Udostępnij artykuł
W jaki sposób wstępne kalibracje pomagają w szybkim wdrożeniu spektroskopii bliskiej podczerwieni
Czy nie byłoby miło rozpocząć analizę za naciśnięciem jednego przycisku? Dzięki wstępnej kalibracji spektroskopii NIR, wystarczy: umieścić próbkę w odpowiednim miejscu, zamknąć pokrywę i rozpocząć pomiar – to wszystko!
Czy nie byłoby miło rozpocząć analizę za naciśnięciem jednego przycisku? Dzięki wstępnej kalibracji spektroskopii NIR, wystarczy: umieścić próbkę w odpowiednim miejscu, zamknąć pokrywę i rozpocząć pomiar – to wszystko!
Jest to czwarta część naszej serii o spektroskopii NIR. Tym razem przedstawiamy, w jakich przypadkach spektroskopia NIR może być wdrożona bezpośrednio w laboratorium bez konieczności opracowywania metody. Oznacza to, że w przypadku tych zastosowań urządzenie jest natychmiast gotowe do pracy i jest w stanie dostarczyć dokładne wyniki – już od pierwszego dnia.
Poniżej, zostaną omówione następujące tematy (kliknij, aby przejść do tematu):
Zaleta kalibracji wstępnej
W naszym ostatnim odcinku (Jak wdrożyć spektroskopię NIR w laboratoryjnym przepływie pracy) pokazaliśmy, w jaki sposób można zintegrować spektrometr NIR z pracą laboratoryjną na podstawie rzeczywistego przykładu. Proces ten przedstawiono na rysunku 1.
Większość pracy polega na stworzeniu zestawu kalibracyjnego. Musisz zmierzyć około 40–50 próbek w oczekiwanym zakresie parametrów za pomocą metody pierwszorzędowej. Korzystając z oprogramowania NIR, należy skorelować uzyskane wartości z widmami NIR, które zostały zarejestrowane dla tych samych próbek (rysunek 1: Krok 1).
Następnie należy utworzyć model przewidywania, poprzez wizualną identyfikację zmian spektralnych i skorelować te zmiany z wartościami uzyskanymi z metody pierwszorzędowej (rysunek 1: Krok 2). Po zatwierdzeniu przez oprogramowanie dostępny jest model przewidywania do wykorzystania w rutynowych pomiarach.
Opisany powyżej proces wymaga pewnego wysiłku i jest długotrwały, ponieważ w wielu przypadkach najpierw należy przygotować i pobrać próbki obejmujące określony zakres stężeń. Dlatego byłoby bardzo korzystne, gdyby kroki 1 i 2 można było pominąć, tak aby instrument NIR mógł być używany natychmiast od pierwszego dnia.
Nie jest to tylko myślenie życzeniowe, ale raczej rzeczywistość dla konkretnych zastosowań z wykorzystaniem wstępnej kalibracji.
Co to są kalibracje wstępne?
Kalibracje wstępne w spektroskopii NIR to modele przewidywania, które mogą być stosowane natychmiast i zapewniają satysfakcjonujące wyniki od samego początku. Modele te opierają się na dużej liczbie rzeczywistych widm produktów (od 100 do 600) obejmujących szeroki zakres parametrów.
Oznacza to, że tworzenie zestawu kalibracyjnego oraz tworzenie i walidacja modelu przewidywania (rysunek 1: Kroki 1 i 2) nie są wymagane. Zamiast tego model przewidywania przed kalibracją może być używany bezpośrednio do rutynowej analizy nieznanych próbek, jak pokazano na rysunku 2.
Jak działają wstępne kalibracje?
Każda kalibracja wstępna jest dostarczana jako plik cyfrowy, który należy zaimportować do oprogramowania NIR, takiego jak oprogramowanie Metrohm Vision Air.
- Zainstaluj nowy przyrząd NIR (w tym oprogramowanie Vision Air).
- Utwórz metodę zawierającą ustawienia specyficzne dla pomiaru, takie jak temperatura pomiaru i typ używanego naczynia na próbkę.
- Zaimportuj wstępną kalibrację i połącz ją z metodą.
To wszystko, czego potrzeba!
Przyrząd jest teraz gotowy do dostarczania wiarygodnych wyników rutynowych pomiarów. Zaleca się wykonanie pomiaru kilku próbek kontrolnych o znanych wartościach w celu potwierdzenia, że wstępna kalibracja zapewnia akceptowalne wyniki.
Optymalizacja wstępnej kalibracji
W niektórych przypadkach wyniki uzyskane na próbkach kontrolnych po wstępnej kalibracji są nie do końca akceptowalne. Powody mogą być różne i ogólnie wyróżnia się trzy różne przypadki:
- Wyniki uzyskane dla próbek kontrolnych tylko nieznacznie odbiegają od wartości oczekiwanych.
- Wyniki są akceptowalne, ale błąd standardowy jest nieco większy.
- Wyniki znacznie się różnią.
Poniżej omówimy każdy z tych przypadków i przedstawimy zalecenia.
Przypadek 1: Wyniki uzyskane z prób kontrolnych tylko nieznacznie odbiegają od wartości oczekiwanych
Jeżeli wartość uzyskana z próbek kontrolnych odbiega tylko nieznacznie, zalecanym rozwiązaniem jest korekta odchylenia nachylenia. Proces ten przedstawiono na rysunku 3.
