Comment intégrer la spectroscopie proche infrarouge dans le flux de travail de votre laboratoire ?

Une fois que la spectroscopie dans le proche infrarouge (NIRS, ou spectroscopie NIR) a été intégrée avec succès dans votre flux d'analyses, votre laboratoire bénéficiera d'une méthode rapide, précise et non destructive pour les analyses de routine. Mais comment procéder pour mettre en œuvre la spectroscopie NIR dans le flux de travail de votre laboratoire ?

Dans ce troisième épisode de notre série sur la spectroscopie proche infrarouge, nous décrivons les étapes nécessaires à la mise en œuvre d'une méthode proche infrarouge dans votre laboratoire, à partir d'un exemple réel.

Commençons par formuler quelques hypothèses :

1. Votre entreprise produit des matériaux polymères. Le laboratoire a investi dans un analyseur NIR pour des mesures rapides de l'humidité (comme alternative au titrage Karl Fischer) et des mesures rapides de la viscosité intrinsèque (comme alternative aux mesures avec un viscosimètre).
2. Le laboratoire vient de recevoir son nouvel équipement de laboratoire NIR, à savoir un NIRS DS2500 Analyzer.

Étape 1 : Créer un jeu d'étalonnage

Dans le premier volet de cette série (Qu'est-ce que la spectroscopie proche infrarouge ?), nous avons déjà appris que la spectroscopie NIR est une méthode secondaire. Cela signifie que votre analyseur NIR doit être "formé" à l'aide d'un ensemble de spectres correspondant à des valeurs de paramètres provenant d'une méthode primaire. Dans notre exemple d'analyse de l'humidité et de la viscosité intrinsèque, les méthodes primaires sont le titrage Karl Fischer et la viscosité. Dans ce cas, les valeurs des analyses primaires sont connues.

Pour que la méthode soit robuste, les échantillons de l'ensemble d'entraînement, appelé ensemble d'étalonnage, doivent couvrir toute la gamme de concentrations attendues des paramètres testés. Cela reflète d'autres techniques (par exemple, la chromatographie liquide à haute performance, HPLC) où la courbe standard d'étalonnage doit couvrir toute la gamme de concentration attendue. Par conséquent, si l'on s'attend à ce que la teneur en eau d'une substance soit comprise entre 0,35 % et 1,5 %, les échantillons de la série d'étalonnage doivent également couvrir cette plage.

Mesurez les échantillons requis avec l'analyseur NIRS DS2500. Ensuite, liez les résultats des mesures NIR aux valeurs obtenues par les méthodes primaires (titrage Karl Fischer et viscosimétrie) sur les mêmes échantillons à l'aide d'un logiciel. Par exemple, il suffit de saisir les valeurs d'humidité et de viscosité à l'aide du logiciel Metrohm Vision Air Complete (Figure 2). Par la suite, ces données spectrales (l'ensemble d'étalonnage) sont utilisées pour le développement du modèle de prédiction.

Combien d'échantillons ou de spectres sont nécessaires ?

Le nombre idéal de spectres dans un ensemble d'étalonnage dépend de la variation de l'échantillon (taille des particules, distribution chimique, etc.). Dans cet exemple, nous avons utilisé 10 échantillons de polymères, ce qui constitue un bon point de départ pour vérifier la faisabilité d'une application.

Cependant, pour construire un ensemble d'étalonnage robuste qui couvre toutes les variations de l'échantillon et garantit une analyse quantitative fiable, un plus grand nombre de spectres d'échantillons est nécessaire. En règle générale, environ 40 à 50 spectres d'échantillons fournissent un modèle de prédiction adéquat dans la plupart des cas.

L'ensemble de données comprenant 40 à 50 spectres est également utilisé pour valider le modèle de prédiction. Cela peut se faire, par exemple, à l'aide du logiciel Metrohm Vision Air Complete, qui divise l'ensemble de données en deux groupes d'échantillons :

1. Set d'étalonnage 75%
2. Ensemble de validation 25%

Étape 2 : Créer et valider des modèles de prédiction

Création d'un modèle de prédiction

Maintenant que l'ensemble d'étalonnage a été mesuré dans la gamme des valeurs attendues, un modèle de prédiction doit être créé. Cette étape est également connue sous le nom de développement du modèle d'étalonnage NIR. Ne vous inquiétez pas - toutes les procédures sont entièrement développées et mises en œuvre dans le logiciel Metrohm Vision Air Complete. Tout d'abord, inspectez visuellement chaque spectre NIR pour identifier les régions qui changent en fonction de la concentration. Souvent, l'application d'un ajustement mathématique (tel que la dérivée première ou seconde) améliore la visibilité des différences spectrales (Figure 3).

