Jak wdrożyć spektroskopię NIR w pracy laboratoryjnej

Po pomyślnym zintegrowaniu spektroskopii bliskiej podczerwieni (NIRS lub spektroskopia NIR) z procesem analizy, laboratorium skorzysta z szybkiej, dokładnej i nieniszczącej metody rutynowej analizy. Ale jak należy postępować, aby wdrożyć spektroskopię NIR w swoim laboratorium?

W trzeciej części naszej serii o spektroskopii NIR opisujemy kroki potrzebne do wdrożenia metody NIR w laboratorium, pokazane na prawdziwym przykładzie.

Zacznijmy od kilku założeń:

1. Twoja firma produkuje materiały polimerowe. Laboratorium zainwestowało w analizator NIR do szybkich pomiarów wilgoci (jako alternatywa do miareczkowania Karla Fischera) i szybkich pomiarów lepkości włściwej (jako alternatywa do pomiarów wiskozymetrem).
2. Laboratorium właśnie otrzymało nowy sprzęt laboratoryjny NIR, m.in Analizator NIRS DS2500.

Krok 1: Utwórz zestaw kalibracyjny

W pierwszej części tej serii (Co to jest spektroskopia NIR?), dowiedzieliśmy się już, że spektroskopia NIR jest metodą drugorzędowa. Oznacza to, że analizator NIR wymaga "szkolenia" z zestawem widm odpowiadających wartościom parametrów pochodzącym z metody pierwszorzędowej. W naszym przykładzie analizy wilgotności i lepkości właściwej podstawowymi metodami są miareczkowanie Karla Fischera i wiskozymetria. W tym przypadku znane więc są wartości pochodzące z analiz za pomocą metod pierwszorzędowych.

Aby metoda była wiarygodna, próbki w zbiorze testowym, zwanym zbiorem kalibracyjnym, muszą pokrywać pełny oczekiwany zakres stężeń badanych parametrów. Odzwierciedla to inne techniki (np. wysokosprawną chromatografię cieczową, HPLC), w których krzywa wzorca kalibracyjnego musi obejmować pełny oczekiwany zakres stężeń. W związku z tym, jeśli spodziewasz się, że zawartość wilgoci w substancji będzie wynosić od 0,35% do 1,5%, próbki w zestawie kalibracyjnym muszą również obejmować ten zakres.

Zmierz wymagane próbki za pomocą analizatora NIRS DS2500. Następnie, z wykorzystaniem oprogramowania skoreluj wyniki pomiarów NIR z wartościami uzyskanymi metodami pierwszorzędowymi (miareczkowanie Karla Fischera i wiskozymetria) na tych samych próbkach. Na przykład wystarczy wprowadzić wartości wilgotności i lepkości za pomocą pakietu oprogramowania Metrohm Vision Air Complete (rysunek 2). Następnie, te dane spektralne (zestaw kalibracyjny) są wykorzystywane do opracowania modelu przewidywania.

Ile próbek lub widm jest niezbędnych?

Idealna liczba widm w zestawie kalibracyjnym zależy od zmienności próbki (wielkość cząsteczek, rozkładu chemicznego itp.). W tym przykładzie użyliśmy 10 próbek polimerów, co jest dobrym punktem wyjścia do sprawdzenia wykonalności zastosowania.

Jednak, aby zbudować solidny zestaw kalibracyjny, który obejmuje wszystkie rodzaje próbek i zapewnia wiarygodną analizę ilościową, potrzeba więcej widm próbek. Z reguły w większości przypadków około 40–50 widm próbek zapewnia odpowiedni model przewidywania.

Zestaw danych obejmujący widma 40–50 jest również używany do walidacji modelu przewidywania. Można to zrobić na przykład za pomocą pakietu oprogramowania Metrohm Vision Air Complete, który dzieli zestaw danych na dwie grupy próbek:

1. Zestaw kalibracyjny 75%
2. Zestaw walidacyjny 25%

Krok 2: Tworzenie i weryfikowanie modeli przewidywania

Tworzenie modelu przewidywania

Teraz, gdy zestaw kalibracyjny został zmierzony w zakresie wartości oczekiwanych, należy utworzyć model przewidywania. Ten etap jest również znany jako opracowywanie modelu kalibracji NIR. Nie martw się – wszystkie procedury są w pełni opracowane i zaimplementowane w pakiecie oprogramowania Metrohm Vision Air Complete. Najpierw sprawdź wzrokowo każde widmo NIR, aby zidentyfikować regiony, które zmieniają się w  zależności od stężenia. Często zastosowanie korekty matematyczne (takiej jak pierwsza lub druga pochodna) zwiększa widoczność różnic spektralnych (rysunek 3).

