Improving the Accuracy of Near-infrared Measurements Using Spectral Corrections: Back-reflection and Transfer Backgrounds

Význam tématu

Near-infrared (NIR) spektroskopie umožňuje analýzu vzorků přes průhledné nebo poloprůhledné kontejnery (např. skleněné lahvičky, Petriho misky, polymerové obaly) a je proto široce využívaná v průmyslovém i laboratorním prostředí pro rychlou a bezkontaktní kontrolu. Nicméně nežádoucí přispění signálu pocházející z kontejneru (back-reflection, rozptyl) a nemožnost pravidelně snímat vhodné pozadí v procesním prostředí snižují přesnost a linearitu metod. Implementace automatických spektrálních korekcí pro odstranění těchto artefaktů zlepšuje kvalitu získaných dat, robustnost multivariačních modelů a umožňuje širší využití NIR v nepřístupných nebo dynamických podmínkách.

Cíle a přehled studie / článku

Technická poznámka popisuje zavedení dvou skupin spektrálních korekcí v softwaru RESULT (Thermo Scientific): tzv. Dark corrections (korekce tmavého pozadí/odrazů z kontejneru) a Transfer background corrections (přenos pozadí mezi beampathy). Cílem je umožnit automatické matematické odstranění signálu pocházejícího z neinformativních materiálů (sklo, plast), zjednodušit použití pozadí při procesním měření a zvýšit přesnost a opakovatelnost NIR měření v praxi.

Použitá metodika a instrumentace

Metodika stojí na základní FT-NIR práci s interferogramem, Fourierově transformaci a následném vytvoření single-beam spekter a jejich poměrování do %T a absorbance. Software RESULT přidává „Correction Specification“ integrovanou do Collect zdvihu, která provádí spektrální matematiku na šesti dostupných spektrech označených B, S, X, Y, TB, TS (B = background single beam; S = sample single beam; X/Y/TB/TS = uložená nebo archivovaná single-beam spektra). K dispozici jsou základní operace: odčítání, dělení, násobení a další aritmetické transformace aplikované pobodově.

Použitá instrumentace (konkrétně zmíněná):

• Thermo Scientific Antaris II FT-NIR analyzer
• Thermo Scientific Antaris MX FT-NIR analyzer s 4kanálovou multiplexací pro vláknovou probu
• Integrující sféra jako kolektor pro diffusní odraz
• Vláknová optika s nízkým OH pro procesní monitorování
• Referenční materiály a příslušenství: zlatý flag (automatické interní pozadí), Spectralon® (vysokoreflektivní materiál), prázdné skleněné lahvičky, Petriho misky
• Software RESULT (Thermo Scientific) pro sběr dat a automatické spektrální korekce

Hlavní výsledky a diskuse

Autor demonstruje několik typů korekcí a jejich vliv na výsledné spektrum a analytickou přesnost:

• Dark correction (S-X)/B: z odečteného single-beamu získaného přes prázdnou lahvičku X se odstraní back-reflection z měřeného sample single-beamu S před poměrováním s běžným pozadím B. To posouvá a čistí baseline, sníží fiktivní %T způsobené odrazem skla a zlepší linearitu signálu.
• Rozšířená dark correction (S-X)/(B-X): X je odečteno jak od S, tak od B, což je vhodné když je baseline klíčovou součástí měření (např. predikce velikosti částic). Tato úprava kompenzuje, když kontejner ovlivňuje i pozadí.
• Asymetrická dark correction (S-X)/(B-Y): umožňuje odečíst různé „tmavé“ komponenty z beampath vzorku a beampath pozadí; vhodné pro situace s rozdílnými příslušenstvími či kanály (twin channel), kde se odebírá pozadí na „mimickém“ kanálu bez rušení procesu.
• Jednoduchý transfer (S/X): umožňuje použít uložené nebo kolektivně získané pozadí z jiné beampath jako aktivní pozadí pro aktuální sběr. To je zásadní pro procesní sondy, kde nelze často pozadí přerušit.
• Komplexní transfer (S/B)/(TS/TB) nebo S/[B*(TS/TB)]: vytváří normalizační přenosovou funkci z poměru dvou single-beam spekter (TS z alternativní beampath bez vzorku a TB z beampath vzorku bez vzorku). Tato normalizace koriguje rozdíly mezi beampathy a umožňuje použitelné, aktuální pozadí i při práci s rozdílnými kanály nebo instrumenty.

Praktické příklady ukazují odstranění spektrálních artefaktů z měření látek v hrubých skleněných lahvičkách (lyofilizované materiály, serum vials) nebo přes Petriho misky (měření velikosti částic MCC). Corrections zlepšují přesnost prediktivních modelů (chemometrie) a redukují nutnost častých rekalibrací při změně příslušenství nebo kanálu.

Přínosy a praktické využití metody

Hlavní přínosy implementace spektrálních korekcí v RESULT jsou:

• Zvýšení přesnosti a linearity NIR měření při přítomnosti kontejnerů či jiných neinformativních materiálů.
• Možnost odebrat signál z kontejneru bez nutnosti zásahu do procesu nebo fyzického odstranění sondy — zásadní pro on-line a in-line monitoring.
• Větší robustnost metod při použití různých beampath a optických příslušenství; snížení variability způsobené heterogenitou skla nebo rozdílnými vlákny.
• Jednoduchá integrace do existujícího sběru dat — korekce jsou součástí Collect eventu a nevyžadují změnu rutinního pracovního postupu operátora.

Budoucí trendy a možnosti využití

Očekávané směry rozvoje a potenciální aplikace zahrnují:

• Rozšíření korekčních funkcí pro sofistikovanější přenosy kalibrací mezi instrumenty a kanály (calibration transfer), včetně adaptivních či časově vážených transferních funkcí.
• Integrace automatických korekcí s pokročilou chemometrií a strojovým učením pro detekci a korekci artefaktů za běhu procesu.
• Širší nasazení v procesním průmyslu, farmaceutice a potravinářství, kde je potřeba minimalizovat rušivé zásahy a maximalizovat kontinuální monitoring.
• Možné rozšíření o korekce pro jiné typy artefaktů (difrakční efekty, polarizační změny, teplotní posuny) a adaptabilní validace korekcí v reálném čase.

Závěr

Spektrální korekce typu dark a transfer implemented v softwaru RESULT představují praktický a efektivní nástroj ke snížení vlivu kontejnerů, rozdílů mezi beampathy a omezení nutnosti častých měření pozadí v procesních aplikacích. Aplikace těchto korekcí vede k čistším baseline, lepší linearitě a zvýšené robustnosti výsledků NIR analýz, přičemž integrace do existujícího sběru dat je uživatelsky přívětivá a nevyžaduje změnu pracovních postupů.

Reference

1. Hirsch J. Technical Note: Improving the Accuracy of Near-infrared Measurements Using Spectral Corrections: Back-reflection and Transfer Backgrounds. Thermo Fisher Scientific; TN51114, 2008.