Бік-спектроскопія. ОФС.2.1.0001.15 Спектрометрія у ближній інфрачервоній області Математична обробка БІК-спектрів

Спектрометр MicroNIR™ Pro - це надкомпактний, надлегкий і доступний за ціною БІК-спектрометр, що поєднує високопрецизійні оптичні компоненти Viavi OSP і найпередовіші технології мініатюризації оптичної схеми і приладу в цілому. Спектрометр MicroNIR™ Pro - це ідеальне рішення для різних застосувань, що поєднує хороший показник ціни і якості, а також простоту використання. Завдяки самому компактному розміру і легкій масі з усіх комерційно доступних рішень, БІК-спектрометр MicroNIR™ Pro можна легко і безпосередньо вбудувати в більшість апаратів виробничих ліній, таких як сушарки псевдокиплячого шару, змішувачі, роликові ущільнювачі, таблетувальні машини для контролю за рівнем вологості або спостереженням після закінчення технологічної операції. Надкомпактний форм-фактор спектрометра також дозволяє застосовувати його у польових криміналістичних дослідженнях для ідентифікації вибухових та наркотичних речовин.

Огляд технологій

Мобільні та вбудовувані рішення для спектрального аналізу в ближній ІЧ-області в даний час застосовуються для якісного та кількісного аналізу твердих речовин, рідин та газів, і ідеально підходять для харчової промисловості та сільського господарства, фармацевтичної та хімічної промисловості, а також для екологічних досліджень. При цьому компактний розмір БІК-спектрометра дуже затребуваний, оскільки саме такі прилади зручно застосовувати в польових умовах, а також вбудовувати в промислові реактори та машини.

Для виготовлення оптичного модуля спектрометрів MicroNIR застосовується запатентована технологія напилення тонкоплівкових лінійно-перебудовуваних фільтрів (LVF). Дані фільтри виступають у ролі диспергуючого елемента спектрометра і є особливим тонким клиноподібним одностороннім покриттям. Оскільки довжина хвилі максимуму смуги поглинання залежить від товщини покриття
світлофільтра, клиноподібна форма LVF-фільтра дозволяє пропускати довжини хвиль світла послідовно. Таким чином, всі оптичні рішення компанії Viavi є LVF-фільтрами, безпосередньо поєднаними з діодно-матричним детектором.

Лінійно-перебудовуваний фільтр з діодно-матричним детектором, джерела світла, допоміжні оптичні компоненти та електроніка знаходяться в єдиному і дуже компактному корпусі, забезпечуючи неперевершену гнучкість вбудовуваних рішень та мобільність при польових роботах.

В залежності від режиму вимірювання та типу зразків, спектрометри MicroNIR TM 1700 ES можуть комплектуватися різними аксесуарами:

Тримач віал для аналізу порошків та деяких рідин
Манжета (включена у стандартну комплектацію) необхідна для захисту оптики спектрометра та встановлення оптимальної фокусної відстані
Манжета з додатковим захисним віконцем служить аналізу порошків, запакованих в пластикові пакети.
Модуль для вимірювання пропусканнянеобхідний для аналізу рідин та тонких плівок.

БІК-спектрометр MicroNIR™ OnSite

БІК-спектрометр MicroNIRTM OnSite - це спеціальна захищена версія спектрометра MicroNIR™ 1700 ES, виготовлена відповідно до стандарту безпеки IP65. надійний захист від вологості та пилу.
Для більш безпечної експлуатації рекомендується використовувати цей спектрометр спільно із захищеними за стандартом IP65 планшетними комп'ютерами або ноутбуками. Спеціальна мобільна версія програмного забезпеченняслужить для швидкого та точного кількісного аналізу та ідентифікації невідомих речовин.

БІК-спектрометри MicroNIR™ PAT USB/USB Extended

MicroNIR™ PAT USB та MicroNIR™ PAT USB Extended – це БІК-спектрометри в індустріальному виконанні, призначені для встановлення у промислове обладнання будь-якого розміру. Ці прилади постачаються в захищеному корпусі (відповідно до IP65), виготовлені з нержавіючої сталі марки SS316 для легкої процедури очищення і практично не потребують сервісного обслуговування.

БІК-спектрометр MicroNIR™ PAT WE

БІК-спектрометр MicroNIR™ PAT WE - це мобільне рішення в області портативних промислових БІК-аналізаторів. Для забезпечення швидких та точних результатів вимірювань у компактному алюмінієвому корпусі розташований спектрометр (з вимірювальним портом із нержавіючої сталі SS316), літій-іонна батарея живлення, WiFi-модуль та акселерометричні датчики. Цей пристрій можна встановити на рухомі частини промислових апаратів.

Ключові особливості:

У конструкції спектрометра відсутні рухливі компоненти.
Для роботи не використовуються дорогі оптоволоконні кабелі.
Корпус аналізатора виготовлений з алюмінію та нержавіючої сталі SS316 та захищений від вологи та пилу у відповідності з IP65.
Змінна літій-іонна акумуляторна батарея забезпечує до 8 годин безперервної роботи.
9-осьова система орієнтації, що включає в себе акселерометр, магнетометр і гіроскоп дозволяє повністю компенсувати вимірювання в тому випадку, якщо прилад встановлений на апараті, що рухається або обертається.

