本文研究用AOTF-NIR 近紅外光譜儀器來檢測藥片中硅氧烷聚合物的含量的可行性，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)計量學(xué)光譜分析軟件，把藥片按照含量的不同分成三個梯度來建立模型，校正和驗證相關(guān)系數(shù)分別高達0.996和0.995，當(dāng)在校正集中使用更多的樣品梯度時，校正模型的功能更強大、更精確。
本研究用Brimrose 公司AOTF-NIR Luminar自由空間光譜儀在3組含有不同含量梯度的硅氧烷聚合物樣品上掃描光譜數(shù)據(jù)，為藥片中硅氧烷聚合物的含量的快速測定提供依據(jù)。

實驗部分
儀器條件和樣品
儀器：美國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)計量學(xué)軟件。實驗所用的參數(shù)設(shè)置為：波長范圍：1100nm～2300nm；波長增量：2.0nm；掃描次數(shù)：300；掃描模式：Ratio 模式。
樣品：三組不同含量值的硅氧烷聚合物樣品共75 個。

實驗方法
使用Brimrose 公司AOTF-NIR 自由空間光譜儀對硅氧烷聚合物藥片進行掃描。三組樣品供實驗研究使用，其硅氧烷聚合物分別為0 毫克、50 毫克、60 毫克。這種含量值只是名義上的而不是絕對準確的，三組分別建立模型，每組取25 個樣品，其中的20 個用于建立校正模型，剩余5 個用于結(jié)果預(yù)測。從三組獲取的60 個光譜后處理為吸收光譜和一階微分光譜。這三組的光譜差異清晰可辨，不含硅氧烷聚合物的樣品的光譜差異非常清晰。把一階微分光譜數(shù)據(jù)導(dǎo)入化學(xué)計量學(xué)軟件包The Unscrambler. 硅氧烷的一階微分光譜和參考值用來建立偏最小二乘法回歸模型。
每個藥片被放置在光束下掃描。自由空間光譜儀在漫反射狀態(tài)下，對樣品進行非接觸檢測。光線從出光孔發(fā)出，照射到藥片上，從藥片上反射回來的光線，由InGaAs 檢測器收集。每次掃描 250次平均成一個光譜。

數(shù)據(jù)處理
原始光譜被后處理為吸收光譜和一階微分光譜。再把一階微分光譜數(shù)據(jù)導(dǎo)入化學(xué)計量學(xué)軟件包The Unscrambler. 使用一階微分光譜和硅氧烷聚合物的含量參考值創(chuàng)建偏最小二乘法回歸模型。使用一階微分光譜數(shù)據(jù)和回歸模型在Brimrose 軟件預(yù)測程序里創(chuàng)建一個預(yù)測文件。掃描每組剩余的5 個藥片，進行實時預(yù)測。

結(jié)果與分析
光譜

? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?藥片的原始光譜數(shù)據(jù)? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 藥片的吸收光譜

原始光譜被后處理為吸收光譜和一階微分光譜。圖18-圖19 顯示了吸收光譜和一階微分光譜。
光譜圖中由于藥片的放置位置不同有基線漂移。藥片中央的一個小的凸起導(dǎo)致了這種影響?；瘜W(xué)計量學(xué)模型能很好的控制基線漂移，應(yīng)用于此的優(yōu)化系統(tǒng)會保證每一個掃描對象的定位。下圖中的一階微分光譜消除了任何基線漂移的影響。

? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 藥片的一階微分光譜圖? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 從1658nm 到1814nm 范圍內(nèi)的一階微分光譜放大圖

在這三組樣品的一階微分光譜中，各自光譜的差異清晰可辨。不含硅氧烷的樣品組的光譜和分別含50 毫克、60 毫克的樣品組的光譜是截然不同的。這個大的差異說明了使用光譜數(shù)據(jù)進行定量檢測是可行的。圖20-圖21 是差異產(chǎn)生的波長區(qū)域的放大圖。

? ? 從1578nm 到1665nm 范圍內(nèi)的一階微分光譜放大圖? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 三組藥片的光譜平均圖

為了能更加清楚地觀察到硅氧烷含量分別為50 毫克和60 毫克的樣品光譜差異，每一組的光譜都被平均，如圖所示。

下圖顯示了在波長擴展區(qū)內(nèi)這三組藥片的明顯不同。

一階微分光譜數(shù)據(jù)被導(dǎo)入化學(xué)計量學(xué)軟件包The Unscrambler. 再建立一個有關(guān)含硅氧烷聚合物的藥片的光譜數(shù)據(jù)的偏最小二乘法回歸模型。下面是建模結(jié)果：

建模與回歸

光譜圖

建模與預(yù)測
有關(guān)硅氧烷聚合物含量的一階微分光譜的回歸模型顯示了良好的相關(guān)性。應(yīng)用了4 種主成分，校正和驗證相關(guān)系數(shù)分別高達0.996 和0.995，預(yù)測偏差標準是2.6。鑒于這次研究中的樣品，這樣的偏差是很小的。如果用全范圍內(nèi)的不同的樣品值建模，結(jié)果會更好。這三組的給定值是名義上的而非真實值。使用高性能液體色譜或其他的參照方法來獲取硅氧烷聚合物含量的真實值能夠建立一個功能更強的校正模型。如此高的相關(guān)系數(shù)說明光譜差異很重要的，它不僅提供了建模的基礎(chǔ)，而且使用全范圍內(nèi)的帶有硅氧烷聚合物含量真實值的更多樣品建模，檢測結(jié)果將更加精確。

