磺胺甲嘧啶和玉米淀粉中混合物中均匀度检测方案(近红外光谱仪)

美国 BRIMROSE 公司中国总代理/济南宏宏利实业有限公司技术文件 Ⅰ、执行摘要 采用 Brimrose AOTF-NIR 自由空间 (Free Space TM)近红外光谱仪扫描磺胺甲嘧啶和玉米淀粉样品的光谱数据。本次研究由两部分构成。第一部分为扫描不同活性%磺胺甲嘧啶的样品。样品包括以下活性%：0，20，40，60，80，100。活性%增加时，光谱中有可见图案。利用吸收光谱和活性%的值来建立 PLS1 回归模型。模型显示了吸收光谱和活性%之间的良好的相互关系，表明了从光谱数据中测定活性%磺胺甲嘧啶是可行的。 第二部分为获取纯磺胺甲嘧啶和玉米淀粉。两种成分的相同部分在一片蜡纸上测定。然后将这些相同部分置入小瓶中，无混合扫描光谱。这些部分然后轻度混合，混合多次后再剧烈混合。在每次混合之间扫描光谱，是为了观察混合增加时光谱的差别是否可以监测。结果显示混合加强时有非常明显的差别，特别是在剧烈混合的样品的光谱中。在测定75%活性和25%玉米淀粉时重复这一过程，结果相似。本次研究表明使用光谱数据测定磺胺甲嘧啶和玉米淀粉混合物中定量参数是可行的；同时表明，在这两种成分更加剧烈的混合时，明显可辨别的光谱差别是可见的。 Ⅱ、介绍 声光可调滤光器(AOTF)的原理基于光在各向异性介质中的声折射。装置由固定在双折射晶体上的压电导层构成。当导层被应用的射频(RF)信号激发时，在晶体内产生声波。传导中的声波产生折射率的周期性调制，在特定条件下折射入射光束的部分。对于一个固定的声频，光频的一个窄带满足相匹配条件，被累加折射。RF频率改变，光的带通中心相应改变以维持相匹配条件。 图1、AOTF的结构图 美国BRIMROSE 公司中国总代理及技术支持中心 济南金宏利实业有限公司 ( 地址：中国.济南.洪楼西路智慧大厦 电话：0531-88908933/88028728/88908915传真：0531-88028728/88908915 ) ( E mail：jinhongli2001@sohu.com ) ( ht tp： / /www.jhlsoft.com ) 光谱的近红外范围从 800nm 到2500nm 延伸。在这个区域最突出吸吸收谱带归因于中红外区域的基频振动的泛频和合频。是基态到第二激发态或第三激发态的能级跃迁。因为较高能级跃迁连续产生的概率较小，每个泛频的强度连续减弱。由于跃迁的第二或第三激发态所需的能量近似于第一级跃迁所需能量的二倍或三倍，吸收谱带产生在基频波长的一半和三分之一处。除简单的泛频外，也产生合频。这些通常包括延伸加上一个或多个振动方式的伸缩。大量不同合频是可能的，因而近红外区域复杂，有许多谱带彼此部分叠加。 现在， NIRS 被用作定量工具，它依赖化学计量学来发展校正组成的参照分析和近红外光谱的分析的关联。近红外数据的数学处理包理多元线性回归法(MLR)、主成分分析法(PCA)、主成分回归法(PCR)、偏最小二乘法 (PLS)和识别分析。所有这些算法可以单独或联合使用来得到有价值组成的定性描述和定量预测。 Ⅲ、方法 采用 Brimrose AOTF-NIR 自由空间 (Free Space TM) 近红外光谱仪扫描磺胺甲嘧啶和玉米淀粉样品的光谱数据。提供了两种纯成分，磺胺甲嘧啶活性%为：20，40，60，80。在玻璃小瓶中提供样品并且透过小瓶对样品进行扫描。光谱仪上的特殊附件允许透过小瓶的底部对样品进行扫描。本研究的第一部分为扫描纯成分和预混合的样品。每个样品扫描5次，总共获取 30个光谱。波长范围为1100nm-2300nm，分辨率为2nm。每次读取收集100个扫描结果并将其平均为一个光谱。原始光谱数据后处理为吸收率和一阶导数。吸收光谱置入化学计量学软件包 Unscrambler ， 建立 PLS1回归模型，协调吸收光谱和活性%磺胺甲嘧啶之间的关系。 本次研究的第二部分为获取纯磺胺甲嘧啶和玉米淀粉的相同部分。这些部分不经过混合倒入小瓶中并扫描光谱。这些部分然后轻度混合，混合多次后再剧烈混合。在每次混合之间扫描光谱。数据收集参数与本次研究第一部分的相同。原始光谱数据后处理为吸收率和一阶导数以观察随着混合水平的增加，光谱的差别是否明显。 、结果 1、 预混合样品的光谱和建模 美国BRIMROSE公司 济南金宏利实业有限 地址：中国.济南.洪 电话：0531-889089、 传真：0531-880287_， E mail：jinhongli2001@sohu.com http：//www.ihlsoft.com 图2、预混合样品的原始光谱数据 原始光谱数据后处理为吸收光谱和一阶微分。