微晶纤维素中湿度检测方案(近红外光谱仪)

美国 BRIMROSE 公司中国总代理/济南金宏利实业有限公司技术文件 使用 AOTF-NIR 光谱仪检测微晶纤维素(AvicelTM)的湿度 美国 Brimrose 公司 I. 简介 声光可调滤光器的工作原理是建立在声光在各向异性介质中传播使光发生衍射这一原理基础上的。该装置是由压电换能器固定到双折射晶体上形成的。当换能器被应用的射频(RF)信号激发时，晶体中就会产生声波。传播中的声波会产生周期性的调制，从而产生了一个移动相位光栅在适当的条件下衍射入射光束部分。对于一个固定的声频来说，光频的一个窄带满足了相匹配条件并且被累加衍射。射频信号的频率改变，光的带通中心相应改变，以维持相匹配条件。 Figure 1. Schematic of the AOTF Web： http：//wwwbrimrose.com 光谱的近红外范围从800纳米到2500纳米延伸。这个区域最突出的吸收谱带归因于中红外区域的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 济南金宏利实业有限公司 http：//www.jhlaotf.com 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能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括多元线形回归法(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。所有这些运算法则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。 Ⅱ.方法 把一台 Brimrose Luminar3030 自由空间光谱仪安装在喷雾干燥器的一个窗口上。光谱是从4种不同成品类型的水分含量变化的微晶纤维素搜集的。为了找到湿度的参考值，每个样品都搜集一个光谱。波长从1200到2200纳米，分辨率2纳米。光谱以吸收模式被搜集起来，在处理成一阶微分。使用软件程序 The Unscrambler进行化学计量学分析。通过分离4种不同成品的微晶纤维素得到的光谱数据而建一个主成分分析模型，来进行质量分析。通过光谱和与湿度相互关联的光谱数据的参考数据建立一个偏最小二乘法1模型，来进行数量分析。Brimrose 自由空间光谱仪的检测速度和准确度是每5秒钟进行一次实时结果的搜集。 III.结果 1.光谱 图表24种湿度变化的不同产品类型微晶纤维素的吸收光谱 在微晶纤维素的吸收光谱上可以清晰地看到，有一个很大的变化，并且在1900纳米和1950 纳米之间还出现了波峰。这是一个水分吸收的波长范围，也是期望 济南金宏利实业有限公司 E mail：jinhongli2001@sohu.com http：//www.jhlaotf.com 找到由于湿度的变化而在光谱数据里产生不同的范围。 图表3.一些湿度变化的微晶纤维素样品的一阶微分光谱 一阶微分光谱显示了从1400纳米到1450纳米、从1900纳米到1950纳米的的水分吸收区内的变化。这表示湿度变化与光谱数据紧密相联。化学计量学分析将证实使用 Brimrose 自由空间光谱仪获得的数据是与湿度变化是相联的。 2.回归与建模 图表34种微晶纤维素的主成分分析光谱的数据图 分析图中4种不同的颜色代表4种不同产品类型的微晶纤维素。很显然，4种产品类型是相互独立的。这种独立很重要，因为这样可以为每一种产品类型建立校 准模型。一种特定的产品模型的自身的校准模型与一个各种产品类型的大众化模型产生的结果精确的多。主成分分析模型能够用来见证微晶纤维素的产品类型，正确的校准模型可以用于湿度预测。 图表4. 微晶纤维素的偏最小二乘法1回归模型的校准图 与微晶纤维素内湿度密切相关的光谱数据的校准图显示出理想的检测结果。，79号样品作为异常值被去掉，1-10号样品的参考值有疑问也被去掉。相关系数是0.993， SEC 值是0.177。重要的一点是光谱数据是受制于4种产品的。给一组数量庞大、各不相同的样品建立校准模型是允许模型忽略由于其他因素造成的光谱差异的，其重点是放在由于重要变量引起的差异上。就此情况，尽管4种产品类型产生了光谱差异，但是模型足以充分显示由于湿度而引起的光谱差异。当每种产品建立了自己的模型，检测结果会更好。模型显示一定范围的微晶纤维素内湿度与光谱数据相关，检测结果的确认图也将证明这一点。 美国 BRIMROSE 公司中国总代理及技术支持中心 图5 微晶纤维素的偏最小二乘法1回归模型的确认图 微晶纤维素的偏最小二乘法1回归模型的确认图证实了校准图中的理想结果。其相关系数是0.992， SEP 值是0.183。这些数字表明，使用 Brimrose 光谱仪和一个校准模型获得的光谱数据能够测量微晶纤维素的湿度的。 图表6微晶纤维素的湿度偏最小二乘法1模型的回归系数图 回归系数显示了给模型提供相关信息的波长区域。此模型的回归系数肯定了相关信息来自波长是1400纳米到1450纳米、1900纳米到1950纳米的水分吸收区域。 3. 结果预测 ( http：/www.jhlaotf.com ) 图7检测微晶纤维素的湿度的 Brimrose 预测程序 预测程序用一个校准模型使用光谱数据去检测的假定变量。建立一个与湿度相关联的光谱数据校准模型，并且在程序中用这个模型对微晶纤维素的湿度进行实时、在线预测。如果一个被测变量超出了特定的范围，预测结果可以用来建立过程警报。这个警报可以连接到过程控制系统，可以在过程中进行实时、在线的调节。该程序可以应用通过分离不同的产品类型来鉴定一个特定的产品类型的主成分分析模型。程序然后选择适合那种产品类型的特定的校准模型。特定的校准模型将提供最好最准确的预测结果。 IV..结论与建议 这次研究结果说明， Brimrose AOTF-NIR Luminar3030 自由空间光谱仪使用光谱数据和一个校准模型，能够很快、很精确地预测微晶纤维素的湿度水平。自由空间光谱仪的技术可在过程中没有任何干扰地进行光谱的快速检测。AOTF 可以在没有移动部分的情况下，进行快速检测，这使得自由空间光谱仪在工业过程的使用效果非常理想。 模型的结果很完美，过去的经验也表明，随着检测样品数量的增加，模型会更加精确。尽管使用一个偏最小二乘法1模型检测4种微晶纤维素的产品类型的湿度的结果不错，但是如果4种微晶纤维素分别建立自己的模型，检测结果会更好。主成分分析模型可以选择相关产品类型，然后选择相应的模型进行湿度分析。这些模型可以进行预测，相应的警报，警戒线也可在过程控制系统中建立。建议订购 Brimrose 自由空间光谱仪，以利于进一步的校正和测试。 美国BRIMROSE 公司中国总代理及技术支持中心地址：中国.济南.洪楼西路智慧大厦电话：真： mail：jinhonglisohu.com 美国 BRIMROSE 公司中国总代理及技术支持中心地址：中国.济南.洪楼西路智慧大厦电话：真：/