Огляд програмного забезпечення

Програмне забезпечення MicroNIR™ Pro є інтуїтивно-зрозумілим інтерфейсом користувача, адаптованим до сучасних персональних і мобільних комп'ютерів, у тому числі і забезпечених тачскринами. Дане ПЗ дозволяє не тільки керувати спектрометрами, а й здійснювати розробку методів вимірювання та побудову калібрувальних моделей для якісного та кількісного аналізу. Програмне забезпечення повністю відповідає 21 CFR Частина 11, має багаторівневу структуру організації доступу і має всі необхідні інструменти для зберігання великої кількості даних і проведення аудиту.

Дані, отримані за допомогою ПЗ MicroNIR™ PRO, можна легко імпортувати в потужний програмний пакет Unscrambler X компанії САМО (цей продукт входить до комплекту ПЗ, що поставляється зі спектрометрами MicroNIR™) і виконати пакетну попередню обробку спектрів, а потім побудову класифікаційних та регресійних хемометричних моделей . Для якісного аналізу доступні алгоритми моделювання РСА, PLS-DA та SVM, а для кількісного PLS, PCR та SVM-R.

Переваги спектроскопії БІК

Простота проведення вимірів
Висока точність та відтворюваність аналізу (точність аналізу визначається якістю обробки спектра, люфтами та точністю калібрування механічних частин, калібруванням джерела випромінювання)
Немає забруднень
Можливість проведення вимірювань через скляну та пластикову упаковку
Автоматизація вимірів. Використовується програма OPUS. Робота з даною програмою вимагає високої кваліфікації користувача
Перенесення методу з одного приладу на інший
Аналіз фізичних та хімічних властивостей

Переваги раманівської спектроскопії

Не потрібно попередньої підготовки зразка
Внаслідок відсутності механічних частин та більш певних спектральних характеристик, вимірювання раманівських спектрів суттєво простіше ніж БІК
Вимірювання методом раманівської спектроскопії розглядається як відбитки пальців хімічних речовин (тобто найточніше з існуючих на сьогоднішній день). Відсутність рухомих частин та незалежність раманівського спектру від флуктуацій частоти та інтенсивності випромінювача забезпечують надвисоку повторюваність вимірів.
Немає забруднень
Існує можливість проведення вимірювань через скляну (у тому числі з кольорового скла) та пластикову упаковку, причому ідентифікація окремих елементів (упаковки та ліків) суттєво надійніша ніж у методі БІК
Автоматизація вимірів. Створено програмний інтерфейс, що дозволяє оперувати приладом непідготовленому користувачеві. Програма легко адаптується до кінцевого користувача. Цей пункт дуже важливий для роботи фармацевтів та медиків
Спектри романівського розсіювання, зняті на двох різних приладах з однаковим спектральним дозволом, завжди збігаються. Тому проблеми перенесення методу не існує
Можливий більш точний аналіз фізичних та хімічних властивостей досліджуваних речовин, так як у методиці БІК вимірюються обертони фундаментальних коливань, пряме отримання фізичної інформації з енергії та перетину розсіювання яких дуже важко, якщо неможливо. У раманівській спектроскопії проводиться аналіз самих фундаментальних коливань молекул хімічних речовин, повна інформація про які або вже доступна, або може бути отримана простими експериментальними та теоретичними методами

Характеристики приладів

БІК

Швидкість (зазвичай 5 – 10с)
Компактні розміри
Дозвіл, що визначається шириною досліджуваних ліній (близько 100 см-1)
Мінімальна кількість речовини для аналізу приблизно 0.1 мг
Немає бази даних. Метод з'явився нещодавно та каліброваних спектрів БІК надзвичайно мало. Це означає, що має бути проведена величезна робота (виконана кваліфікованим персоналом) щодо створення відповідної бази даних лікарських препаратів

Інспектор

Швидкість (зазвичай менше 1 с)
Портативний романівський комплекс ІнСпектр має суттєво менші розміри і вага ніж БІК спектрометр
Дозвіл, що визначається шириною досліджуваних ліній (близько 6 см-1). Це означає, що можна ідентифікувати значно більшу кількість речовин
Мінімальна кількість речовини для аналізу приблизно 0.001 мг (тобто у 100 разів менше). Це пов'язано з кращою чутливістю приймальної системи у видимому діапазоні
Метод добре опрацьований. Накопичено базу даних каліброваних спектрів великої кількості лікарських препаратів та хімічних речовин

Одним з методів, що набули широкого поширення у світі для ідентифікації контрафакту, став метод спектроскопії ближньої інфрачервоної області з перетворенням Фур'є (БІК-спектроскопії). Його головними перевагами є швидкість аналізу, відсутність або мінімальна пробопідготовка (можливість аналізу без розкриття упаковки), отримання характеристик як фізичних, так і хімічних властивостей препарату (ідентифікація компонентів, визначення кристалічності, кількісний аналіз діючої речовини). Додаткові методи дослідження дозволяють досліджувати зразки різного фізичного стану (методи на пропускання, дифузне відображення). Всі ці переваги дають можливість достовірно ідентифікувати контрафакт, а також ідентифікувати його виробника. До того ж, БІК-аналізатори завдяки своїй конструкції портативні і можуть успішно використовуватися в мобільних лабораторіях.

