Laboratuvar iş akışınızda NIR spektroskopisini nasıl uygulayabilirsiniz?

8 Oca 2024

Ürün

Bu makale Parça 3 bir seriye ait.

Git

Yakın kızılötesi spektroskopisi (NIRS veya NIR spektroskopisi) analiz iş akışınıza başarıyla entegre edildiğinde, laboratuvarınız rutin analizler için hızlı, doğru ve tahribatsız bir yöntemden faydalanacaktır. Ancak NIR spektroskopisini laboratuvar iş akışınıza uygulamak için nasıl ilerlemelisiniz?

NIR spektroskopisi hakkındaki serimizin bu üçüncü bölümünde, laboratuvarınızda bir NIR yöntemi uygulamak için gereken adımları gerçek bir örnek üzerinde açıklıyoruz.

Birkaç varsayım yaparak başlayalım:

İşletmeniz polimerik malzeme üretiyor. Laboratuvar, hızlı nem ölçümleri (Karl Fischer titrasyonuna alternatif olarak) ve hızlı içsel viskozite ölçümleri (viskozimetre ile ölçümlere alternatif olarak) için bir NIR analizörüne yatırım yaptı.
Laboratuvar, NIRS DS2500 Analyzer gibi yeni NIR laboratuvar ekipmanlarını henüz teslim almıştır.

Şekil 1. NIR spektroskopi yöntemi uygulaması için iş akışı.

Hem nem tayini hem de içsel viskozite ölçümü kantitatif analiz örnekleridir. NIR spektroskopisi çoğu durumda bu analiz için anında kullanılamaz, çünkü önce bir NIR kalibrasyonu (veya tahmin modeli) oluşturulması gerekir.

Şekil 1'de gösterildiği gibi, NIR spektroskopisinin uygulanmasına yönelik adımlar şunları içerir:

Kalibrasyon seti oluşturma
Tahmin modelleri oluşturma ve doğrulama
Rutin analiz

Adım 1: Bir kalibrasyon seti oluşturun

Bu serinin ilk bölümünde (NIR spektroskopisi nedir?), NIR spektroskopisinin ikincil bir yöntem olduğunu öğrenmiştik. Bu, NIR analizörünüzün birincil bir yöntemden elde edilen parametre değerlerine karşılık gelen bir dizi spektrumla "eğitilmesi" gerektiği anlamına gelir. Nem ve içsel viskozite analizine yönelik örneğimizde, birincil yöntemler Karl Fischer titrasyonu ve viskozimetridir. Bu durumda, birincil analizlerden elde edilen değerler bilinmektedir.

Metodun sağlam olması için, kalibrasyon seti olarak adlandırılan eğitim setindeki numuneler, test edilen parametrelerin beklenen konsantrasyon aralığının tamamını kapsamalıdır. Bu, kalibrasyon standart eğrisinin beklenen konsantrasyon aralığının tamamını kapsaması gereken diğer teknikleri (ör. Yüksek Performanslı Sıvı Kromatografisi, HPLC) yansıtır. Bu nedenle, bir maddenin nem içeriğinin %0,35 ile %1,5 arasında olmasını bekliyorsanız, kalibrasyon setindeki numuneler de bu aralığı kapsamalıdır.

Gerekli numuneleri NIRS DS2500 Analizör ile ölçün. Ardından, NIR ölçümlerinden elde edilen sonuçları bir yazılım kullanarak aynı numuneler üzerinde birincil yöntemlerden (Karl Fischer titrasyonu ve viskozimetri) elde edilen değerlerle ilişkilendirin. Örneğin, Metrohm Vision Air Complete yazılım paketini kullanarak nem ve viskozite değerlerini girmeniz yeterlidir (Şekil 2). Daha sonra, bu spektral veriler (kalibrasyon seti) tahmin modeli geliştirme için kullanılır.

Kaç numune veya spektrum gereklidir?

Bir kalibrasyon setindeki ideal spektrum sayısı numunedeki varyasyona (partikül boyutu, kimyasal dağılım vb.) bağlıdır. Bu örnekte, bir uygulamanın fizibilitesini kontrol etmek için iyi bir başlangıç noktası olan 10 polimer numunesi kullanılmıştır.

Ancak, tüm numune varyasyonlarını kapsayan ve güvenilir bir kantitatif analiz sağlayan sağlam bir kalibrasyon seti oluşturmak için daha fazla numune spektrumu gereklidir. Kural olarak, yaklaşık 40-50 numune spektrumu çoğu durumda uygun bir tahmin modeli sağlar.

40-50 spektrum içeren veri seti, tahmin modelini doğrulamak için de kullanılır. Bu, örneğin, veri setini iki örnek grubuna ayıran Metrohm Vision Air Complete yazılım paketi kullanılarak yapılabilir:

Kalibrasyon seti %75
Doğrulama seti %25

Adım 2: Tahmin modelleri oluşturun ve doğrulayın

Tahmin modeli oluşturma

Artık kalibrasyon seti beklenen değerler aralığında ölçüldüğüne göre, bir tahmin modeli oluşturulmalıdır. Bu adım aynı zamanda NIR kalibrasyon modeli geliştirme olarak da bilinmektedir. Endişelenmeyin - tüm prosedürler Metrohm Vision Air Complete yazılım paketinde tamamen geliştirilmiş ve uygulanmıştır. İlk olarak, değişen konsantrasyon ile değişen bölgeleri belirlemek için her bir NIR spektrumunu görsel olarak inceleyin. Genellikle, matematiksel bir ayarlama (birinci veya ikinci türev gibi) uygulamak spektral farklılıkların görünürlüğünü artırmaktadır (Şekil 3).