Po wizualnej identyfikacji oprogramowanie próbuje skorelować wybrane obszary widma z wartościami uzyskanymi z metody podstawowej. Wynikiem jest diagram korelacji zawierający odpowiednie wartości merytoryczne, tj. błąd standardowy kalibracji (SEC, precyzja) i współczynnik korelacji (R2). Rysunek 4 pokazuje przykładowy diagram korelacji dla wilgoci. Tę samą procedurę przeprowadza się dla pozostałych parametrów (w tym przypadku lepkości właściwej).

Analiza danych jednowymiarowych i wielowymiarowych

Opisany powyżej proces jest ponownie podobny do ogólnych procedur roboczych z HPLC. Podczas tworzenia krzywej kalibracyjnej za pomocą HPLC zazwyczaj wysokość piku lub intensywność piku (powierzchnia) jest powiązana ze znanym wewnętrznym stężeniem wzorcowym. Tutaj używana jest tylko jedna zmienna (wysokość pasma lub powierzchnia), dlatego ta procedura jest znana jako «analiza danych jednowymiarowych».

Z drugiej strony, spektroskopia NIR jest technologią "wielowymiarowej analizy danych". NIRS wykorzystuje zakres widma elektromagnetycznego (np. 1900–2000 nm dla wody) i dlatego do stworzenia korelacji stosuje się wiele wartości absorbancji.

Sprawdzenie poprawności modelu przewidywania

Tak jak poprzednio, model przewidywania jest tworzony przy użyciu zestawu kalibracji, ale przewidywania będą teraz weryfikowane przy użyciu zestawu walidacyjnego. Wyniki dla tych próbek polimerów przedstawiono powyżej na rysunku 4. Użytkownicy, którzy nie mają doświadczenia w tworzeniu modeli NIR i nie czują się jeszcze pewnie, mogą polegać na wsparciu Metrohm, który jest znany z wysokiej jakości usług. Pomożemy Ci w stworzeniu i walidacji modelu przewidywania.

Skontaktuj się z nami

Krok 3: Rutynowa analiza

Piękno spektroskopii bliskiej podczerwieni staje się coraz bardziej widoczne po stworzeniu i walidacji modelu przewidywania. Próbki polimerów o nieznanej zawartości wilgoci i nieznanej lepkości właściwej można teraz analizować za pomocą naciśnięcia jednego przycisku. Analizator NIRS DS2500 wyświetli wyniki dla tych parametrów w czasie krótszym niż minuta.

Opcje wyświetlania

Zazwyczaj wyświetlane są tylko wyniki. Czasami wyniki są wyróżnione żółtym lub czerwonym polem, aby wskazać ostrzeżenie lub błąd, jak pokazano na rysunku 5. Samo widmo nie jest pokazane.

Oczywiście istnieje również możliwość wyświetlenia widm, ale dla większości użytkowników (zwłaszcza dla pracowników zmianowych) widma te nie mają żadnego znaczenia i nie mogą z nich czerpać żadnych informacji. W takich sytuacjach ważne są tylko wartości liczbowe wraz z wyraźnym wskazaniem wyniku pozytywnego/negatywnego.

Inną możliwością wyświetlania jest wykres trendu, który pozwala na proaktywne dostosowanie procesów produkcyjnych. W tym miejscu zaznaczono również wartości graniczne ostrzegania i działania (Rysunek 6).

Streszczenie

Większość wysiłku potrzebnego do wdrożenia NIRS w laboratorium znajduje się na początku procesu, podczas pobierania i pomiaru próbek obejmujących pełny zakres stężeń. Tworzenie i walidacja modelu przewidywania, a także jego implementacja w rutynowej analizie, odbywa się za pomocą pakietu oprogramowania Metrohm Vision Air Complete i mogą być wykonane w krótkim czasie. Dodatkowo, nasi specjaliści Metrohm NIRS z przyjemnością wesprą Cię w tworzeniu modelu przewidywania, jeśli będziesz potrzebować pomocy!

W tym miejscu należy zauważyć, że istnieją przypadki, w których spektroskopia NIR może być zaimplementowana bezpośrednio, bez opracowywania modelu przewidywania, przy użyciu wstępnych kalibracji Metrohm. Są to solidne, gotowe do użycia procedury operacyjne dla określonych zastosowań (np. lepkość PET) oparte na rzeczywistych widmach produktów.

Przedstawiamy i omawiamy ich cechy i zalety w następnym artykule:

Wstępna kalibracja spektroskopii NIR: Natychmiastowe wyniki

Przejdź do wstępnej kalibracji z Metrohm

Dodatkowa, spektroskopowa wiedza

Dowiedz się więcej o naszych spektrometrach NIR do analiz laboratoryjnych i procesowych, a także o rozwiązaniach Ramana

Dowiedz się więcej o wybranych zastosowaniach NIR w przemyśle polimerowym