摘要 ?采用聲光可調(diào)濾光器（AOTF）-近紅外（NIR）自由空間光譜儀和 Unscrambler 化學(xué)計(jì) 量學(xué)光譜分析軟件，把膠囊樣品分別分成兩組和三組進(jìn)行研究，結(jié)果表明，安慰劑和活性膠 囊的鑒別實(shí)現(xiàn)了百分之百的鑒別，使用 Brimrose AOTF-NIR 自由空間光譜儀收集光譜來(lái)對(duì)膠 囊定性是可行的，當(dāng)在校正集中使用更多的樣品時(shí)，校正模型的功能更強(qiáng)大、更精確。 關(guān)鍵詞 ?聲光可調(diào)；近紅外光譜；薄膜膠囊；主成分聚類(lèi)法

近紅外光譜主要是有機(jī)分子的倍頻與合頻的吸收光譜。有機(jī)物近紅外光譜主要包括 C-H、N-H、O-H等含氫基團(tuán)的倍頻與合頻吸收帶。這些是在近紅外譜區(qū)做復(fù)雜天然物品質(zhì) 分析的前提。近紅外(NIR)光譜法是近年來(lái)發(fā)展迅速的一種綠色分析技術(shù)，并以其獨(dú)特的優(yōu) 點(diǎn)開(kāi)始應(yīng)用于中藥分析,傳統(tǒng)的紅外分光光度技術(shù)采用棱鏡或光柵做色散元件，以這些色散 元件為核心的紅外光譜測(cè)量系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，設(shè)計(jì)和生產(chǎn)成本高，使得分析檢測(cè)僅適于實(shí)驗(yàn) 室 條 件 下 應(yīng)用 。 自 20 世紀(jì) 80 年代 后期 ，一 種 新型 的 色 散 元 件 —— 聲 光可 調(diào)濾 光 器（Acousto-optic tunable filter，簡(jiǎn)稱(chēng)AOTF）逐漸受到人們的重視。AOTF是基于各向異性 的雙折射晶體的聲光衍射原理，利用超聲波與特定的晶體作用而產(chǎn)生分光的光電器件。與傳 統(tǒng)的基于機(jī)械調(diào)諧分光元件的光譜儀器相比，以AOTF作為分光元件的光譜儀具有明顯的優(yōu)越 性：它結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，光學(xué)系統(tǒng)無(wú)移動(dòng)性部件，體積小，集光能力強(qiáng)，最吸引人之處在于它的波 長(zhǎng)切換快、重現(xiàn)性好，程序化的波長(zhǎng)控制使得這種儀器的應(yīng)用具有更大的靈活性，尤其是外 部防塵和內(nèi)置的溫度、濕度集成控制裝置，大大提高了儀器的環(huán)境適應(yīng)性，加之全固態(tài)集成 設(shè)計(jì)產(chǎn)生優(yōu)異的避震性能，使其近年來(lái)在工業(yè)在線(xiàn)和現(xiàn)場(chǎng)（室外）分析中得到越來(lái)越廣泛的 應(yīng)用,最近幾年，AOTF-近紅外光譜分析儀引進(jìn)國(guó)內(nèi)，已經(jīng)開(kāi)始應(yīng)用于煙草及化工行業(yè)中，本 文擬用AOTF－NIR技術(shù)測(cè)定含有不同成分的薄膜膠囊進(jìn)行分類(lèi)，為膠囊的快速分類(lèi)提供依 據(jù)。

1．實(shí)驗(yàn)部分

1.1 儀器條件和樣品

儀器：美國(guó) BRIMROSE 公司產(chǎn)的 AOTF-NIR 自由空間近紅外光譜儀，主要部件包括： 光學(xué)部分、控制部分、電源適配器。軟件包括 SNAP!光譜處理軟件和 CAMO 化學(xué)計(jì)量學(xué)軟 件。

掃描參數(shù)設(shè)置：光譜范圍 1100～2200nm，波長(zhǎng)增量 2.0nm，平均次數(shù) 300，測(cè)樣方式為漫反射。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

光譜采集：儀器使用 BRIMROSE 公司專(zhuān)用的 SNAP!掃描軟件進(jìn)行光譜采集。對(duì)光譜數(shù) 據(jù)的處理：光譜經(jīng)過(guò)一階微分（9 點(diǎn)光滑），然后轉(zhuǎn)換為 UNS 數(shù)據(jù)格式，最后導(dǎo)入 CAMO 化學(xué)計(jì)量學(xué)軟件 The Unscrambler，利用 AOTF-NIR 自由空間光譜儀對(duì)薄膜包裝中的 2 組膠 囊掃描光譜數(shù)據(jù)。第一組（安慰劑）中膠囊中只含有賦形劑粉末，第二組(活性)中的膠囊包 含賦形劑粉末和 Aleve 粉末，每組掃描 50 個(gè)樣本，用來(lái)進(jìn)行分類(lèi)分析。