Na górnym wykresie widać, że wartości z kalibracji wstępnej odbiegają konsekwentnie w całym zakresie. W takiej sytuacji możliwe jest wykonanie korekcji odchylenia nachylenia mierzonego modelu w oprogramowaniu Vision Air. Po wykonaniu tej czynności wyniki pasują bardzo dobrze (rysunek 3 – dół).
Przypadek 2: Wyniki są akceptowalne, ale błąd jest nieco większy
W większości przypadków takie zachowanie jest obserwowane, jeśli zakres wstępnej kalibracji jest znacznie większy niż zakres, który interesuje analityka.
Rozważmy na przykład pomiar wartości na dolnym końcu całego zakresu. Błąd kalibracji wstępnej jest obliczany dla całego zakresu, a zatem wpływ błędu średniego (SECV = błąd standardowy walidacji krzyżowej) jest znacznie większy na wartości na dolnym końcu w porównaniu z wartościami w środku pełnego zakresu. Przedstawiono to na rysunku 4 i w tabeli 1.
Tabela 1. Dane liczbowe dotyczące poszczególnych obszarów kalibracji wstępnej przedstawiono na rysunku 4. Zwróć uwagę na znacznie mniejszy SECV dla zakresu 0–36 w porównaniu z SECV dla pełnego zakresu 0–200.
| Zakres | R2 | SEK | SECV |
| 0–200 | 0,996 | 3,8 | 3,9 |
| 0–36 | 0,994 | 0,77 | 0,81 |
| 32–109 | 0,986 | 3,3 | 3,8 |
| 91–200 | 0,977 | 3,6 | 3,7 |
Zalecanym działaniem w tym przypadku jest usunięcie pewnych zakresów kalibracji wstępnej, pozostawiając tylko zakres zainteresowania.
Z tabeli 1 jasno wynika, że SECV dla całego zakresu (0–200) jest znacznie wyższy niż SECV dla mniejszego zakresu (0–36). Oznacza to, że po usunięciu próbek odpowiadających wyższym zakresom z kalibracji wstępnej (pozostawiając tylko zakres 0–36 cali), wynikowa zmodyfikowana kalibracja wstępna daje niższy SECV.
Przypadek 3: Wyniki znacznie się różnią
Przyczyn niezadowalającej wydajności przewidywania może być kilka. Omówimy dwa powody.
W pierwszym przykładzie rozważmy sytuacje w której, próbki dostarczone do analizy są chronione. Na przykład niektórzy producenci produkują unikalne, opatentowane poliole. Te zastrzeżone substancje nie są uwzględniane w standardowym zbiorze widm próbek we wstępnej kalibracji. W związku z tym wstępna kalibracja nie zapewnia akceptowalnych wyników dla takich zastrzeżonych próbek.
Inny przykład pokazano na rysunku 5. Można zaobserwować, że wartości z metody pierwszorzędowej (niebieskie punkty danych) znacznie odbiegają od wartości uzyskanych z modelu wstępnej kalibracji.
Ten przykład został zaczerpnięty z prawdziwego przypadku klienta, który zaobserwowaliśmy. Na początku byliśmy nieco zdziwieni podczas sprawdzania wyników pomiarów, ale powód stał się jasny po rozmowie z naszym klientem. Zdecydowano się na pomiar wartości pierwszorzędowych (liczby hydroksylowej) za pomocą miareczkowania ręcznego, a nie, jak to zalecano, za pomocą titratora automatycznego firmy Metrohm.
Dlatego przyczyną niezadowalającej skuteczności jest słaba dokładność ręcznego miareczkowania próbek kontrolnych i nie ma to nic wspólnego z jakością wstępnej kalibracji.
Aby uzyskać więcej informacji na temat miareczkowania ręcznego, przeczytaj nasz wpis na blogu poniżej o głównych źródłach błędów:
Wstępne kalibracja spektroskopii NIR firmy Metrohm
Metrohm oferuje szeroki wybór kalibracji wstępnych dla różnorodnych zastosowań. Są one wymienione w tabeli 2 wraz z najważniejszymi parametrami kalibracji wstępnej. Kliknij linki, aby uzyskać więcej informacji.
Tabela 2. Przegląd dostępnych kalibracji wstępnych dla oprogramowania Metrohm Vision Air.
| Kalibracja wstępna | Wybrane ważne parametry |
| Poliole | Liczba hydroksylowa (ASTM D6342) |
| Benzyna | RON, MON, wskaźnik przeciwstukowy, substancje aromatyczne, benzen, olefiny |
| Diesel | Liczba cetanowa, gęstość, temperatura zapłonu |
| Paliwo do silników odrzutowych | Indeks cetanowy, gęstość, substancje aromatyczne |
| Olej palmowy | Liczba jodowa, wolne kwasy tłuszczowe, wilgotność |
| Przemysł celulozowo-papierniczy | Liczba Kappa, gęstość, parametry wytrzymałościowe |
| Polietylen (PE) | Gęstość, lepkość właściwa |
| Polipropylen (PP) | Szybkość płynięcia |
| Politereftalan etylenu (PET) | Lepkość właściwa, liczba kwasowa i inne |
| Poliamid (PA 6) | Lepkość właściwa, grupy -NH2 -COOH |
| Konopie indyjskie | Zawartość THC, CBD i CBG; wody |
| Analiza stolca | Zawartość tłuszczu, kalorii i azotu; wody |
Wnioski
Kalibracje wstępne to modele przewidywania oparte na dużej liczbie rzeczywistych widm spektralnych produktów. Pozwalają one użytkownikom pominąć początkową część opracowania modelu i umożliwiają korzystanie z instrumentu od pierwszego dnia, oszczędzając zarówno czas, jak i pieniądze.