Спочатку БІК-спектрометри використовувалися для контролю виробництва лікарських препаратів на всіх рівнях його виробництва: контроль якості вхідної сировини, контроль усіх виробничих процесів (сушіння, змішування) та контроль якості вихідної продукції (контроль якості та кількісний аналіз активних компонентів у готовій продукції). Надалі цей метод набув свого поширення для ідентифікації контрафакту. З 2000 року було отримано та опубліковано результати проведення ідентифікації контрафактної продукції на прикладі ліків різних виробників. У цих роботах розглядалися різні особливості, що впливають точність аналізу. На основі отриманого досвіду міжнародні організації з контролю за фальсифікованими препаратами стали впроваджувати цей метод для ідентифікації контрафакту як окремо, так і в комплексі з іншими методами.

Існують методики, у яких метод БІК використовується для якісного та кількісного аналізу наркотичних препаратів. Метод дозволяє як ідентифікувати підозрілий зразок як наркотик, а й кількісно визначити вміст діючої речовини.

Це вказує на перевагу використання методу Фур'є-спектрометра ближньої інфрачервоної області, як одного з методів для якісного та кількісного аналізу наркотичних препаратів. Для точної ідентифікації контрафакту, кількісного визначення активного компонента в препараті, а також можливість відстежити виробника фальшованих лікарських засобів або наркотичних препаратів.

На момент придбання БІК-аналізатора НДІЕКЦ при ГУ МВС України в Донецькій області, в країні стояла серйозна проблема з виробництвом та розповсюдженням трамадолу, тому першим завданням для БІК була побудова методики для ідентифікації трамадолу та його виробника, що дозволило б визначити його джерело. Згодом цей метод було доповнено методикою на вирішення ще одного завдання – ідентифікації фальсифікованих лікарських засобів.

Для розробки методів ідентифікації використовувався спектрометр ближньої інфрачервоної області з перетворенням Фур'є Antaris II виробництва компанії Thermo Fisher Scientific. Зовнішній виглядприладу зображено на рис. 1.4.1.

Рис. 1.4.1. Бік-спектрометр Antaris II.

Конструкція спектрометра дозволяє укомплектувати один пристрій різними пристроями для аналізу різних типів зразків.

Спектрометр Antaris II оснащений:

· модулем на пропускання для аналізу рідких зразків та пластинок;

· Детектором на пропускання для аналізу твердих зразків (таблеток, капсул, порошків);

· Інтегруючою сферою;

· Зовнішнім оптоволоконним зондом.

Детектор для твердих зразків встановлюється над інтегруючою сферою, що дозволяє одночасно проводити аналіз зразка як на пропускання, що дає характеристику всього зразка загалом, так і на інтегруючій сфері методом дифузного відображення, що дозволяє характеризувати поверхневу область зразка. Зовнішній зонд використовується для аналізу методом дифузного відображення зразків у нестандартній упаковці, без розкриття упаковки, а також рідких зразків. Всі перераховані вище методи не вимагають пробопідготовки або вимагають мінімальної підготовки і дозволяють отримати результат протягом 3 хвилин, не вимагають фінансових витрат на реактиви та витратні матеріали, і, головне, є неруйнівними, що дозволяє зберегти зразок для подальшого підтвердження результатів іншим методом.

МІНІСТЕРСТВО ОХОРОНИ ЗДОРОВ'Я РОСІЙСЬКОЇ ФЕДЕРАЦІЇ

ЗАГАЛЬНА ФАРМАКОПЕЙНА СТАТТЯ

Cпектрометрія у ближній ОФС.1.2.1.1.0001.15

інфрачервоної області Вводиться вперше

Спектрометрія в ближній інфрачервоній (БІК) області – метод, що ґрунтується на здатності речовин поглинати електромагнітне випромінювання в діапазоні довжин хвиль від 780 до 2500 нм (від 12500 до 4000 см-1).

Поглинання в БІК діапазоні пов'язане, як правило, з обертонами основних коливальних частот зв'язків C-H, N-H, O-H і S-H та їх комбінаціями. Найбільш інформативним діапазоном є область від 1700 до 2500 нм (від 6000 до 4000 см-1).

Для спектрометрії в БІК області характерні простота підготовки проб або відсутність пробопідготовки, швидкість вимірювань, неруйнівний характер аналізу (без розтину упаковки лікарського препарату), одночасна оцінка кількох параметрів (показників), проведення дистанційного контролю, у тому числі у технологічних потоках у режимі реального часу.

БІК-спектрометрія дозволяє прямо чи опосередковано проводити якісну та кількісну оцінку хімічних, фізичних та фізико-хімічних характеристик аналізованого об'єкта, у тому числі:

– гідроксильне та йодне число, ступінь гідроксилювання;

– кристалічну форму та ступінь кристалічності;

- Поліморфну форму або псевдополіморфну форму;

- Дисперсність частинок та інші.

Аналіз інформації, що витягується з БІК-спектрів, проводиться із застосуванням хемометричних алгоритмів.

