KÖZELI INFRAVÖRÖS SPEKTROSZKÓPIA

Átírás

1 Közeli infravörös spektroszkópia Ph.Hg.VIII. Ph.Eur KÖZELI INFRAVÖRÖS SPEKTROSZKÓPIA 01/2014:20240 A közeli infravörös röviden NIR (near-infrared) spektroszkópia széleskörűen és változatosan alkalmazott gyógyszeranalitikai módszer. A NIR- spektrumtartomány kb. 780 nm-től kb nm-ig (kb cm 1 - től kb cm 1 -ig) terjed. A NIR-spektrumokban legintenzívebben a C H, N H, O H és S H felhangrezonanciák, valamint a középinfravörös tartományban (MIR middle infrared; analitikai infravörös tartomány) megjelenő alaprezgések kombinációi jelennek meg: A spektrumok összetett kémiai és fizikai információkat egyaránt hordoznak, amelyek a legtöbb esetben megfelelő matematikai módszerekkel kinyerhetőek. A NIR-sávok sokkal gyengébbek, mint azok a középinfravörös tartományban jelentkező alaprezgések, amelyekből származnak. Mivel a NIR-tartományban az abszorpciós koefficiens értékek kicsik, a sugárzás többnyire még a szilárd halmazállapotú anyagokba is több milliméter mélyen behatol. Ez oly mértékű, hogy sok anyag (pl. az üveg) aránylag jól átereszti a fényt ebben a tartományban. A standard mintaelőkészítő és vizsgáló eljárásokon kívül a méréseket közvetlenül in situ mintán is végezhetjük. A NIR-mérések végezhetők off-line, és at-line, vagy in-line, továbbá on-line módon egyaránt, folyamatelemzési analitikai technológia (PAT) szempontjából tekintve. Megfelelő kemometriás módszerek alkalmazása szükséges lehet az azonosításhoz. Ha egy kvalitatív módszer megfelel a specifikusság kritériumainak, kémiai azonosítás vagy fizikai jellemzés lehetséges a vizsgált anyag kezeletlen, vagy előkezelt spektrumának és a kémiai referenciaanyag spektrumának összehasonlításával. A NIR-spektroszkópia alkalmazása kémiai-, fizikai- és folyamat analízisben igen sokféle, pl.: Kémiai analízis területén: hatóanyagok, segédanyagok, gyógyszerformák, köztitermékek, nyersanyagok és csomagolóanyagok azonosítása, hatóanyagok, segédanyagok, gyógyszerformák, köztitermékek, nyersanyagok és csomagolóanyagok minősítése, beleértve a gyártási tételek spektrális összehasonlítását és a beszállító-váltás kapcsán történő értékelést; hatóanyagok és segédanyagok mennyiségi meghatározása a mintamátrixban, kémiai mérőszámok (pl. hidroxilszám) és abszolút víztartalom meghatározása, továbbá a hidroxilezés fokának meghatározása, és az oldószertartalom ellenőrzése, Fizikai analízis területén: kristályforma és kristályosság, polimorfia, szolvátok és részecskeméret vizsgálata, szétesés és keménység vizsgálata, filmek jellemzőinek vizsgálata, Folyamatelemzés területén: alapfolyamatok, mint például szintézis, kristályosítás, keverés, szárítás, granulálás és bevonatkészítés nyomonkövetése folyamatellenőrzés céljából; ellenőrzés és a folyamat végpontjának meghatározása. A NIR-tartományban végzett méréseket sok az alábbiakban ismertetett kémiai és fizikai tényező befolyásolja; az eredmények reprodukálhatósága és relevanciája e tényezők ellenőrzésén múlik és a mérések általában csak meghatározott kalibrációs modell alkalmazásával tekinthetők érvényesnek. KÉSZÜLÉK A NIR-mérések alapja az, hogy a mintán fényt engedünk át, illetve fényt engedünk behatolni a mintába, és a mintát elhagyó (átengedett, vagy visszavert) fénysugár gyengülését mérjük. A NIR-tartományban alkalmazott spektrofotométerek elemei: megfelelő fényforrás (mint például egy nagy stabilitású kvarcvolfrám lámpa), monokromátor, illetve interferométer és detektor. Gyakorta használt monokromátorok: a hangolható akuszto-optikai szűrők (AOTF), rácsok vagy prizmák. Hagyományosan, a NIR-készülékek egyutas elrendezésűek, bár néhány, folyamatellenőrzésben használt műszer belső referenciát használ, ezért

