Validated Transfer of a Working Food Method from a Dispersive Instrument to the Antaris FT-NIR Analyzer

Význam tématu

Metoda přenosu kalibrací v NIR analytice je klíčová pro průmyslové nasazení metod vyvinutých v laboratořích. Schopnost migrovat NIR metodu mezi různými přístrojovými platformami bez nutnosti znovuobálek velkého počtu referenčních standardů zásadně šetří čas a zdroje a umožňuje širší využití technologie v režimu průmyslové kontroly kvality a v rámci principů Process Analytical Technology (PAT).

Cíle a přehled studie / článku

Cílem prezentovaného aplikačního sdělení bylo ověřit možnost validovaného přenosu fungující metody pro potravinářský prášek vyvinuté na dispersním NIR přístroji na Fourier-transformní NIR analyzátor (Thermo Scientific Antaris) s minimem dodatečného přepisování kalibračních standardů. Studie mapuje postup převodu dat, vytvoření "baseline" metody v chemometrickém softwaru, použití malého souboru tzv. inoculačních standardů z cílového přístroje a následné ověření přesnosti přenosu.

Použitá metodika a instrumentace

• Původní (baseline) data: 307 kalibračních standardů (potravinový prášek) získaných na dispersním FOSS NIR spektrometru. Spektra byla převedena z vlnové délky (nm) na vlnové číslo (cm-1) a interpolována na rovnoměrné rozestupy.
• Cílový přístroj: Thermo Scientific Antaris FT-NIR analyzer, měření s použitím Sample Cup Spinneru (difuzní reflexe), 32 skenů na vzorek (~25 s), rozlišení 2.0 cm-1, Norton-Beer medium apodizace, bez zero-filling. Data byla navíc reprocesována i na 8 cm-1 pro test citlivosti na rozlišení.
• Chemometrie: TQ Analyst (Partial Least Squares, SNV, první derivace, smoothing Norris upraven z 4,4 na 5,4 v baseline), řešení chybějících hodnot pomocí algoritmu softwaru tak, aby nebylo nutné vyřazovat celé standardy.
• Transferovací procedura: ze 25 vzorků naskenovaných na Antaris bylo 10 vybráno jako inoculační (začleněny do baseline), zbývajících 15 použito pro validaci. Dále byla provedena křížová validace porovnáním predikcí mezi dispersní metodou, baseline metodou a transfer metodou.

Hlavní výsledky a diskuse

• Reprezentace a reprodukovatelnost: Baseline metoda vytvořená v TQ Analyst reprodukovala predikční schopnost původní dispersní metody průměrně do 2,7 % rozdílu v předpovězených složkách pro sadu 25 validačních standardů.
• Efekt inokulace: Začlenění pouhých 10 standardů naskenovaných na Antaris (odpovídá ~3 % z celkového počtu kalibračních standardů) vedlo k transfer metodě, jejíž predikce se lišily od baseline v průměru méně než 1 % — tedy prakticky identické výsledky.
• Kvalita kalibrace: Hodnoty R2 a RMSEC byly mezi dispersní, baseline a transfer metodou velmi podobné, což naznačuje konzistentní fit kalibračních dat. RMSEP (predikční chyba pro vzorky mimo kalibraci) bylo nižší pro baseline a transfer metodu než pro původní dispersní metodu, tedy transfer a reprocesování zlepšily přesnost predikce.
• Kvantifikované zlepšení RMSEP díky inoculaci (porovnání RMSEP před a po inoculaci) bylo významné: komponenty vykázaly zlepšení přibližně 41 %, 66 %, 34 % a 10 % pro jednotlivé testované složky.
• Praktická robustnost: Inoculační vzorky nemusely být pečlivě předvýběrovány z hlediska koncentrací; i omezeně rozložený set inoculačních standardů dokázal kompenzovat optické rozdíly mezi platformami.

Přínosy a praktické využití metody

• Výrazné snížení potřeby re-skenování velkého množství kalibračních standardů při migraci z dispersního na FT-NIR přístroj, čímž se zkracuje doba prostojů a snižují náklady na přenastavení QC procedur.
• Rychlý a snadný pracovní postup: import původních spektrálních souborů do TQ Analyst, naskenování malé sady inoculačních vzorků na cílovém FT přístroji, začlenění do kalibrace a ověření pomocí validačních vzorků. Celý proces je z technického hlediska možný během několika minut až hodin v závislosti na počtu inoculačních a validačních měření.
• Platforma vhodná pro nasazení v průmyslové praxi a implementaci PAT, zejména tam, kde dochází k postupné výměně hardware z dispersních přístrojů na FT-NIR systémy.

Budoucí trendy a možnosti využití

• Pokračující migrace NIR analýzy na FT platformy s nutností standardizovaných a automatizovaných postupů přenosu kalibrací mezi různými značkami a typy přístrojů.
• Rozvoj algoritmů pro standardizaci spekter (spectral standardization) a adaptivních kalibračních přístupů, včetně metod strojového učení, které by dále minimalizovaly počet potřebných inoculačních vzorků.
• Integrace cloudových řešení a centralizovaných databází kalibrací pro rychlý roll-out metod do více výrobních lokalit a lepší management verzí kalibrací a metadat.
• Využití přenosových protokolů jako součást validace v režimu PAT: nepřetržité monitorování kvality kalibrací, diagnostika odchylek a automatická aktualizace kalibrací při změnách provozních podmínek.

Závěr

Studie prokázala, že použitím standardizovaného postupu (převod spekter do frekvenční domény, vytvoření baseline metody v TQ Analyst a začlenění malé sady inoculačních standardů z cílového FT-NIR přístroje) lze s velmi malou námahou přenést funkční dispersní NIR metodu na Antaris FT-NIR analyzer bez ztráty predikční přesnosti. Inokulace pouhými ~3 % kalibračního počtu výrazně snížila RMSEP a přinesla predikce v průměru do 1 % od baseline metody. Postup je praktický, rychlý a vhodný pro průmyslové nasazení, zejména při modernizaci přístrojového parku směrem k FT-NIR.

Použitá instrumentace

• FOSS dispersní NIR spektrofotometr (původní data kalibrací).
• Thermo Scientific Antaris FT-NIR analyzer se Sample Cup Spinner (difuzní reflexe), 32 skenů, rozlišení 2.0 cm-1, Norton-Beer medium apodizace, bez zero-filling.
• Softwarové nástroje: TQ Analyst (chemometrie: PLS, SNV, první derivace, Norris smoothing, algoritmy pro chybějící data).

Reference

• Hirsch J., Bradley M., Draper C. S., Ritter G. L., Thermo Fisher Scientific, Application Note 50696, 2007. Validated Transfer of a Working Food Method from a Dispersive Instrument to the Antaris FT-NIR Analyzer.