Near-Infrared Spectroscopy: Quantitative analysis according to ASTM E1655

Význam tématu

Near-infračervená spektroskopie (NIRS) představuje rychlou, nedestruktivní a všestrannou metodu pro kvantitativní stanovení více analytů současně. Díky možnosti at-line či online instalace uplatňuje se v různých průmyslových odvětvích, například v potravinářství, petrochemii či polymerním průmyslu. Použití NIRS umožňuje zajištění konzistentní kvality surovin i finálních produktů a podporuje procesní monitoring v reálném čase.

Cíle a přehled studie

Tento white paper shrnuje postup vývoje a validace kvantitativních metod podle normy ASTM E1655. Klíčovým cílem je ukázat systematický workflow od sběru a předzpracování dat, přes výběr vzorků a kalibraci až po implementaci rutinní kontroly kvality.

Použitá metodika a instrumentace

Pro měření se používají stabilní skenovací NIR analyzátory (např. disperzní přístroje Metrohm) s nastavitelnými parametry (teplota, geometrie odběru vzorku). Modelování a chemometrická analýza jsou realizovány v softwaru Vision Air Complete, který podporuje:

• předzpracování spekter (derivace, odstraňování šumu, korekce báze),
• výběr spektrálních oblastí citlivých pro konkrétní analyty,
• multivariátní regresi typu PLS1.

Hlavní výsledky a diskuse

Popisované kroky a jejich význam:

• Výběr kalibračního souboru: zahrnutí všech očekávaných vlivů (geografie, teplota, vlhkost, velikost částic) a dostatečného počtu vzorků dle počtu latentních proměnných.
• Sběr spektrálních dat: u kapalných vzorků v transmisním módu, u pevných v difuzním odrazu s konzistentním nastavením.
• Multivariátní modelování: preferuje se PLS1 regrese pro specifické stanovení jednoho analytu a oddělené modely pro každý parametr.
• Ověření kvality kalibrace: výpočet SEC, SECV a SEP, volba optimálního počtu faktorů bez přeučení.
• Detekce odlehlých vzorků: na úrovni spektra (Mahalanobisova vzdálenost) i na úrovni reziduí (standardizované rozdíly).
• Validace: ověření SEP a biasu na nezávislé sadě, distribuce vzorků přes 95 % kalibračního rozsahu.
• Rutinní použití: kontrola výkonu analyzátoru dle ASTM E275/E6122 a modelu pomocí QC vzorků, případné úpravy sklonu a odchylky či doplnění kalibrace novými daty.

Přínosy a praktické využití metody

Implementací postupu podle ASTM E1655 získává laboratoř robustní a reprodukovatelné kvantitativní NIR metody, umožňující:

• rychlé stanovení obsahu vlhkosti, oktanového čísla, hydroxylnového čísla či dalších parametrů,
• minimální spotřebu vzorku a bezchemickou analýzu,
• on-line monitoring výrobního procesu a okamžitou zpětnou vazbu,
• úsporu času a nákladů oproti tradičním instrumentálním metodám.

Budoucí trendy a možnosti využití

Dalšími směry rozvoje jsou:

• integrace strojového učení pro automatické předzpracování a selekci spektrálních oblastí,
• miniaturizace NIR senzorů pro rozšířené field-use aplikace,
• rozšíření portfolio analyzovaných parametrů díky pokročilým multivariátním algoritmům,
• implementace principů průmyslového internetu věcí (IIoT) pro centralizovaný monitoring a správu modelů.

Závěr

Dodržování doporučení ASTM E1655 zajišťuje systematický přístup k vývoji, validaci a rutinnímu nasazení kvantitativních NIR metod. Klíčem je pečlivý výběr vzorků, správné předzpracování, výběr vhodného počtu PLS faktorů a kontinuální sledování výkonu v provozu.

Reference

1. Encyclopedia of Analytical Chemistry, John Wiley and Sons, 2014.
2. Burns DA, Ciurczak EW. Handbook of Near-Infrared Analysis, CRC Press, 2007.
3. ASTM E1655-05(2012), Standard Practices for Infrared Multivariate Quantitative Analysis, ASTM International, West Conshohocken, PA, 2012.
4. Wilhelm R. Know your type of standards, ASTM, 2000.
5. ASTM D6342-12(2017)e1, Standard Practice for Polyurethane Raw Materials: Determining Hydroxyl Number of Polyols by Near Infrared (NIR) Spectroscopy, ASTM International, West Conshohocken, PA, 2017.
6. ASTM D2699-16e1, Standard Test Method for Research Octane Number of Spark-Ignition Engine Fuel, ASTM International, West Conshohocken, PA, 2016.
7. ASTM E275-08(2013), Standard Practice for Describing and Measuring Performance of Ultraviolet and Visible Spectrophotometers, ASTM International, West Conshohocken, PA, 2013.
8. United States Pharmacopeia 39, 2016.
9. European Pharmacopoeia 9th Edition, 2016.
10. ASTM D6122-15, Standard Practice for Validation of the Performance of Multivariate Online, At-Line, and Laboratory Infrared Spectrophotometer Based Analyzer Systems, ASTM International, West Conshohocken, PA, 2015.