2 Közeli infravörös spektroszkópia Ph.Hg.VIII. Ph.Eur kétutas elrendezésű (pl. a diódasoros készülékek). A detektoranyag lehet például: szilícium, ólom-szulfid és indium-gallium-arzenid. Néhány általánosan elterjedt mintatartó-típus: hagyományos küvetta mintatartó, száloptikai szonda, boroszilikát küvetta, transzmissziós merülő küvetta és forgó vagy átforduló mintatartó. A választást a tervezett alkalmazás szabja meg, különös tekintettel arra, hogy a mintakezelési rendszer mennyire alkalmas a vizsgálandó minta típusának vizsgálatára. A rendszerhez általában megfelelő adatfeldolgozó és értékelő egységek (pl. szoftver, számítógép) is tartoznak. A technikától és a műszertől függően hullámhosszt (λ) nanométerben (nm), a hullámszámot (ν) reciprok centiméterben (cm 1 ) adják meg a legtöbb esetben. Az alább megadott összefüggés alapján számolható át egymásba a hullámhossz és a hullámszám: 7 1 ν cm 1 = 10 λ nm MÉRÉSI MÓDSZEREK Transzmittancia. A transzmittancia (T) a mintán áthaladó sugárzás intenzitáscsökkenésének mértéke adott hullámhosszon. A mintát a fényforrás és a detektor közti optikai sugárútba helyezzük. Az elrendezés ahhoz hasonló, amelyet sok hagyományos spektrofotométerben alkalmaznak, és az eredményt közvetlenül transzmittanciában (T) és/vagy abszorbanciában (A) kaphatjuk meg (y tengely) a hullámhossz, vagy a hullámszám függvényében (x tengely). I T =, I 0 ahol I 0 = a beeső fény intenzitása; I = az áteresztett fény intenzitása; 1 A = log 10 T = log 10 = log10 T I Diffúz reflexió. Diffúz reflexiós üzemmódban a reflektanciát (R), azaz a mintáról visszaverődött fény intenzitásának (I) és a háttérről vagy egy referenciafelületről visszaverődött fény intenzitásának (I r ) hányadosát mérjük. A minta kémiai összetételétől és fizikai jellemzőitől függően a NIR-sugárzás képes különböző mértékben behatolni a mintába, ahol a mintában jelenlévő vizsgálandó alkotórész felhang- és kombinációs rezgései elnyelhetik. A nem-abszorbeált sugárzás a mintáról részben visszaverődik a detektorra. A NIR-reflexiós spektrumokat általában a log 10 (1/R) értékeket (y tengely) kiszámítva és a hullámhossz vagy a hullámszám függvényében (x tengely) ábrázolva kaphatjuk meg. ahol I R =, I r I = a mintáról diffúzan visszaverődött fény intenzitása; I r = a háttérről vagy egy fényvisszaverő referenciafelületről visszaverődő fény intenzitása; A 1 I r = log 10 = log. R I R 10 Transzflexió. A transzflexiós módszer a transzmittancia és a reflektancia kombinációja. A transzflektancia (T * ) mérése során tükröt vagy diffúzan visszaverő felületet alkalmazunk a mintán átengedett sugárzás visszaverésére, ezáltal kétszeresére növelve az úthosszat. A nem abszorbeálódott sugárzás a mintáról visszaverődve jut a detektorra. A spektrumot a transzflektancia (T*) és/vagy az abszorbancia (A*) (y tengely) hullámhossz, vagy hullámszám (x tengely) függvényében történő ábrázolásával kapjuk. T = I I T, I 0

3 Közeli infravörös spektroszkópia Ph.Hg.VIII. Ph.Eur I = a mintáról transzflektált fény intenzitása, I T = a referenciaanyagról, mint háttérről transzflektált fény intenzitása, A* = log 1 10 = log 10 * T I T I A MINTA ELŐKÉSZÍTÉSE, KEZELÉSE A mintaelőkészítés és kezelés a mérési mód függvénye. A következő követelmények szükségesek mindegyik mintaelőkészítési technika esetében: a jel/zaj viszony növelése érdekében a mérési időt és a felvételek számát (scan) optimalizáljuk; a tervezett felhasználáshoz kiválasztjuk a legalkalmasabb spektrumfelvételi módot (transzmisszió, diffúz reflexió, transzflexió); a minta elhelyezését optimalizáljuk (pl. hogy tabletták esetében a fényintenzitás csökkenését