1.3 數(shù)據(jù)處理

一階微分光譜顯示這兩組之間的區(qū)別清晰可辨，光譜數(shù)據(jù)被導(dǎo)入化學(xué)計(jì)量學(xué)軟件包 The Unscrambler 來(lái)進(jìn)行化學(xué)計(jì)量學(xué)分析，使用主成分分析法來(lái)看一下是否在 2 組之間是相隔離 的。結(jié)果表明兩者之間有隔離，模型的數(shù)據(jù)也顯示著光譜差異的同一波長(zhǎng)范圍為分類(lèi)提供了 相關(guān)信息。偏最小二乘法回歸模型是通過(guò)賦予安慰劑藥片任意數(shù)值 1 并賦予活性藥片任意數(shù) 值 2 創(chuàng)建的，模型顯示了精確的結(jié)果，也說(shuō)明通過(guò)掃描膠囊和對(duì)藥片賦值也可以進(jìn)行分類(lèi)分 析。如果這個(gè)值小于 1.5，那么膠囊就被劃分為安慰劑，如果大于 1.5 就被劃分為活性的藥 物。為了增加模型的可靠性，可使用 Brimrose Luminar 預(yù)測(cè)軟件建立一個(gè)預(yù)測(cè)文件。每組出 10 個(gè)膠囊，不用于校準(zhǔn)而用于預(yù)測(cè)，對(duì)兩組膠囊都進(jìn)行掃描。

2..結(jié)果與分析

對(duì) 3 組膠囊樣品進(jìn)行研究。第一組樣品的膠囊中不含有藥末，第二組樣品膠囊中有賦形 劑粉末，但沒(méi)有活性成分粉末，第三組樣品膠囊中既有賦形劑粉末又有活性 Aleve 粉末。第 二組記為 P 組，第三組記為 A 組。波長(zhǎng)范圍從 1100nm 到 2200nm，波長(zhǎng)增量為 2nm。250 次掃描平均一張光譜。膠囊被分成 5 個(gè)條形組進(jìn)行，從 P 組和 A 組中取 50 個(gè)膠囊樣品，使 用與測(cè)空膠囊相同的參數(shù)來(lái)對(duì)其進(jìn)行掃描。原始光譜數(shù)據(jù)以透過(guò)率的形式收集起來(lái)，后處理 為吸收光譜和一階微分光譜。為了使光譜差異更加明顯，先把 A 組和 P 組各自的 5 個(gè)小組 中的每個(gè)條形組的光譜做平均化處理，得到 A 組的 5 個(gè)平均光譜和 P 組的 5 個(gè)平均光譜。 引入主成分分析法來(lái)檢驗(yàn)一下使用光譜數(shù)據(jù)是否能對(duì)其進(jìn)行分類(lèi)，偏最小二乘法回歸模型是 通過(guò)賦予 P 組任意數(shù)值 1 并賦予 A 組任意數(shù)值 2 創(chuàng)建的。使用 Brimrose luminar 預(yù)測(cè)軟件建 立一個(gè)預(yù)測(cè)文件，每組提取 10 個(gè)膠囊，不包括模型中用于分類(lèi)預(yù)測(cè)的種類(lèi)。

2.1 光譜圖

原始透過(guò)光譜圖是不容易解釋的。為了使兩組之間的差異更加清晰，光譜被處理為吸 收光譜和一階微分。

一階微分光譜圖消除了基線(xiàn)漂移的影響，并經(jīng)常用于檢測(cè)微小光譜差異。在這兩組的一 階微分光譜中有些差異，不過(guò)因?yàn)橛刑嗟臄?shù)據(jù)點(diǎn)，看到差異是很難的，為了使差異更清楚， 10 個(gè)光譜平均到一個(gè)光譜中去，這樣每組獲得 5 個(gè)平均光譜，圖 4 中顯示了這一平均光譜。在安慰劑和活性藥物組一階微分平均光譜圖中，他們之間的差異是清晰可見(jiàn)的。圖 5~圖 9 顯示了在差異清晰的波長(zhǎng)區(qū)的一階微分的放大部分。

這 5 組的光譜差異非常明顯，主成分分析模型將顯示兩組光譜分離的波長(zhǎng)區(qū)是分類(lèi)分析的主要區(qū)域。在這個(gè)波長(zhǎng)范圍內(nèi)，它們的差異很小但很清楚?；瘜W(xué)計(jì)量分析經(jīng)常使用這種很小的差異進(jìn)行定性和定量分析，甚至在沒(méi)有很明顯的差異的情況下也能夠建立精確、功能強(qiáng)大的模型。

