Как внедрить БИК-спектроскопию в рабочий процесс вашей лаборатории

Как следует поступить, чтобы интегрировать ближнеинфракрасную спектроскопию (NIRS, или БИК-спектроскопии) в ваш аналитический процесс, чтобы ваша лаборатория получила все преимущества от быстрого, точного и неразрушающего метода рутинного анализа?

В этой третьей части нашей серии статей о БИК мы описываем шаги, необходимые для внедрения метода в рабочий процесс лаборатории, на примере реального случая.

Начнём с нескольких предположений:

1. Ваше предприятие производит полимерные материалы. Лаборатория приобрела БИК-анализатор для быстрого измерения влажности (в качестве альтернативы титрованию по Карлу Фишеру) и быстрого измерения характеристической вязкости (в качестве альтернативы измерениям с помощью вискозиметра).
2. Лаборатория только что получила новое оборудование – БИК-анализатор NIRS DS2500.

Шаг 1: Создайте калибровочный набор

В первой части этой серии (Что такое спектроскопия в ближнем инфракрасном диапазоне?), мы уже узнали, что спектроскопия в ближнем инфракрасном диапазоне является вторичным методом. Это означает, что вашему БИК-анализатору требуется «обучение» с использованием набора спектров, соответствующих значениям параметров, полученных из основного метода. В нашем примере определения влажности и характеристической вязкости основными методами являются титрование по Карлу Фишеру и вискозиметрия. В данном случае значения, полученные в ходе первичного анализа, известны.

Для обеспечения надежности метода образцы в обучающем наборе, называемом калибровочным набором, должны охватывать весь ожидаемый диапазон концентраций тестируемых параметров. Это отражает особенности других методов (например, высокоэффективной жидкостной хроматографии, ВЭЖХ), где калибровочная кривая должна охватывать весь ожидаемый диапазон концентраций. Следовательно, если вы ожидаете, что содержание влаги в веществе будет находиться в диапазоне от 0,35% до 1,5%, то образцы в калибровочном наборе также должны охватывать этот диапазон.

Проведите необходимые измерения с помощью анализатора NIRS DS2500. Затем, используя программное обеспечение, сопоставьте результаты измерений в ближней инфракрасной области (NIR) со значениями, полученными с помощью основных методов (титрование по Карлу Фишеру и вискозиметрия) на тех же образцах. Например, просто введите значения влажности и вязкости, используя прибор Metrohm. Vision Air Complete программный пакет (Рисунок 2). Впоследствии эти спектральные данные (калибровочный набор) используются для разработки модели прогнозирования.

Сколько образцов или спектров необходимо?

Оптимальное количество спектров в калибровочном наборе зависит от вариаций в образце (размер частиц, химическое распределение и т. д.). В этом примере мы использовали 10 образцов полимера, что является хорошей отправной точкой для проверки целесообразности применения.

Однако для создания надежного калибровочного набора, охватывающего все вариации образцов и обеспечивающего достоверный количественный анализ, требуется больше спектров образцов. Как правило, в большинстве случаев для построения подходящей модели прогнозирования достаточно примерно 40–50 спектральных образцов.

Набор данных, включающий 40–50 спектров, также используется для проверки модели прогнозирования. Это можно сделать, например, с помощью программного пакета Metrohm Vision Air Complete, который разделяет набор данных на две группы образцов:

1. Калибровочный набор 75%
2. Валидационный набор 25%

Шаг 2: Создание и проверка моделей прогнозирования

Создание модели прогнозирования

Теперь, когда калибровочный набор измерен в диапазоне ожидаемых значений, необходимо создать модель прогнозирования. Этот этап также известен как разработка модели калибровки в ближнем инфракрасном диапазоне. Не беспокойтесь – все процедуры полностью разработаны и реализованы в пакете ПО Metrohm Vision Air Complete. Сначала визуально изучите каждый спектр в ближнем инфракрасном диапазоне, чтобы определить области, изменяющиеся при изменении концентрации. Часто применение математической корректировки (например, первой или второй производной) повышает наглядность спектральных различий, Рисунок 3).