Görsel olarak tanımlandıktan sonra, yazılım seçilen bu spektral bölgeleri birincil yöntemden elde edilen değerlerle ilişkilendirmeye çalışır. Sonuç, ilgili değer rakamlarını, yani Kalibrasyonun Standart Hatasını (SEC, hassasiyet) ve korelasyon katsayısını (R²) içeren bir korelasyon diyagramıdır. Şekil 4'te nem için bir korelasyon diyagramı örneği gösterilmektedir. Aynı prosedür diğer parametreler için de gerçekleştirilir (bu durumda içsel viskozite).

Tek değişkenli ve çok değişkenli veri analizi

Yukarıda açıklanan süreç yine HPLC ile genel çalışma prosedürlerine benzer. HPLC ile bir kalibrasyon eğrisi oluştururken, tipik olarak pik yüksekliği veya pik yoğunluğu (yüzey) bilinen bir dahili standart konsantrasyonu ile ilişkilendirilir. Burada sadece bir değişken kullanılır (pik yüksekliği veya yüzey), bu nedenle bu prosedür "tek değişkenli veri analizi" olarak bilinir.

Öte yandan, NIR spektroskopisi bir "çok değişkenli veri analizi" teknolojisidir. NIRS elektromanyetik spektrumun bir aralığını kullanır (örneğin, su için 1900-2000 nm) ve bu nedenle korelasyon oluşturmak için birden fazla absorbans değeri kullanılır.

Bir tahmin modelini doğrulama

Daha önce olduğu gibi, kalibrasyon seti kullanılarak bir tahmin modeli oluşturulur, ancak tahminler şimdi doğrulama seti kullanılarak doğrulanacaktır. Bu polimer numuneleri için sonuçlar yukarıda Şekil 4'te gösterilmektedir. NIR model oluşturma konusunda deneyimsiz olan ve henüz bu konuda kendine güvenmeyen kullanıcılar, yüksek kaliteli hizmeti ile bilinen Metrohm desteğine güvenebilirler. Tahmin modeli oluşturma ve doğrulama konusunda sizlere yardımcı olacağız.

Bizimle iletişime geçin

Adım 3: Rutin analiz

Tahmin modeli oluşturulup doğrulandıktan sonra yakın kızılötesi spektroskopinin kolaylığı ortaya çıkar. Bilinmeyen nem içeriğine ve bilinmeyen iç viskoziteye sahip polimer numuneleri artık tek bir düğmeye basılarak analiz edilebilir. NIRS DS2500 Analizör ile bu parametreler için sonuçları bir dakikadan kısa sürede görüntülenebilir.

Görüntüleme seçenekleri

Genellikle sadece sonuçlar gösterilir. Bazen sonuçlar, Şekil 5'te gösterildiği gibi bir uyarı veya hatayı belirtmek için sarı veya kırmızı bir uyarı ile vurgulanır. Spektrumun kendisi gösterilmez.

Elbette spektrumları görüntüleme seçeneği de mevcuttur, ancak çoğu kullanıcı için (özellikle vardiyalı çalışanlar için) bu spektrumların hiçbir anlamı yoktur ve bunlardan hiçbir bilgi elde edemezler. Bu gibi durumlarda, net bir başarılı/başarısız göstergesiyle birlikte sadece sayısal değerler önemlidir.

Bir başka görüntüleme olanağı da üretim süreçlerinin proaktif bir şekilde ayarlanmasına olanak tanıyan trend grafiğidir. Uyarı ve eylem limitleri burada da vurgulanır (Şekil 6).

Özet

NIRS'in laboratuvarda uygulanması için gereken çabanın çoğu, iş akışının başlangıcında, tüm konsantrasyon aralığını kapsayan numunelerin toplanması ve ölçülmesi sırasında ortaya çıkmaktadır. Tahmin modelinin oluşturulması ve validasyonunun yanı sıra rutin analizlere uygulanması, Metrohm Vision Air Complete yazılım paketinin yardımı ile yapılmakta ve kısa bir süre içerisinde tamamlanabilmektedir. Ek olarak, Metrohm NIRS uzmanlarımız, yardıma ihtiyaç duymanız halinde tahmin modelinin oluşturulması konusunda size memnuniyetle destek olacaktır.

Bu noktada, NIR spektroskopisinin Metrohm ön-kalibrasyonları kullanılarak herhangi bir tahmin modeli geliştirilmeden doğrudan uygulanabileceği durumlar mevcuttur. Bunlar, gerçek ürün spektrumlarına dayanan belirli uygulamalar (ör. PET viskozitesi) için sağlam, kullanıma hazır işletim prosedürleridir.

Bir sonraki makalede bunların özellikleri ve avantajları sunulacak ve tartışılacaktır:

NIR spektroskopisi ön kalibrasyonları: Anında sonuçlar

Metrohm ön kalibrasyonlarına gidiniz