kiküszöböljük); kiválasztjuk a legmegfelelőbb műszerelrendezést/készülékegységeket (pl. transzmissziós cella, vagy száloptikai szonda); a fényút hosszát transzmissziós és transzflexiós módban optimalizáljuk; megfelelő háttér referencia anyagot választunk; bebizonyítjuk, hogy a háttérnek választott referenciaanyag időben állandó, a háttérspektrum mérése reprodukálható és időben állandó; mozgó anyagok vagy minták mérése során (folyamatellenőrzés) fontos, hogy reprezentatív legyen a spektrum (pl. a mérési idő, a felvételszám megfelelő utánállításával, különálló spektrumok hozzáadásával, vagy a fénynyaláb méretének növelésével); a(z) szenzor (érzékelő) szennyeződésmentes kell legyen (pl. anyaglerakódás, vagy szennyeződés miatt); a mérési körülményeket (mérési idő, fénynyaláb mérete) a minimális mintamérethez kell igazítani. Folyamatelemzés/folyamatellenőrzés során előfordulhat, hogy a száloptikai szondát nem lehet kivenni a folyamatmérésből, hogy referencia háttérspektrumot vegyünk fel vele; ezekben az esetekben több módon járhatunk el, pl. belső referencia alkalmazása, referenciaháttér felvétele egy második detektorral, stb. Csak olyan spektrumok hasonlíthatóak össze közvetlenül, melyeket azonos optikai tulajdonságú háttérrel szemben vettünk fel. Transzmisszió. A transzmittancia (T) mérése a számításához használt háttér transzmittancia spektrumtól függ. A referenciaháttér például lehet levegő, polimer pasztilla/korong, üres küvetta, üres oldószer vagy speciális esetekben valamilyen referenciaminta. A módszert általában folyadékok (hígított vagy nemhígított), diszperziók, oldatok és szilárd minták (beleértve a tablettákat és kapszulákat) vizsgálatára alkalmazzuk. Szilárd anyagok transzmittancia-spektrumának felvételéhez megfelelő műszeregységet használunk. Folyékony mintákat a NIR-sugárzást átengedő, megfelelő rétegvastagságú (általában 0,5 4 mmes) küvettában, vagy megfelelő elrendezésű száloptikai szonda bemerítésével vizsgáljuk. Diffúz reflexió. Ezt a mérési módot általában szilárd anyagok vizsgálatakor alkalmazzuk. A mintát közvetlenül, vagy megfelelő mintatartóba helyezve (pl. tablettatartó), vagy közvetlenül száloptikai szonda segítségével vizsgáljuk. Folyamatellenőrzés során a mintát vagy egy megfelelően polírozott (ablakos) illesztőegységen át (pl. zafír), vagy száloptikai szonda segítségével vizsgáljuk. Ügyelni kell arra, hogy az egymás utáni minták mérése során a vizsgálati körülmények amennyire csak lehetséges reprodukálhatók legyenek. Az alapvonal felvételéhez végigpásztázzuk egy háttér-referenciaanyag reflexióját, és ezután felvesszük a vizsgálandó minta (minták) reflexiós spektrumát (spektrumait). Szokásos reflexiós referenciaanyagok: kerámiák, hőre lágyuló műgyanta és arany. Egyéb alkalmas anyagok is használhatók. Transzflexió. Ezt a mérési elrendezést leginkább folyadékok, szuszpenziók és átlátszó műanyagok vizsgálatára használjuk. A minta mögé reflektáló anyagot helyezünk, ezáltal kétszeresére növelve a rétegvastagságot (az úthosszat). Ez az elrendezés alkalmazható, amikor a fényforrás és a detektor a mintának

4 Közeli infravörös spektroszkópia Ph.Hg.VIII. Ph.Eur ugyanazon oldalán van elhelyezve, reflexiós és száloptikai szondával egyaránt felszerelt készülék-geometria esetén. A mintát küvettába helyezzük, és a vizsgálathoz tükröt vagy megfelelő diffúzan reflektáló anyagot alkalmazunk, melynek anyaga fém vagy egyéb inert, a NIR-tartományban nem abszorbeáló anyag (pl. száraz/szárított titán-dioxid). Folyadékok in-line transzflexiós száloptikával (mintaelvezetés nélküli, közvetlen mérési mód) is mérhetők. A SPEKTRÁLIS VÁLASZT BEFOLYÁSOLÓ TÉNYEZŐK Környezet. A mérés