После визуального определения программа пытается сопоставить выбранные спектральные области со значениями, полученными с помощью основного метода. В результате получается корреляционная диаграмма, включающая соответствующие показатели качества, а именно стандартную ошибку калибровки (SEC, точность) и коэффициент корреляции (R²). На Рисунке 4 приведен пример корреляционной диаграммы для влажности. Аналогичная процедура проводится для остальных параметров (в данном случае, для характеристической вязкости).

Одномерный и многомерный анализ данных

Описанный выше процесс снова аналогичен общим рабочим процедурам при работе с ВЭЖХ. При построении калибровочной кривой с помощью ВЭЖХ обычно высота пика или интенсивность пика (поверхность) соотносятся с известной концентрацией внутреннего стандарта. В данном случае используется только одна переменная (высота пика или площадь поверхности), поэтому эта процедура известна как «одномерный анализ данных».

С другой стороны, ИК-спектроскопия — это технология «многомерного анализа данных». Метод ближней инфракрасной спектроскопии (NIRS) использует диапазон электромагнитного спектра (например, 1900–2000 нм для воды), поэтому для построения корреляции используются несколько значений поглощения.

Проверка модели прогнозирования

Как и прежде, модель прогнозирования создается с использованием калибровочного набора данных, но теперь прогнозы будут проверяться с использованием проверочного набора данных. Результаты для этих образцов полимеров показаны выше на Рисунке 4. Пользователи, не имеющие опыта создания моделей БИК-спектра и еще не чувствующие себя уверенно в этом процессе, могут рассчитывать на поддержку Metrohm, известную своим высоким качеством обслуживания. Мы окажем вам помощь в создании и проверке моделей прогнозирования.

Связаться с нами

Шаг 3: Рутинный анализ

Красота ближнеинфракрасной спектроскопии становится очевидной после создания и проверки прогностической модели. Теперь образцы полимеров с неизвестным содержанием влаги и неизвестной характеристической вязкостью можно анализировать одним нажатием кнопки. Анализатор NIRS DS2500 отобразит результаты по этим параметрам менее чем за минуту.

Параметры отображения

Как правило, только и результаты отображаются. Иногда результаты выделяются жёлтым или красным прямоугольником, указывающим на предупреждение или ошибку, как показано на рисунке 5. Сам спектр не показан.

Конечно, существует также возможность отображения спектров, но для большинства пользователей (особенно для тех, кто работает посменно) эти спектры не имеют смысла, и они не могут извлечь из них никакой информации. В таких ситуациях важны только числовые значения, а также четкая индикация «пройдено/не пройдено».

Еще один вариант отображения – это график трендов, который позволяет заблаговременно корректировать производственные процессы. Здесь также выделены предупреждающие и ограничивающие меры (Рисунок 6).

Summary

Основная часть усилий, необходимых для внедрения NIRS в лабораторных условиях, приходится на начальный этап рабочего процесса, на сбор и измерение образцов, охватывающих весь диапазон концентраций. Создание и проверка прогностической модели, а также ее внедрение в рутинный анализ, осуществляется с помощью пакета ПО Metrohm Vision Air Complete и может быть завершено в короткие сроки. Кроме того, наши специалисты Metrohm NIRS с удовольствием окажут вам помощь в создании модели прогнозирования, если она вам потребуется.

Следует отметить, что в некоторых случаях спектроскопию в ближнем инфракрасном диапазоне можно применять напрямую, без разработки каких-либо моделей прогнозирования, используя предварительную калибровку с помощью прибора Metrohm. Это надежные, готовые к использованию инструкции по эксплуатации для определенных приложений (например, вязкость ПЭТ) на основе реальных спектров продуктов.

В следующей статье мы представим и обсудим их характеристики и преимущества:

Предварительная калибровка в БИК-спектроскопии: мгновенные результаты

Перейдите к предварительной калибровке на сайте Metrohm

Your knowledge take-aways

Узнайте больше о наших БИК-спектрометрах для лабораторного и технологического анализа и рамановской спектроскопии

Узнайте больше о некоторых областях применения БИК в полимерной промышленности

Запись вебинара: Переосмысление контроля качества полимеров: объяснение преимуществ БИК- и рамановской спектроскопии

Флаер: Анализ полимеров с помощью БИК- и рамановской спектроскопии