下图显示吸收光谱和一阶微分的光谱。 图3、预混合样品的吸收光谱 吸收光谱显示有不同活性%磺胺甲嘧啶样品的光谱普差别。下图显示与活性%磺胺甲嘧啶变化有关的光谱清晰图案的波长区域。 美国BRIMROSE 公司中国总代理及技术支持中心 济南金宏利实业有限公司地址：中国.济南.洪楼西路智慧大厦电话：0531-88908933/88028728/88908915传真：0531-88028728/88908915E mail：jinhongli2001@sohu.com BRIMROSE金宏利实业 http：//www.jhlsoft.com 图4、在2151nm-2265nm 范围预处理样品的放大吸收光谱 图中显示的数字是活性%磺胺甲嘧啶的数据。可以清楚地看出，活性%增加时，这一区域吸收率的值也增加。这说明，活性%的定量建模应该是可行的，建模的结果应该表明这是模型中重要的波长范围。下图显示预混合样品的一阶微分光谱。 图5、预混合样品的一阶微分光谱 一阶微分光谱显示与增加中的磺胺甲嘧啶活性%相一致的清晰图案。含活性0%的样品的光谱与含活性分子的样品是决然不同的。下图显示与活性%磺胺甲嘧啶有关的清晰可辨的光谱差别的波长范围。 图6、在1603nm-1768nm 范围预处理样品的放大一阶微分光谱 美国BRIMROSE公司中国总代理及技术支持中心 济南金宏利实业有限公司 ( 地址：中国.济南.洪楼西路智慧大厦 电话：0531-88908933/88028728/88908915 ) ( 传真：0531-88028728/88908915 ) ( E mail：jinhongli2001@sohu.com ) ( ht tp： / /www.jhlsoft.com ) 在这一波长区域的光谱差别清晰可辨。吸收光谱和一阶导数光谱都置入化学计量学软件程序Unscrambler 以用于建模。建立 PLS1 回归模型，协调光谱数据和活性%磺胺甲嘧啶的关系。采用吸收光谱的模型结果较好，下面显示的就是这个模型。 图7、协调吸收光谱和活性%磺胺甲嘧啶的相互关系的 PLS1 回归模型 活性%磺胺甲嘧啶的回归模型显示吸收光谱和参照值之间的良好关系。校正和有效性相互关系系数高达 0.992 和0.990。使用了两个主成分。在值的全部范围使用更多的样品时，建模的效果会更好。也不清楚样品活性%的值是否准确测定，或者值是否标准。模型证明了利用光谱数据测定磺胺甲嘧啶活性%的可行性。载入分量图表明，活性%变化时，模型将波长区域(在此区域可以看到图案)的信息载入光谱。下图显示了载入分量图。 图8、回归模型第一主成分的载入分量图 美国 BRIMROSE 公司中国总代理及技术支持中心 济南金宏利实业有限公司 ( 地址：中国.济南.洪楼西路智慧大厦 电话：0531-88908933/88028728/88908915传专：0531-88028728/88908915 ) ( E mail：jinhongli2001@sohu.com ) ( ht tp： / /www.jhlsoft.com ) PLS1 回归模型载入分量图的峰值预示着模型藉以获取相关信息的波长区域。模型从大多数的波长范围获取相关信息，但最多的信息来自于1930nm-2210nm 的波长范围。活性%变化时，光谱的图案就可在这一区域清晰地看到。载入分量图确认，模型是使用相关信息来互动的。模型显示，用光谱数据测定磺胺甲嘧啶活性%是可行的，预示着利用光谱数据对其他参数(如湿度)的定量测定也应该是可行的。本次研究的第二部分为在加强混合的同时扫描混合物。下面显示了本研究这一部分的光谱。 2、 混合量不同的样品的光谱 图9、四种不同混合水平的50%活性样品的吸收光谱 这是具有四种不同混合水平的50%活性和50%玉米淀粉的混合物的吸收光谱。第一组光谱是在将这两种粉末放入小瓶(并未混合)之后收集的。第二组光谱是在有少量的混合之后收集的。第三组光谱是在有更多的混合之后收集的。第四组光谱是在加强了混合之后收集的。混合均匀的样品的光谱有很大的差别。因小瓶的定位不同，有一个小的基线转换。化学计量学建模很好地处理基线转换，为这一应用目的而优化的系统将不会产生这种作用。需要注意的重要事情是光谱外形的差别。。下图是显示混合均匀的样品的清晰差别的波长区域。 ( 美国 BRIMROSE 公司中国总代理及技术支持中心 ) BRIMROSE金宏利实业 ( 地址：中国.济南.