偏最小二乘法回歸模型的載入分量圖中的波峰說明模型在此波長區(qū)域得到了相關(guān)信息，這里的波峰說明了模型使用的是整個波長范圍內(nèi)的相關(guān)光譜信息。在1400nm 到1700nm 這一波長范圍內(nèi)的波峰清晰可見，可以觀察到光譜差異。第一主成分可以解釋70%的Y-信息（硅氧烷聚合物的含量），四種主成分可以解釋99%的Y-信息。載入分量圖說明相關(guān)信息是適合模型的。
為了驗證模型的可靠性，使用Brimrose 預(yù)測程序建立一個預(yù)測文件。每組的5 個樣品不用來建立校正模型，而是被掃描，用于實時預(yù)測，預(yù)測結(jié)果如下表所示。

? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?抗酸性藥片中的硅氧烷聚合物的預(yù)測結(jié)果

預(yù)測結(jié)果肯定了模型的可靠性，在預(yù)測文件里，一階微分光譜數(shù)據(jù)被作為背景數(shù)據(jù)。一個藥片被掃描，程序就會確定它到底屬于0 毫克、50 毫克、60 毫克的中的哪一類。如果一個藥片被確定為50 毫克或60 毫克類的，就會對硅氧烷聚合物含量進行定量測量。每組中的5 個藥片被掃描，并進行正確的分類。定量測量是準確的，特別是考慮到校正集的樣品數(shù)量少，實際上只有樣品的3 個值被用到，給出了是硅氧烷聚合物含量的名義上的而非絕對值。如果使用一個更大的、真實值覆蓋整個含量范圍的樣品集，用來建立一個校準模型，那么預(yù)測結(jié)果將更加精確。

結(jié)論
這次研究結(jié)果證明，使用由Brimrose 自由空間光譜儀和校正模型獲得的光譜數(shù)據(jù)對抗酸性藥片中的硅氧烷聚合物的含量進行測量是切實可行的。模型顯示，光譜數(shù)據(jù)可以和硅氧烷聚合物的含量相聯(lián)系，覆蓋整個波長范圍的相關(guān)光譜信息用來進行回歸分析。預(yù)測結(jié)果肯定了模型的可靠性。這里所獲的結(jié)果和校正模型都可以進一步改善。過去的經(jīng)驗表明，使用包含100 個或更多樣品和整個含量范圍的真實值的樣品集，會使校正模型功能更加強大。同時表明，實驗室里的可行性研究結(jié)果可以進行實時、在線復(fù)制。

Brimrose AOTF-NIR 自由空間光譜儀是進行實時、在線過程處理的理想工具。聲光可調(diào)過濾技術(shù)可以快速檢測，無移動部件，不需要重新校正系統(tǒng)。Brimrose 自由空間光譜儀的掃描速度可以保證在不存在由于獲取信息速度而導(dǎo)致問題出現(xiàn)的情況下，對整個波長范圍進行掃描。光譜儀的光學(xué)頭可以安裝在要掃描藥片的位置，然后對抗酸性藥片中的硅氧烷聚合物含量進行非破壞、非接觸式的檢測。這說明碳酸鈣和氫氧化鎂是在抗酸性藥片中要檢測的理想?yún)⒘?。這次研究用的樣品在這些參量中沒有值域。為了確定碳酸鈣可氫氧化鎂的含量，樣品必須提供這個值域，結(jié)果也應(yīng)該與硅氧烷聚合物含量的結(jié)果相似。得出結(jié)論，使用Brimrose 自由空間光譜儀對抗酸性藥片中的硅氧烷聚合物含量進行檢測是切實可行的。

Luminar 3030 AOTF-近紅外自由空間過程分析儀

?? 基于漫反射光學(xué)模式的非接觸式無損測量

?? Brimrose 分析軟件- Snap32!

?? 實時，在線分析與實驗室準確性

?? 堅固耐用的自由空間NIR過程分析儀，適用于在線過程應(yīng)用

Brimrose的固態(tài)Luminar 3030 AOTF-NIR自由空間過程分析儀可直接安裝在生產(chǎn)線上。

其堅固的設(shè)計和固態(tài)技術(shù)可以直接安裝到生產(chǎn)環(huán)境中，并且可以消除光纖線路的使用。

這款高速NIR分析儀基于漫反射光學(xué)系統(tǒng)，可集成在各種外殼中，以滿足您的工藝區(qū)域分類。

Brimrose提供各種不同配置的堅固型分析儀，以滿足不同行業(yè)和應(yīng)用的高需求。

Luminar 3030自由空間過程分析儀符合制藥行業(yè)在線應(yīng)用的所有要求和標準，即使在最惡劣的環(huán)境條件下也能可靠地工作。

集成的 Luminar 3030 對振動和環(huán)境光不敏感，具有出色的信噪比和超高速掃描速率，可以實時，在線和實驗室精度進行分析。

主要特征

?? 雙光束，預(yù)對準燈組件，InGaAs探測器

?? 快速掃描速度 – 16,000波長/秒

?? NEMA 4X機箱

?? SNAP32! Brimrose 分析軟件，使用Brimrose宏語言

實時應(yīng)用

?? 制藥：100％檢查固體，糊狀物，乳膏和粉末

?? 農(nóng)業(yè)/食品：脂肪，蛋白質(zhì)，水分的在線食品分析

?? 聚合物：顆粒，薄膜和涂層的現(xiàn)場測量

?? 紡織品：在線測量棉/滌綸比例

?? 干燥過程：直接放置在噴霧或流化床干燥器上

?? 紙漿和紙張：厚度和涂層分析