kivitelezése során a környezeti paramétereket (hőmérséklet, páratartalom) is figyelembe kell venni. Mintatartó egység. A mintatartó egység, ill. a száloptikai mérőfej vége minden mintamaradéktól és szennyezéstől mentes legyen a mérést megelőzően. Az in-line és on-line illesztőelemen/adapteren nem lehet semmilyen előző mintából származó maradék, ill. semmilyen szennyezés, ami befolyásolhatja a tervezett mérést. A minta hőmérséklete. A hőmérsékletnek fontos szerepe van vizes oldatok és sok más folyadék esetében, amikor néhány foknyi különbség mérhető spektrális változást eredményezhet, melynek jelentős hatása van az analízisre. A hőmérséklet a víztartalmú szilárd anyagok, illetve porok esetében is fontos tényező. Nedvesség és oldószermaradvány. Ha a minta nedvességet vagy oldószermaradványt tartalmaz, jellegzetes abszorpciós sávok jelennek meg a NIR-tartományban. A minta rétegvastagsága. Köztudott, hogy a minta rétegvastagsága módosítja a spektrumot; ezért azt ismerni és/vagy ellenőrizni kell, elsősorban tabletták és kapszulák transzmisszós módban végzett analízisekor. Például tablettázott porok esetében a rétegvastagság végtelen naggyá válik kb. 5 mm-es rétegvastagság elérése után (pl. egy mintatartó üvegcsében). A minta optikai tulajdonságai. Szilárd anyagok esetében mind a felületen, mind az anyag belsejében bekövetkező fényszóródást figyelembe kell venni. A fizikai, kémiai és optikai szempontból heterogén minták esetén megfelelő spektrumok nyeréséhez szükség lehet a sugárnyaláb méretének, vagy a vizsgált minták számának növelésére, vagy a minta forgatására, hogy a mintára jellemző/reprezentatív spektrumot kapjunk. Bizonyos tényezők pl. a porított anyagok különböző fokú tömörítése vagy szemcsemérete, továbbá felületi egyenetlensége jellegzetes spektrális eltéréseket okozhatnak. Szilárd halmazállapot. A szilárd halmazállapot változatossága (eltérő polimorf, hidrát, szolvát és amorf módosulatok) befolyásolja a rezgési spektrumot. Ennek köszönhető, hogy adott anyag különböző kristályformái és amorf formája a NIR-spektrumaik alapján megkülönböztethetők egymástól. Ha többféle kristályforma van jelen, ügyelni kell arra, hogy a kalibrációs mintákban a kristályformák egymáshoz viszonyított aránya megfeleljen a felhasználás céljának. A minták kora. Az idő folyamán változhatnak a minták kémiai, fizikai és optikai tulajdonságai. A tárolási körülményektől függően a szilárd minták vizet abszorbeálhatnak, vagy deszorbeálhatnak ill. az amorf anyagok részlegesen kristályossá válhatnak. Ügyelni kell arra, hogy a NIR-kalibráláshoz használt minták megfeleljenek a majdan mérendő minták és azok mátrixainak változékonyságának. A NIR-SPEKTRUMADATOK ELŐKEZELÉSE Számos esetben, különösen reflexiós módban felvett spektrumok esetén, a spektrumok csoportba sorolását/könyvtárba rendezését, vagy kalibrációs modell létrehozását/fejlesztését megelőzően, hasznos lehet a spektrumadatok egyes matematikai módszerrel/módszerekkel történő előkezelése. Az adat-előkezelés célja lehet például az alapvonal változásának csökkentése, az ismert, a később alkalmazott matematikai modell alkalmazását zavaró, azaz a spektrumot befolyásoló változások hatásának csökkentése, vagy az adategyszerűsítés. Néhány esetben a spektrumokat normalizálhatjuk, vagy szóráskorrekciót hajthatunk végre pl. standard normál variancia (Standard Normal Variate = SNV) transzformációval. A spektrum-előkezelési technikák sorába tartozhat pl. a spektrumok ablakozása, zajszűrés, és a spektrum numerikus módszerrel történő első-, vagy második deriváltjának előállítása. Magasabb rendű deriváltak előállítása a spektrális zaj növekedése miatt nem ajánlott.