Une fois identifiées visuellement, le logiciel tente de corréler ces régions spectrales sélectionnées avec les valeurs provenant de la méthode primaire. Le résultat est un diagramme de corrélation, comprenant les figures de mérite respectives, c'est-à-dire l'erreur standard d'étalonnage (SEC, précision) et le coefficient de corrélation (R2). La figure 4 montre un exemple de diagramme de corrélation pour l'humidité. La même procédure est appliquée aux autres paramètres (dans ce cas, la viscosité intrinsèque).

Analyse de données univariées ou multivariées

Le processus décrit ci-dessus est à nouveau similaire aux procédures de travail générales de la CLHP. Lors de la création d'une courbe d'étalonnage avec la CLHP, la hauteur ou l'intensité du pic (surface) est généralement liée à une concentration d'étalon interne connue. Ici, une seule variable est utilisée (hauteur du pic ou surface), c'est pourquoi cette procédure est connue sous le nom d"analyse de données univariée".

En revanche, la spectroscopie NIR est une technologie d'"analyse de données multivariées". La NIRS utilise une plage du spectre électromagnétique (par exemple, 1900-2000 nm pour l'eau) et, par conséquent, plusieurs valeurs d'absorbance sont utilisées pour créer la corrélation.

Validation d'un modèle de prédiction

Comme précédemment, un modèle de prédiction est créé à l'aide de l'ensemble d'étalonnage, mais les prédictions seront maintenant validées à l'aide de l'ensemble de validation. Les résultats pour ces échantillons de polymères sont présentés ci-dessus dans la figure 4. Les utilisateurs qui n'ont pas d'expérience dans la création de modèles NIR et qui ne se sentent pas encore en confiance peuvent compter sur l'assistance de Metrohm, qui est connue pour son service de haute qualité. Nous vous assisterons dans la création et la validation de modèles de prédiction.

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Étape 3 : Analyse de routine

La beauté de la spectroscopie dans le proche infrarouge prend tout son sens une fois que le modèle de prédiction a été créé et validé. Les échantillons de polymères dont la teneur en humidité et la viscosité intrinsèque sont inconnues peuvent désormais être analysés en appuyant sur un bouton. L'analyseur NIRS DS2500 affichera les résultats pour ces paramètres en moins d'une minute.

Options d'affichage

En général, seuls les résultats sont affichés. Parfois, les résultats sont mis en évidence par une boîte jaune ou rouge pour indiquer un avertissement ou une erreur, comme le montre la figure 5. Le spectre lui-même n'est pas affiché.

Bien entendu, il est également possible d'afficher les spectres, mais pour la plupart des utilisateurs (en particulier les travailleurs postés), ces spectres n'ont aucune signification et ils ne peuvent en tirer aucune information. Dans ce cas, seules les valeurs numériques sont importantes, de même qu'une indication claire de réussite ou d'échec.

Une autre possibilité d'affichage est le graphique de tendance, qui permet d'ajuster les processus de production de manière proactive. Les limites d'alerte et d'action sont également mises en évidence (figure 6).

Résumé

La plupart des efforts nécessaires à la mise en œuvre de la NIRS dans le laboratoire se situent au début du flux de travail, lors de la collecte et de la mesure des échantillons qui couvrent toute la gamme de concentration. La création et la validation du modèle de prédiction, ainsi que l'implémentation dans l'analyse de routine, s'effectuent à l'aide du logiciel Metrohm Vision Air Complete et peuvent être réalisées en peu de temps. De plus, nos spécialistes Metrohm NIRS vous aideront volontiers à créer le modèle de prédiction si vous avez besoin d'assistance.

À ce stade, il convient de noter que, dans certains cas, la spectroscopie NIR peut être mise en œuvre directement sans développement d'un modèle de prédiction, en utilisant les préétalonnages Metrohm. Il s'agit de procédures opérationnelles robustes et prêtes à l'emploi pour certaines applications (par ex., viscosité du PET) sur la base de spectres de produits réels.

Nous présentons et discutons leurs caractéristiques et leurs avantages dans l'article suivant :

Pré-étalonnages en spectroscopie NIR : Résultats immédiats

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