuzním reflektorem. Je možné použít optický senzor, který je ponořen do vzorku.