Measurement of Samples by Transmission Spectroscopy with the Thermo Scientific Antaris FT-NIR Analyzer

Význam tématu

Near-infrared (NIR) transmisní spektroskopie nabízí řadu praktických výhod pro analýzu tuhých i tavených materiálů včetně polymerů a farmaceutických formulací. Díky slabší intenzitě NIR absorpčních pásem oproti střednímu infračervenému spektru lze použít delší optické dráhy, průhledné sklo je v NIR málo pohlcující, a proto jsou možné jednoduché odběry do běžných zkumavek nebo nádobek. To umožňuje minimální přípravu vzorku, eliminaci křížové kontaminace (jednorázové nádobky) a měření vzorků v kapalném či změknutém stavu řízenou teplotou, což zvyšuje použitelnost techniky pro rutinní kontrolu kvality a vývoj materiálů.

Cíle a přehled studie / článku

Cílem aplikace bylo ukázat praktickou proveditelnost transmisní FT‑NIR analýzy pomocí přístroje Thermo Scientific Antaris pro: analyzování komerčních plastových fólií bez předúpravy, kvantifikaci složek v polymerních slitinách a průzkum chování voskových farmaceutických formulací při zvýšení teploty. Studie demonstruje nastavení měření, možnosti kvantitativního modelování a vliv řízené teploty na kvalitu spektra.

Použitá metodika a instrumentace

Metodika:

• Spektra byla snímána v transmisním režimu pomocí FT‑NIR analyzátoru Antaris; doba měření 20 s, rozlišení 8 cm−1.
• Automatická interní korekce pozadí před každým měřením pomocí vestavěné pozice pozadí.
• Pro polymerní fólie byl použit třípozicový nekontaktní držák karet (cardholder) pro vzorky v podobě komerčních fólií i odlitých filmů.
• Pro voskovou farmaceutickou formulaci byl vzorek (<1 mm3 kusy) umístěn do jednorázové skleněné zkumavky průměru 6 mm a měřen v temperovaném držáku zkumavek; teplota byla zvyšována od 28 °C do 60 °C po 2 °C krocích s vyčkáním na teplotní rovnováhu a po každém kroku bylo pořízeno pozadí a spektrum.
• Kvantifikace polymerních slitin byla provedena pomocí klasického Least Squares (CLS) v softwaru TQ Analyst; kalibrace vznikla z 10 standardů, jeden standard sloužil pro validaci.

Použitá instrumentace

• Thermo Scientific Antaris FT‑NIR Analyzer (transmission module).
• Třípozicový cardholder pro netemperované fólie.
• Heated cuvette / culture tube holder pro řízená teplotní měření.
• Software RESULT (Collect Standards, RESULT Integration) pro sběr dat a integraci s TQ Analyst pro tvorbu CLS modelů; RESULT™ a TQ Analyst™ (Thermo Scientific).
• Integrující sféra použita pro porovnání v režimu reflektance (ukázalo nevhodnost pro některé voskové vzorky).
• Jednorázové skleněné zkumavky (disposable glass vials) pro eliminaci křížové kontaminace a umožnění ohřevu vzorku.

Hlavní výsledky a diskuse

- Transmisní FT‑NIR spektra komerčních plastových fólií (tloušťka ~0,120 mm) vykazovala dobře definované absorpční pásy v lineární oblasti, což umožňuje přímou kvantifikaci složek bez řešení problémů s nasycením, které se často vyskytují ve středním IR.
- Pro odlévané polymerní filmy (0,190–0,225 mm) připravil autor CLS kvantitativní model pro směsi polystyren/polyethylen. Výsledky kalibrace ukázaly výbornou shodu: pro polystyren korelační koeficient R = 0,99970 a RMSEC = 0,813 %; pro polyethylen R = 0,99977 a RMSEC = 0,712 %. To indikuje velmi vysokou přesnost a linearitu měření v transmisním režimu pro tyto typy vzorků.
- U voskové farmaceutické formulace byla reflektance přes integrující sféru nevhodná: povrch vzorku nebyl dostatečně difuzní, spektrum mělo nízký poměr signál/šum. Transmisní měření při pokojové teplotě rovněž nevykazovalo kvalitní data kvůli silnému rozptylu (vzorek v pevné, bílé difuzní formě). Postupným ohřevem vzorku do 60 °C došlo k jeho změknutí/zčaření, poklesu základní linie, zúžení a vyjasnění absorpčních pásem a výraznému zlepšení poměru signál/šum – tedy ke kvalitním transmisním spektrům.
- V grafech a popisech autor ilustruje, že transmisní FT‑NIR eliminuje problémy s nasycením pásem typické pro střední IR a že řízené zahřívání může přeměnit difuzně-scatterující tuhé vzorky na opticky průhledné fáze vhodné pro transmisní měření.

Přínosy a praktické využití metody

• Rychlá a reproducibilní analýza průmyslových plastů bez nutné přípravy (lisování či rozpouštění), vhodné pro kontrolu kvality přijímaných materiálů i výstupní produkce.
• Možnost analýzy směsí polymerů kvantitativními chemometrickými metodami (CLS) s vysokou přesností.
• Možnost měření nízkomeltingových farmaceutických matric po jejich změknutí, čímž se otevírá cesta k analýze excipientů a API v originálních formulacích bez anulačních kroků.
• Výhodou jsou jednorázové skleněné zkumavky (nízké náklady, bez kontaminace) a automatická kolekce pozadí, což zvyšuje rutinní použitelnost v QA/QC laboratořích.

Budoucí trendy a možnosti využití

• Integrace transmisní FT‑NIR do procesních analytických technik (PAT) pro online/at‑line monitoring polymerních výrobních linek a farmaceutických směsí.
• Rozvoj robustnějších chemometrických modelů (např. s využitím strojového učení) pro lepší generalizaci na reálné výrobní variace a znečištění.
• Automatizace temperovaných držáků a robotizovaná manipulace s jednorázovými nádobkami pro vysokoprůtoková QA pracoviště.
• Rozšíření přístrojového portfolia o přenosné nebo vestavěné NIR senzory pro on‑site měření filmů a balení bez nutnosti odběru vzorku do laboratoře.
• Kombinace transmisní NIR s dalšími modalitami (hyperspektrální zobrazování, Raman) pro komplexní charakterizaci struktur a defektů v materiálech.

Závěr

Studie demonstruje, že transmisní FT‑NIR měření s přístrojem Thermo Scientific Antaris poskytuje vysoce reprodukovatelná a kvantifikovatelná spektra pro široké spektrum tuhých a nízkomeltingových vzorků. Transmisní režim umožňuje bezpřípravnou analýzu komerčních plastových fólií a přesnou kvantifikaci komponent v polymerních slitinách. U farmaceutických voskových formulací může řízené zahřátí přeměnit nevhodný difuzní vzorek na průhlednou fázi, čímž se významně zlepší kvalita spekter. Celkově je metoda dobře použitelná pro rutinní QA/QC i vývojové aplikace.

Reference

• McCarthy W. J., Thermo Fisher Scientific. Application Note 51668: Measurement of Samples by Transmission Spectroscopy with the Thermo Scientific Antaris FT‑NIR Analyzer. 2001, aktualizace 2008.