Обладнання

БІК-спектрометри складаються з:

джерела випромінювання, наприклад, кварцової лампи (лампи розжарювання) або аналога;
монохроматора (дифракційні грати, призма, оптико-акустичний фільтр) або інтерферометри (для Фур'є-спектрометрів);
реєструючого пристрою – детектора (на основі кремнію, сульфіду свинцю, арсеніду індія, арсеніду індія-галію, телуриду ртуті-кадмію, дейтерованого тригліцину сульфату та ін.);
пристрої розміщення зразка та/або дистанційного оптоволоконного зонда.

Спектрометри можуть бути оснащені кюветним відділенням, що інтегрує сферою (інтегруюча сфера являє собою оптичний компонент, що складається з сферичної порожнини з покриттям з добре відбиває матеріалу, сфера призначена для отримання спектрів відображення неоднорідних зразків), зовнішніми модулями для вимірювання пропускання зразків, що сильно розсіюють, зразків, оптоволоконними зондами тощо. Вибір того чи іншого пристрою для аналізу залежить від типу зразка та обраного способу вимірювання.

Для розміщення зразків використовують скляні або кварцові кювети, флакони, скляні склянки, тримачі капсул або таблеток та інші пристрої.

Обробка даних та аналіз отриманих результатів проводиться з використанням спеціального програмного забезпечення.

Для кожного режиму вимірювання (пропускання, дифузне відображення та їх комбінація) має бути передбачена своя методика перевірки, що включає перевірку точності та відтворюваності хвильової шкали, лінійності, стабільності відгуків та фотометричного шуму.

Перевірка точності хвильової шкали.Для перевірки точності хвильової шкали реєструють спектр стандарту, що має характеристичні максимуми та мінімуми поглинання, та порівнюють отримані значення довжин хвиль із заявленими характеристиками. Як стандарти використовують оксиди рідкісноземельних елементів, пари води в атмосфері, метиленхлорид та інші.

У приладах з Фур'є-перетворенням шкала хвильових чисел лінійна у всьому робочому діапазоні, і для перевірки точності хвильової шкали достатньо використовувати один стандарт із контролем заявлених характеристик по одній смузі поглинання. Прилади інших типів можуть мати нелінійний характер шкали хвильових чисел і вимагають перевірки заявлених метрологічних характеристик не менше ніж за трьома піками (один або кілька стандартів) з охопленням всього робочого діапазону.

Похибка при встановленні довжин хвиль повинна бути не більше ± 1 нм (або еквівалентна йому величина хвильового числа) у діапазоні довжин хвиль до 1900 нм та не більше ± 1,5 нм для діапазону довжин хвиль ≥ 1900 нм.

Відтворюваність установки довжини хвиліповинна відповідати вимогам заводу-виробника або вимогам нормативних документів, що діють на території Російської Федерації.

Перевірка фотометричної лінійності та стабільності відгуків.Для перевірки фотометричної лінійності реєструють БІК-спектри стандартів з відомими значеннями пропускання або відображення та будують графічну залежність отриманих значень пропускання або відображення від відомих значень. Результатом побудови такої залежності має бути пряма лінія з відсіканням (0,00 ± 0,05) та тангенсом кута нахилу прямої (1,00 ± 0,05).

Для перевірки фотометричної лінійності в режимі відображення як стандарти використовуються полімери, доповані вуглецем, або аналоги. Якщо прилад використовується для вимірювання зразків з поглинанням 1,0 і менше, достатньо використовувати 4 стандарти в діапазоні значень відображення від 10 до 90 %, наприклад, 10, 20, 40 і 80% з відповідними значеннями поглинання 1,0; 0,7; 0,4 та 0,1. При вимірюванні зразка з поглинанням вище 1,0 до зазначеного набору стандартів додають стандарт 2 відображення і/або 5 %.

Для перевірки фотометричної лінійності в режимі пропускання як стандарти використовують 3 фільтри зі значеннями пропускання в області від 10 до 90% і лінію 100% пропускання, тобто. реєструють спектр пропускання порожнього каналу.

Для перевірки стабільності відгуку періодично проводять вимір стандарту з незміненими фізичними та хімічними властивостями. Вимірювання фону повинно проводитись за допомогою одного і того ж внутрішнього або зовнішнього стандарту. Відхилення фотометричного відгуку не повинно перевищувати ±2 %.

Перевірка фотометричного шуму.Для оцінки фотометричного шуму при вимірі пропускання записують лінію 100% повітря; при вимірюванні відображення реєструють лінію 100% із застосуванням відповідних стандартів із відображенням не менше 99%. При цьому під лінією 100% мається на увазі вимір, при якому стандарт є вимірюваним зразком і фоном одночасно. При високих значеннях поглинання проводять оцінку фотометричного шуму із застосуванням стандартів зі значеннями пропускання або відображення близько 10%.

Фотометричний шум повинен відповідати вимогам, зазначеним у специфікації виробника.

Способи виміру

БІК-спектр є залежністю відповідної фотометричної величини [оптичної щільності ( А), коефіцієнта пропускання ( Т), коефіцієнта відображення ( R) та похідних величин] від довжини хвилі або частоти випромінювання. При вимірах в БІК області реалізуються такі способи:

- Вимірювання пропускання (або поглинання) при проходженні випромінювання через зразок;

- Вимірювання випромінювання, відбитого або розсіяного від зразка;

- Комбінація вищезазначених способів.