5 Közeli infravörös spektroszkópia Ph.Hg.VIII. Ph.Eur A MŰSZER TELJESÍTŐKÉPESSÉGÉNEK VIZSGÁLATA A műszert a gyártó által megadott utasítás szerint használjuk, és a készülék használatától, és a vizsgálati módszertől függően, szabályos időközönként elvégezzük az előírt ellenőrzéseket. In-line és on-line felhasználás során, a műszer teljesítőképesség-vizsgálatának egyéb lehetséges módját tudományosan igazolni kell. Például a műszerbe épített standardok használatával, vagy különálló száloptikai mérőfej/adatáviteli csatorna segítségével igazolhatjuk a műszer teljesítőképességét (pending practicality; folyamatos alkalmazhatóság). A minta vizsgálata előtt rendszeralkalmassági vizsgálat elvégezésére és a műszerjellemzőknek (jellemzően a fotometriás zaj és a hulláhosszhelyesség/hullámhossztorzítatlanság (accuracy)) mérésre történő lehetséges hatásának vizsgálatára lehet szükség. A rendszeralkalmassági vizsgálat elvégzésének gyakorisága a műszer típusától és a környezeti paraméterektől függő kockázatbecslésen alapul. Például, ha a készüléket olyan szélsőséges környezeti feltételek mellett működtetjük, ahol a páratartalom- és hőmérsékletingadozás nagy, gyakori rendszeralkalmassági vizsgálatra van szükség. Azon esetekben, amikor a mérőrendszer nem mozdítható el a mérés helyéről, in-line mérőszonda, vagy átfolyó küvetta használatát is meg kell fontolni. Néhány tartozék egyedi tervezésű, ezért a tartozékhoz megfelelő teljesítőképességi vizsgálatra van szükség. A hullámhossz-, vagy hullámszám-skála ellenőrzése, kalibrálása (a szűrővel ellátott műszerek kivételével). Az alkalmazott hullámhossz-skálát általában a kb. 780 nm-től kb nm-ig (kb cm 1 -től kb cm 1 -ig) terjedő vagy egy kiválasztott tartományban ellenőrizzük, egy vagy több olyan, alkalmas hullámhossz-standardot felhasználva, amelyek a kívánt hullámhossztartományban jellegzetes maximumokkal, illetve minimumokkal bírnak. Pl. megfelelő referenciaanyag a R diklórmetán, R talkum, hullámhossz referencia lámpák, vagy a ritkaföldfém-oxidok keveréke. Más megfelelő standard is használható. Felvesszük a standard spektrumát, majd legalább három, a szükséges mérési tartományba eső elnyelési sáv helyét leolvassuk. Ritkaföldfém-oxidok használata esetében a NIST (National Institute of Standards and Technology) megfelelő ajánlást tesz, hogy melyik referenciaanyag használandó. A fouriertranszformációs (FT) készülékek frekvenciatartománya lineáris, ezért elegendő egyetlen hullámhossznál a megfelelőséget igazolni. A fotomoetriás-linearitás ellenőrzése, kalibrálása. A fotometriás linearitást ismert százalékos transzmittancia-, illetve reflektancia-értékekkel bíró transzmittanciás, illetve reflektanciás standardkészlet felhasználásával igazoljuk. A reflektancia mérésekhez szénbevonatú polimer standardok használhatóak. Ügyeljünk arra, hogy a felhasznált anyagok abszorbanciája az alkalmazandó módszer tervezett linearitási tartományába essen. Az egymást követő fotometriás-linearitásellenőrzések során referenciaértékként felhasználhatjuk a mérés kezdetén mért értékeket. Nem-lineáris kalibrációs modellek, így a nem-lineáris válaszjelek elfogadhatók a felhasználó által igazolt esetekben. A reflektancia- és transzmittancia-standardok gyártáskori kalibrációja és felhasználása során is eltérőek a kísérleti körülmények, így a standardokkal nyert spektrumok eltérőek lehetnek. Ezért, egy adott készüléknél "abszolút" kalibráció nem adható meg egy kalibrációs standardkészlethez mellékelt százalékos reflektanciaértékek segítségével. A fotometriás válasz hosszú távú stabilitásáról információt nyújt a referencia standard spektrumának állandósága/változása, amennyiben a standard nem változik kémiailag és fizikailag és ugyanazt a hátteret használjuk és ugyanolyan körülmények között vesszük fel a spektrumot, beleértve a minta pozícionálását is, mint a bizonylaton szereplő referencia érték felvételekor. A hosszú távú stabilitás elfogadási kritériumaként, amennyiben a spektrumot adat-előkezelés nélkül használjuk: ±2% abszorbancia-eltérés adható meg. A különböző mérési módokra megadható műszer-teljesítőképességi követelményeket a táblázatban tüntettük fel.