在 1900nm 附近光譜差異大而明顯，主成分分析模型將顯示，這一波長(zhǎng)區(qū)會(huì)提供兩組樣 品的分類(lèi)分析的很多信息。

2.2 回歸與建模

主成分分析模型的分析圖顯示了數(shù)據(jù)點(diǎn)之間的分離，也說(shuō)明不管是否是同一組的都能用 光譜數(shù)據(jù)分類(lèi)。這種分離是很明顯的，活性樣品組的數(shù)據(jù)點(diǎn)之間的距離比安慰劑組的數(shù)據(jù)點(diǎn) 之間的距離更近，因它的光譜相對(duì)獨(dú)立性小一些，重要的是這兩組是相互獨(dú)立的，情況如圖 10，只使用一種主成分，X-加載圖將說(shuō)明這種分離是基于能看到清晰的光譜差異的波長(zhǎng)區(qū)域。

在主成分分析模型的 X-載入分量圖中的波峰顯示了分類(lèi)分析的相關(guān)的波長(zhǎng)區(qū)，并在同 一個(gè)波長(zhǎng)區(qū)域內(nèi)可以看到光譜差異，這也說(shuō)明模型正在使用相關(guān)信息進(jìn)行分類(lèi)，事實(shí)上只使 用了一種主成分就簡(jiǎn)單明了的給出了分離的數(shù)據(jù)，對(duì)這 2 組樣品進(jìn)行分類(lèi)分析的另一種方法 就是建立一個(gè)偏最小二乘回歸模型，然后把任意數(shù)值 1 賦于一組，2 賦予另一組，這種分析 通過(guò)給活性組數(shù)值 2 和安慰劑組數(shù)值 1 后進(jìn)行，圖 12 顯示這種模型的結(jié)果。

這種分類(lèi)分析的方法把任意值 1 和 2 分派給兩組。當(dāng)掃描一個(gè)膠囊時(shí)，模型會(huì)選擇一個(gè) 基于光譜數(shù)據(jù)的數(shù)值。任何數(shù)值小于 1.5，就劃為安慰劑類(lèi)，比 1.5 大的就劃為活性類(lèi)，這 是平均光譜的模型，使用 100 個(gè)光譜進(jìn)行預(yù)測(cè)，之所以能這樣做是因?yàn)楦嗟臄?shù)據(jù)點(diǎn)需要考 慮在膠囊中的變化，如在水皰中的微小差別和活性膠囊中的藥片的定位，兩個(gè)模型的預(yù)測(cè)誤 差標(biāo)準(zhǔn)都是 0.2，使用較多數(shù)據(jù)點(diǎn)的模型能夠進(jìn)行更精確的預(yù)測(cè)，往模型里添加更多的數(shù)據(jù) 點(diǎn)能使模型更精確。

2.3 預(yù)測(cè)結(jié)果

通過(guò)分別分派給安慰劑組和活性樣品組任意數(shù)值 1 和 2 的偏最小二乘法回歸模型和校正 光譜建立一個(gè)預(yù)測(cè)文件，這個(gè)界面可以進(jìn)行結(jié)果的預(yù)測(cè)。每組中取 10 個(gè)沒(méi)有用于建立校正 模型的膠囊，對(duì)其進(jìn)行結(jié)果預(yù)測(cè)。每個(gè)膠囊都被掃描過(guò)，“成分值”欄顯示著預(yù)測(cè)值。10 個(gè) 安慰劑膠囊的值都小于 1.5，最大值是 1.08，10 個(gè)活性膠囊的值都大于 1.5，最小值是 1.68。 結(jié)果很清楚地說(shuō)明可以使用 Brimrose 近紅外光譜儀獲得的光譜數(shù)據(jù)對(duì)安慰劑和活性膠囊進(jìn) 行分類(lèi)。如果校正集中增加更多的檢測(cè)樣品，效果會(huì)更好。

3.結(jié)論

這次研究的結(jié)果證明了使用 Brimrose 自由空間近紅外光譜儀獲得的光譜數(shù)據(jù)對(duì)安慰劑 和活性膠囊進(jìn)行分類(lèi)是切實(shí)可行的，預(yù)測(cè)結(jié)果證明了對(duì)這兩種膠囊的分類(lèi)分析的可行性，過(guò) 去的結(jié)果已經(jīng)證明當(dāng) 100 個(gè)或更多的樣品在校正集中使用時(shí)，校正模型的功能更強(qiáng)大、更精 確，在這種情況下，當(dāng)添加更多的樣品來(lái)顯示在水皰、膠囊和活性膠囊里藥片的定位中的任 何一個(gè)小的差異，模型會(huì)更加準(zhǔn)確，Brimrose 近紅外光譜儀理想的掃描速度和無(wú)移動(dòng)部件使 其成為用于實(shí)時(shí)、在線(xiàn)測(cè)量的理想工具。AOTF 技術(shù)可以快速、精確地掃描，不需要重新校 正系統(tǒng)，一個(gè)宏程序使得儀器允許在光束的照射下在傳送帶上移動(dòng)，優(yōu)化系統(tǒng)可以使掃描速 度達(dá)到 10 秒/個(gè)，當(dāng)然也得考慮傳送帶上的膠囊間距離，得出結(jié)論，這次研究結(jié)果證明了使 用光譜數(shù)據(jù)對(duì)安慰劑和活性膠囊進(jìn)行分類(lèi)的可行性。