Вимірювання завжди проводять щодо тла.

Вимірювання пропускання.Пропускання є мірою зниження інтенсивності випромінювання під час проходження через зразок. Цей принцип реалізований у більшості спектрометрів, що використовуються, і результат може бути представлений безпосередньо в одиницях пропускання ( T) та/або оптичної щільності ( A).

I 0 - Інтенсивність падаючого світла;

I- Інтенсивність світла, що пройшло через зразок;

Спосіб застосовується для твердих та рідких проб, у тому числі для дисперсних систем.

Спеціальної підготовки проб при вимірі пропускання зазвичай не потрібно. Для вимірювання спектра рідких зразків використовують флакони або кювети з відповідною довжиною оптичного шляху (зазвичай 0,5 – 22 мм), а також оптоволоконні зонди зі спеціальною насадкою.

Дифузне відбиття.У методі дифузного відображення вимірюють коефіцієнт відображення ( R), що представляє відношення інтенсивності світла, відображеного від зразка ( I), до інтенсивності світла, відображеного від фону ( I r):

або зворотну логарифмічну величину цього відношення ( А R):

Як фон використовують поверхню з високою величиною R: пластини із золота, перфторованих насичених полімерів, керамічні пластини та інші відповідні матеріали.

Спосіб використовується для аналізу твердих зразків із застосуванням інтегруючої сфери або оптоволоконних зондів, що працюють у режимі відображення. В останньому випадку для відтворюваності результатів необхідно забезпечити стабільність умов проведення вимірювань, зокрема відносну нерухомість зонда, ступінь зіткнення датчика зі зразком та інші умови.

Пропускання - відображення. Даний спосіб є комбінацією пропускання і відображення завдяки спеціальній конструкції кювет і датчиків, в яких випромінювання двічі проходить через зразок, що дозволяє аналізувати зразки з низькою здатністю, що поглинає і розсіює.

Як фотометричну величину використовують коефіцієнт подвійного пропускання ( Т*):

I T- Інтенсивність випромінювання після подвійного пропускання, без зразка;

I– інтенсивність пропущеного та відбитого випромінювання, виміряна із зразком;

і величину, аналогічну оптичній щільності ( А*):

Як фон використовують спектр повітря або середовища порівняння.

Спосіб застосовується для рідких, у тому числі негомогенных проб.

Для реєстрації спектра досліджуваний зразок поміщають у кювету із дзеркалом або іншим дифузним відбивачем. Можливе використання оптоволоконного зонда зі спеціальною насадкою, який занурюють у зразок.

Чинники, що впливають на результати вимірювань

Температура зразка.Температура зразка може впливати як на його пропускання, так і його відображення. Контроль температури важливий при аналізі термічно лабільних об'єктів, у разі яких різниця в кілька градусів може призводити до суттєвих спектральних змін, у тому числі твердих зразків, що містять воду, дисперсні системи, аморфні об'єкти та інше.

Волога та залишкові кількості розчинників.Наявність води та залишкових кількостей розчинників може вплинути на характер спектру та результати аналізу. Необхідність та умови висушування мають бути зазначені у фармакопейних статтях.

Товщина зразкавизначає міру пропускання. Зі збільшенням товщини шару спостерігається збільшення поглинання. Тому при порівняльних вимірах пропускання товщина зразка має бути однаковою або враховуватися. При вимірі відображення товщина шару немає принципового значення, але слід враховувати, що товщина шару має бути порівнянною з глибиною проникнення променя в зразок. У разі недостатньої товщини за зразком ставиться додатковий матеріал, що рефлектує, наприклад штамп із золотим покриттям.

Оптичні властивості зразка.При аналізі твердих зразків необхідно забезпечувати максимально можливу однорідність проби, оскільки відмінності в щільності або розмірах часток позначаються характері спектра. Спектри фізично, хімічно чи оптично гетерогенних зразків слід реєструвати або зі збільшеним розміром пучка світла, або використовуючи пристрої, що обертають зразки під час вимірювань. При цьому бажано проводити вимірювання кожного зразка кілька разів з подальшим усереднення спектрів.

Поліморфізм.Різниця в кристалічній структурі (поліморфізм) впливає на спектр, що дозволяє відрізняти один від одного кристалічні або аморфні форми на підставі їх БІК-спектрів. Під час проведення аналізу необхідно враховувати кристалічну структуру (модифікацію) еталонного спектра, що у методі аналізу.

Вік зразків.Властивості зразків можуть змінюватися в часі, і ці зміни можуть зумовлювати спектральні відмінності для тих самих зразків. Дані зміни повинні бути враховані при побудові калібрувальних моделей як для цілей ідентифікації, так і для цілей кількісного аналізу.

ЯКІСНИЙ АНАЛІЗ

Якісний аналіз (кваліфікація та ідентифікація) у БІК-спектрометрії заснований на схожості спектрів однієї й тієї ж речовини.

Для проведення якісного аналізу спочатку створюють бібліотеку стандартних спектрів, підбирають оптимальну математичну модель для обробки спектрів та реалізації алгоритмів їх порівняння. Далі проводять валідацію бібліотеки разом із обраною математичною моделлю (див. розділ «Валідація якісних методів»). Якісний аналіз проводять шляхом порівняння спектра випробуваного зразка зі спектрами бібліотеки (див. розділ «Аналіз даних»).