洪楼西路智慧大厦 电话：0531-88908933/88028728/88908915传真：0531-88028728/88908915 E mail：jinhongli2001@sohu.com ) 图10、在 1365nm-1588nm 范围各种混合样品的放大吸收光谱 图11、在1851nm-2085nm 范围各种混合样品的放大吸收光谱 ( 美国 BRIMROSE 公司中国总代理及技术支持中心 ) BRIMROSE金宏利实业 http：//www.jhlsoft.com 混合均匀的样品的光谱差别非常明显。如果样品更大或者用其他方式混合，其他样品的差别会更明显。一阶微分光谱清除了所有基线转换的影响，使四种类型的样品之间的差别更为明显。下图为一阶微分光谱图。 图12、四种不同混合水平的50%活性样品的一阶微分光谱 混合均匀的样品的一阶微分光谱的差别同样非常明显。基线转换影响的消除使得其他样品之间的差别更为明显。下图显示了随着混合水平的提高而光谱图案可视的波长区域。 图13、在1372nm-1575nm 范围各种混合样品的放大一阶微分光谱 美国 BRIMROSE 公司中国总代理及技术支持中心 BRIMROSE金宏利实业 ( 地址：中国.济南.洪楼西路智慧大厦 电话：0531-88908933/88028728/88908915传真：0531-88028728/88908915 ) E mail：jinhongli2001@sohu.com http：//www.jhlsoft.com 图14、在1999nm-2151nm范围各种混合样品的放大一阶微分光谱 混合物的量增加时，一阶微分光谱中有个图案。吸收光谱和一阶微分光谱都显示，混合物均匀水平可从光谱数据中探测。实际应用将均匀混合物的目标光谱作为背景文件。光谱仪不间断地扫描并将获取的光谱和背景光谱进行比较。一旦获取的光谱与背景光谱相符，光谱仪就显示混合完成。这一过程在测定75%活性的磺胺甲嘧啶的混合物时重复进行。下图显示了75%活性不同混合水平的吸收光谱和一阶微分光谱。 图15、75%活性四种不同混合水平样品的吸收光谱 美国BRIMROSE 公司中国总代理及技术支持中心 ( 济南金宏利实业有限公司地址：中国.济南.洪楼西路智慧大厦 电话：0531-88908933/88028728/88908915传真：0531-88028728/88908915 E mail：jinhongli2001@sohu.com ) http：//www.jhlsoft.com 图16、75%活性四种不同混合水平样品的一阶微分光谱 虽然差别没有50%活性样品的明显，但仍然很清晰。差别不明显的原因，可能有两个：一是样品中更多的磺胺甲嘧啶使得光谱的差别变小；二是在混合样品时的人为误差。在第二次样品混合时将粉末混合到近于第三次混合的水平是可能的。差别仍然足够明显，可分辨出混合的水平；混合结束时，仍然可以将获取的光谱和背景目标光谱匹配起来。 Ⅴ、探讨与结论 本次研究结果表明，采用 Brimrose AOTF-NIR 自由空间 (Free Space TM)近红外光谱仪测定活性成分和玉米淀粉混合物中的活性%磺胺甲嘧啶以及从光谱数据中测定混合物均匀度都是可行的。回归模型显示了吸收光谱和活性%磺胺甲嘧啶之间良好的相互关系。吸收光谱和一阶微分光谱都显示了混合物水平增加时的图案，混合均匀的样品的差别也非常明显。本次研究的结果是可以改进的。过去的经验已经表明，在校正集模型中使用100个或更多的样品将使模型更有活力，预测更为准确。关于混合水平，使用有恒定方式的更大的样品组来混合粉末结果会更好。同时也已经证明，实验室研究的结果也可应用于实际在线环境。 Brimrose AOTF-NIR 自由空间 (Free Space TM)近红外光谱仪是实时在线过程检测的理想工具。AOTF 技术无移动部件，不需重新校正系统便可快速扫描。在混合应用中，无移动部件是非常重要的，因为光谱仪与电池组将一起装载于混料机上。已混合的粉末的光谱将被用作背景，获取的光谱将与背景光谱做比较，当获取的光谱与背景光谱相匹配时，光谱仪便知道混合完成。光谱的差别表明混合均匀度测量方法是可行的。本次研究第一部分的结果表明对活性%磺胺甲嘧啶的定量测量是可行的，对其他参数定量测定也是可能的。第二部分表明使用光谱数据测定混合物均匀度是可行的。建议深入讨论以决定使用 Brimrose AOTF-NIR 自由空间(Free SpaceTM)近红外光谱仪作为在线应用的最好的工具来测定混合物。 ( 地址：中国.济南.洪楼西路智慧大厦 电话：0531-88908933/88028728/88908915传真：0531-88028728/88908915 )