MAVERICK光谱原始数据分析及OPC UA通信

MAVERICK设备概述

908 Devices的产品MAVERICK是一款基于拉曼光谱技术的在线生物过程分析（PAT）设备。它使用拉曼光谱技术和基于介质化学和设备物理，而非经验数据构建的De Novo模型，可以自动解释光谱并量化过程参数，从而实现葡萄糖、乳酸和总细胞密度（TCD）的同时测量。

尽管908 Devices的MAVERICK设备的全新模型在生物过程分析中提供了即插即用的低成本快速解决方案，但我们必须承认，目前它提供的参数还是有限的。这可能会在一些特定的应用场景中，限制了MAVERICK设备的使用范围和效果。

然而，值得注意的是，MAVERICK设备本身也是出色的拉曼光谱检测设备。为了弥补这一局限性，MAVERICK设备同时提供了原始数据（Raw Data）输出。这意味着用户可以利用原始光谱数据，根据自己的需求和目标，对这些数据进行建模和处理，这为用户提供了更大的灵活性。

MAVERICK数据格式

MAVERICK设备将原始光谱数据保存为HDF5格式，文件扩展名为“.MSP”（MAVERICK Spectral文件）。HDF5是一个开源非营利性管理的格式，最初设计用于支持云和并行计算环境中的大型数据集。大多数现代建模/计算软件平台支持HDF5文件格式，包括Python、Matlab、SAS、JMP和R。尽管SIMCA不原生支持HDF5文件，但可以使用Python脚本（提供示例代码）将MAVERICK数据加载到SIMCA兼容的项目格式中。

MAVERICK采集方式

在测量运行时，MAVERICK会持续自动地从光谱仪CCD中采集交替的明场和暗场图像对。明场和暗场图像都会保存在MSP文件中。MAVERICK每采集一帧图像的曝光时间为5秒。每个明场图像是在激光照射下进行的5秒采集。每个暗场图像也是等效时间的采集，但没有激光照射。MAVERICK会持续采集和保存这些明场和暗场图像对，直到测量被暂停或停止。

这些数据都会保留在MSP文件中。

MAVERICK后处理方法

推荐的后处理方法包括暗场减法和响应/量子效率校正。暗场减法是从明场图像中减去暗场图像，可以消除测量中的伪迹，如探测器暗电流、ADC电压偏移和杂散光。响应/量子效率校正在使用或比较多台MAVERICK设备（或其他拉曼光谱仪）的数据时，强烈建议应用。

MAVERICK特殊之处和注意事项

当将MAVERICK的拉曼光谱数据与其他拉曼系统获取的数据进行比较时，尤其是在信噪比方面，必须考虑曝光时间和激光功率的差异。由于MAVERICK的采集时间通常比其他系统快得多，这对于实时控制回路和环境光管理至关重要，因此不应仅将MAVERICK的5秒光谱与其他系统的30分钟光谱进行比较。在后处理中，可以根据需要增加平均值，以比较所需的等效曝光时间。例如，平均6个处理过的拉曼光谱相当于1分钟的采集时间，平均60个处理过的拉曼光谱相当于10分钟的采集时间。

MAVERICK的拉曼光谱数据与市面上其他商用785nm激发拉曼平台非常相似，有一些值得的注意的方面包括：

• 有用的拉曼位移范围大约为300到3200 cm^-1（尽管MSP文件中提供了小于300cm^-1的数据）

• 液体/固体形态中的拉曼特征具有约6-8 cm^-1的固有线宽。低于此线宽的光谱仪分辨率对线宽没有明显作用。

• 从生物过程中获取的MAVERICK数据将显示水和样品的拉曼活性成分等特征。

• 蓝宝石中将会出现几个拉曼位移带。它们的存在和强度是有意义的——MAVERICK的连续性能验证检查依赖于这些位移带。MAVERICK的全新模型中也使用了这些蓝宝石位移特征。

• 如果MAVERICK无法在拉曼光谱中看到几个关键的性能验证特征：蓝宝石、水和其他几个专有方面，它实际上会中断数据采集。因此，它不能用作通用拉曼光谱仪。

MAVERICK的OPC UA特性

MAVERICK的优势并非只在于其强大的拉曼数据处理能力，它在工业通信标准上也有独到之处，它不仅可以输出模拟信号，同时相较于市场上的其他竞品，MAVERICK的一大优势在于其对OPC UA（OLE for Process Control Unified Architecture）的全面支持。

OPC UA是一种用于工业自动化和通信的数据交换标准。它起源于1994年，由一群工业自动化领域的软件和硬件供应商组成的OPC基金会开发。OPC UA协议的优势包括跨平台工作的灵活性、数据安全性以及随着数据转化为信息的可扩展性。在生物制药领域，OPC UA提供了构建控制系统工作流的基础模块。

MAVERICK的OPC UA使用方法

一．连接OPC UA 客户端

要使用MAVERICK的OPC UA功能，您只需要将MAVERICK Hub连接到本地网络，即可在“系统信息”条目中，找到分配给 MAVERICK 的 IP 地址。（图1）

图 1.系统信息屏幕显⽰MAVERICK IP 地址

为了读取数据，您需要 OPC-UA 客⼾端。我们以“UaExpert Client”（如图2）为例，该软件可以免费使⽤。无论您使用何种客户端，其数据结构都是相同的，因为该结构是由 OPC-UA 服务器创建的，但客⼾端程序在菜单的呈现和排列⽅⾯可能有所不同。

图2. UaExpert 及版本信息

要添加 OPC 服务器，请选择“服务器 ‒> 添加”或选择符号“+”（图3中的橙⾊圆圈）。

图 3. 添加服务器菜单和⼯具栏按钮

接下来，双击“⾃定义发现”下的“双击添加服务器...”，然后输⼊MAVERICK的IP地址，如图4所⽰。

图4. 输⼊服务器的 URL

输⼊此信息后，您将看到此窗⼝，其中“OK”按钮呈灰⾊。（如图5）

图5. 添加服务器 - ⾃定义发现

接下来，单击放⼤镜符号旁边的箭头，然后双击“NodeOPCU”⽂本以显⽰“Replace Hostname”窗⼝，按“Yes”继续。（图6）

图 6. 替换主机名

这将产⽣ OPCUA 服务器下的加密选项列表。选择“None”，将⾝份验证设置选择保留为“Anonymity”。单击“确定”。（图7）

图7. 加密选项

为了连接到服务器，请打开“服务器 -> 连接”或按插头符号（图8中的橙⾊圆圈）

图 8. 连接到服务器

⾸次连接到服务器时，您可能会遇到此证书验证窗⼝警告，表明证书不受信任。选择“Trust Server Certificate”。这应该会导致从“Bad Certificate Untrusted”更改为“Good”。选择“Continue”。（图9）

图9. 证书验证

二、数据结构

数据结构由 OPC-UA 服务器传输并显⽰在““Adress Space”中。（图10）

图 10. 地址空间

左键单击特定分析物会产⽣关键详细信息：Node Id、Display Name、Value、MinimumSamplingInterval。(图11)

图 11. 属性