Створення бібліотеки спектрів

Бібліотека представляє сукупності спектрів, що містять характеристичну інформацію про кожен об'єкт аналізу. Для кожної сукупності спектрів за допомогою відповідних методів та алгоритмів визначають оптимальні параметри ідентифікації. Задані установки дійсні для бібліотеки. Для близьких об'єктів, невиразних при заданих установках, створюються підбібліотеки, у яких можуть бути використані інші методи попередньої обробки спектрів та алгоритми аналізу. Кількість спектрів у бібліотеці не обмежується.

У бібліотеку включають спектри речовин, що відповідають вимогам, якість яких підтверджено фармакопейними або іншими атестованими методами.

Для обліку можливих варіацій властивостей кожного виду об'єктів, що аналізуються, реєструють спектри декількох серій (партій). Реєстрацію спектрів проводять у подібних умовах вимірів та виконують однакову попередню обробку. Вибрана попередня обробка включених у бібліотеку спектрів зберігається незмінною при наступних вимірах.

Методи попередньої обробки спектрів

Рекомендується проводити попередню обробку спектрів з метою підвищення інформативності одержуваних результатів та зменшення впливу спектральних варіацій. Обробка первинних даних може включати обчислення першої або другої похідної, нормалізацію, мультиплікативну корекцію розсіювання та інші методи їх комбінації. При виборі методів попередньої обробки спектрів слід враховувати, що можуть призвести до втрати інформації або появи помилок-артефактів.

Аналіз даних

Порівняння спектрів досліджуваних зразків при якісному аналізі проводиться з індивідуальними або усередненими спектрами бібліотеки, у тому числі за допомогою різних математичних методів.

Бібліотека може використовуватись для побудови алгоритмів класифікації. Можливе використання різних алгоритмів, наприклад, методу головних компонентів (МГК), комбінованого з кластерним аналізом, методу SIMCA (soft independent modeling of class analogy – незалежного моделювання аналогій класів), а також інших алгоритмів, як включених у математичне забезпечення БІК-спектрометрів, так та розроблених третьою стороною. Надійність використовуваного методу має бути перевірено. Наприклад, коефіцієнт кореляції, сума квадратів відхилень, відстані всередині моделі та інші показники мають бути узгоджені з рівнем прийняття рішень, представленим у процедурі валідації.

Метод аналізу має бути валідований.

Валідація методу якісного аналізу

Валідація методу покликана продемонструвати його придатність з метою аналізу.

Валідація методу проводиться на перевірочному наборі об'єктів, які брали участь у побудові методу, і передбачає перевірку специфічності, чутливості та стійкості (робастності).

Чутливість показує, яка частина об'єктів перевірочного набору, схожих на об'єкти бібліотеки, правильно розпізнається як «свої».

Специфіка показує, яка частина об'єктів перевірочного набору, відмінних від бібліотечних, правильно розпізнається як «чужі».

Особлива увага приділяється результатам класифікації об'єктів, спектри яких візуально схожі на спектри об'єктів бібліотеки, але відрізняються від них за композицією або хімічною структурою. Такі зразки мають правильно визначатися як «чужі».

Стійкість показує, що незначні зміни умов (наприклад, температура, вологість повітря, вібрації, температура зразка, ступінь ущільнення матеріалу, глибина занурення зонда, товщина шару тощо) не впливають на результати та надійність ідентифікації чи кваліфікації.

Кількісний аналіз

Розробка калібрувальної моделі

При розробці моделі встановлюється залежність зміни інтенсивності поглинання або відображення у спектрі зразків від зміни властивостей та складу речовин. При цьому реєструють спектри зразків з відомими значеннями їх складу та/або їх властивостей, що підтверджені атестованими методами. Оскільки хемометричні алгоритми не допускають екстраполяцій, необхідно, щоб область калібрувальних концентрацій була не меншою за очікуваний діапазон аналізованих концентрацій або інших кількісних характеристик. Калібрування зразки повинні бути по можливості рівномірно розподілені всередині діапазону робочих концентрацій.

Реєстрацію спектрів проводять за дотримання параметрів експерименту, факторів, що впливають на результати вимірювань та первинної обробки, які попередньо оптимізовані для всіх аналізованих об'єктів і зберігаються постійними при наступних вимірах.

Калібрувальну модель оптимізують за допомогою відповідного способу попередньої обробки спектрів, вибору спектральної області та математичного алгоритму.

Попередня обробка спектрів

Проводять так, як описано в розділі «Якісний аналіз».

Аналіз даних.Для побудови калібрувальної моделі може використовуватись будь-який обґрунтований математичний алгоритм. Так як в області БІК діапазону спостерігається сильне перекриття смуг поглинання, кількісний аналіз проводять переважно хемометричними алгоритмами, наприклад такими, як метод проекцій на латентні структури (ПЛС, англ. PLS), метод регресії на головні компоненти (РГК, англ. PCR) та іншими .

Валідація калібрувальної моделі

Валідація моделі калібрування передбачає демонстрацію її придатності на вирішення поставленої мети. При цьому мають бути визначені такі валідаційні характеристики: специфічність (селективність), лінійність, робочий діапазон концентрацій (аналітична область), правильність, прецизійність та стійкість (робастність).

При побудові калібрувальних моделей за допомогою хемометричних методів аналізу якість калібрування оцінюється за середньоквадратичним залишком калібрування ( RMSEC) та середньоквадратичному залишку прогнозу ( RMSEP).

Для порівняння результатів калібрування, побудованого за БІК-спектрами, з результатами, отриманими за атестованою методикою, можуть бути використані альтернативні статистичні методи (парний t-Тест, оцінка зміщення та ін).

Викиди

При аналізі БІК методом слід враховувати, коригувати і обґрунтовано виключати результати, що різко виділяються.

Усі викиди підлягають аналізу та, у разі їх інформативної важливості або підтвердження правильності за допомогою атестованої методики, вони можуть бути включені до моделі.

Ревалідація або повторна валідація

Метод якісного або кількісного аналізу, що пройшов валідацію і визнаний придатним для застосування, потребує періодичної повторної валідації або ревалідації. У разі виявлення відхилень необхідно провести коригування методу.

БІК метод повторно валідують, якщо:

до бібліотеки додано новий об'єкт (для якісного аналізу);
є передумови зміни характеристик об'єктів, спектри яких вже включені в бібліотеку (зміна технології виробництва (синтезу), складу, якості вихідної сировини упаковки і т. д.);
виявлено інші зміни та/або невідповідності у властивостях аналізованих об'єктів або методики.

Перенесення моделей

При перенесенні моделей якісного та кількісного аналізу з одного приладу на інший повинні враховуватися спектральні характеристики спектрометрів, що використовуються (дозвіл, діапазон хвильових чисел та ін.). Під процедурами перенесення моделей розуміються різні хемометричні алгоритми (математичні та статистичні). Після перенесення в інший прилад на підтвердження працездатності моделі її необхідно ревалідувати.

Зберігання даних

Зберігання даних здійснюється в електронному вигляді відповідно до вимог програмного забезпечення. При цьому необхідно зберігати вихідні спектри, що не зазнали математичної обробки, з метою їхнього можливого подальшого використання під час оптимізації бібліотек або методів.

Спектрометрія у ближній інфрачервоній області (БІК спектрометрія, англ. NIR) – метод, заснований на здатності речовин поглинати електромагнітне випромінювання у діапазоні довжин хвиль від 780 до 2500 нм (від 12500 до 4000 см -1).

Поглинання в БІК-діапазоні пов'язане, як правило, з обертонами основних коливальних частот зв'язків C-H, N-H, O-H та S-H та їх комбінаціями. Найбільш інформативним діапазоном є область від 1700 до 2500 нм (від 6000 до 4000 см-1).

Аналіз інформації, що витягується з БІК-спектрів, проводиться із застосуванням хемометричних алгоритмів, які вимагають створення первинного масиву даних.

В рамках застосування методу, БІК-спектрометрія дозволяє прямо чи опосередковано проводити якісну та кількісну оцінку хімічних, фізичних та фізико-хімічних характеристик аналізованого об'єкта, у тому числі оцінювати наступні характеристики:

– гідроксильне та йодне число, ступінь гідроксилювання;

– кристалічну форму та ступінь кристалічності;

- Поліморфну форму або псевдополіморфну форму;

- Ступінь дисперсності частинок та інші.

БІК-спектрометрія має такі можливості:

- Простота підготовки проб або відсутність підготовки;

- Швидкість вимірювань;

- Неруйнівний характер аналізу;

- Можливість одночасної оцінки декількох параметрів (показників);

– можливість проведення дистанційного контролю, зокрема у технологічних потоках як реального времени.

Прилади.Використовують як спеціалізовані БІК-спектрофотометри, так і інші спектрофотометри, здатні працювати у ближній ІЧ-області спектра.

БІК-спектрофотометри складаються з:

- Джерела випромінювання, наприклад, кварцової лампи (лампи розжарювання) або її аналога;

– монохроматора (дифракційні грати, призма, оптико-акустичний фільтр) або інтерферометри (спектрофотометри з Фур'є-перетворенням);

– реєструючого пристрою – детектора (на основі кремнію, сульфіду свинцю, арсеніду індія, арсеніду індія-галію, телуриду ртуті-кадмію, дейтерованого тригліцину сульфату та ін.);

– пристрої розміщення зразка та/або дистанційного оптоволоконного датчика.

Спектрофотометри можуть бути оснащені кюветним відділенням, що інтегрує сферою (інтегруюча сфера являє собою оптичний компонент, що складається з сферичної порожнини з покриттям з добре відбиває матеріалу, сфера призначена для отримання спектрів неоднорідних зразків), зовнішніми модулями для вимірювання пропускання зразків, що сильно розсіюють зразків, , оптоволоконними зондами. Вибір того чи іншого пристрою для аналізу залежить від типу зразка та обраного способу вимірювання. Тому рекомендовані для використання прилади, що реалізують кілька підходів до вимірювання.

Для кожного режиму вимірювання (пропускання, дифузне відображення та їх комбінація) повинна бути передбачена своя методика перевірки, що включає перевірку правильності встановлення довжин хвиль та повірку фотометричного шуму.

Перевіряє правильність установки довжин хвиль.Для перевірки правильності установки довжин хвиль реєструють спектр стандартного зразка, що має характеристичні максимуми та мінімуми поглинання та порівнюють отримані значення довжин хвиль із заявленими характеристиками.

Для режимів пропускання та відображення для визначення правильності установки довжин хвиль найбільш поширено як стандартні зразки використовувати оксиди рідкісноземельних елементів, пари води в атмосфері, метиленхлорид та інші.

У приладах з Фур'є-перетворенням шкала хвильових чисел лінійна у всьому робочому діапазоні та для перевірки точності установки достатньо використання одного стандартного зразка з контролем заявлених характеристик по одній смузі поглинання. Прилади інших типів можуть мати нелінійний характер шкали хвильових чисел і вимагають перевірки заявлених метрологічних характеристик не менше ніж за трьома піками (один або кілька стандартних зразків) з охопленням всього робочого діапазону.

Похибка при встановленні довжин хвиль повинна бути не більше ±1 нм (або еквівалентна йому величина хвильового числа) у діапазоні довжин хвиль до 1900 нм та не більше ±1,5 нм для діапазону довжин хвиль ≥1900 нм.

Відтворюваність установки довжини хвилі повинна відповідати вимогам заводу-виробника або вимогам нормативних документів, що діють на території Російської Федерації.

Перевірка фотометричної лінійності.Для перевірки фотометричної лінійності реєструють БІК-спектри стандартних зразків з відомими значеннями пропускання/відображення та будують графічну залежність отриманих значень пропускання/відображення від відомих значень. Результатом побудови такої залежності повинна бути пряма лінії з перетином у центрі координат (0,00±0,05) та тангенсом кута нахилу прямої (1,00±0,05). Для перевірки фотометричної лінійності в режимі відображення як стандартні зразки використовуються полімери, доповані вуглецем або аналоги у кількості не менше 4 зразків у діапазоні значень відображення 10–90 %. Для перевірки фотометричної лінійності в режимі пропускання як стандартні зразки використовують фільтри в кількості 3 зразків зі значеннями пропускання 10–90 % та лінію 100 % пропускання (реєструють спектр пропускання порожнього каналу).

Перевірка фотометричного шуму.Для оцінки фотометричного шуму при вимірі пропускання записують лінію 100% повітря; при вимірюванні відображення реєструють лінію 100% із застосуванням відповідних стандартних зразків з відбивною здатністю не менше 99%. При цьому під лінією 100% мається на увазі вимір, при якому стандартний зразок є зразком і фоном одночасно. При високих значеннях поглинання проводять оцінку фотометричного шуму із застосуванням стандартних зразків зі значеннями пропускання або відображення близько 10%.

Фотометричний шум повинен відповідати вимогам специфікації виробника.

Способи виміру.БІК-спектр є залежністю відповідної фотометричної величини (оптичної щільності ( А), пропускання ( Т), коефіцієнта відображення ( R) та похідних величин) від довжини хвилі або частоти випромінювання. При вимірах в БІК-області реалізуються такі способи:

- Вимірювання поглинання (або пропускання) при проходженні випромінювання через зразок;

- Вимірювання випромінювання, відбитого або розсіяного від зразка;

- Комбінація вищезазначених способів.

Вимірювання завжди проводять щодо тла.

Вимірювання пропускання. Пропускання є мірою зниження інтенсивності випромінювання під час проходження через зразок. Цей принцип реалізований у більшості використовуваних спектрофотометрів, і результат може бути представлений безпосередньо в одиницях пропускання ( T) та/або оптичної щільності ( A).

Спосіб застосовується для твердих та рідких проб, у тому числі для дисперсних систем.

Спеціальної підготовки проб при вимірі пропускання зазвичай не потрібно. Для вимірювання спектру рідких зразків використовують флакони або кювети з відповідною довжиною оптичного шляху (зазвичай 0,5-22 мм), а також оптоволоконні датчики на пропускання.

або зворотну логарифмічну величину цього відношення ( А R):

Спосіб використовується для аналізу твердих зразків із застосуванням інтегруючої сфери або оптоволоконних датчиків, що працюють у режимі відображення. В останньому випадку для відтворення одержуваних результатів необхідно забезпечити стабільність умов проведення вимірювань, зокрема відносну нерухомість датчика, ступінь натискання та інші умови.

Спосіб пропускання-відображення. Даний спосіб є комбінацією пропускання і відображення завдяки спеціальній конструкції кювет і датчиків, в яких випромінювання двічі проходить через зразок, що дозволяє аналізувати зразки з низькою здатністю, що поглинає і розсіює.

Як фотометричну величину використовують коефіцієнт подвійного пропускання ( Т*):

де: I T- Інтенсивність випромінювання після подвійного пропускання, без зразка;

I– інтенсивність пропущеного та відбитого випромінювання, виміряна із зразком;

і величину, аналогічну оптичній щільності ( А*):

Як фон використовують спектр повітря або середовища порівняння.

Спосіб застосовується для рідких, у тому числі негомогенных проб.

Для реєстрації спектра досліджуваний зразок поміщають у кювету із дзеркалом або іншим дифузним відбивачем. Можливе використання оптоволоконного датчика, який занурюють у зразок.