6 Közeli infravörös spektroszkópia Ph.Hg.VIII. Ph.Eur Mérési mód Reflektancia Transzflektancia Transzmisszió Hullámhossz-skála ellenőrzése (szűrővel ellátott készülékek kivételével) Asztali/hordozható készülék Folyamatműszer (folyamatellenőrzésben használt műszer) Elfogadható eltérések megállapított a standard értékektől: ±1,0 nm 780 nm-nél (±16 cm cm 1 -nél); ±1,0 nm 1200 nm-nél (±8 cm cm 1 -nél); ±1,0 nm 1600 nm-nél (±6 cm cm 1 -nél); ±1,5 nm 2000 nm-nél (±4 cm cm 1 -nél); ±1,5 nm 2500 nm-nél (±2 cm cm 1 -nél). Az alkalmazott referenciaanyagnál, az ellenőrzéshez használt csúcshoz legközelebb eső hullámhossznál, vagy hullámszámnál megadott követelményt alkalmazzuk. Diódasoros készülékeknél a legtöbb esetben a pixelfelbontás (a pixelek közti hullámhosszkülönbség) 10 nm lehet. A pixelfelbontást úgy kell beállítani, hogy megfeleljen a spektrális felbontásnak. A csúcskereső algoritmusok kulcsfontosságúak a hullámhossz pontosság szempontjából. Ilyen műszerezés használata esetén, a megengedhető eltérés általában ±2 nm. A gyártó által megadott specifikációk is elfogadhatók. R talkumot vizsgálunk, megfelelő mintatartót használva, ill. megfelelő hordozón, vagy száloptikai mérőfejet alkalmazva. Az R talkum karakterisztikus sávjai 948 nm-nél, 1391 nm-nél, és 2312 nm-nél találhatók. Egyéb megfelelő standardok is használhatók, melyek biztosítják a mérési tartományban a megfelelő hullámhosszpontosságot. Pl. a beépített polisztrirénstandard, vagy NIST standard, vagy egyéb megfelelő anyag is használható, amelynek a mérési tartományon 3 hullámhossznál is karakterisztikus csúcsa van. 1,2 g száraz R titán-dioxid 4 ml R diklórmetánnal készült szuszpenzióját megfelelő mérőcellában, vagy száloptikai mérőfejjel vizsgáljuk. A titán-dioxidnak nincs abszorpciója a NIRtartományban. A spektrumokat a műszer maximális névleges sávszélességénél vesszük fel, ami 2500 nm-nél 10 nm (4000 cm 1 -nél 16 cm 1 ). A diklórmetánnak karakterisztikus, éles elnyelési sávjai találhatók a következő hullámhosszaknál: 1155 nm, 1366nm, 1417 nm, 1690 nm, 1838 nm, 1894 nm, 2068 nm, 2245 nm. A hullámhossztartomány 3 hullámhosszát választjuk ki a kalibráláshoz. Egyéb megfelelő standard is használható, mint pl. folyékony transzflexiós standard titándioxiddal, vagy más megfelelő fényvisszaverő (reflektív) anyaggal elegyítve. R diklórmetán használható; jellemző elnyelési sávjainak helye: 1155 nm, 1366 nm, 1417 nm, 1690 nm, 1838 nm, 1894 nm, 2068 nm, 2245 nm. A hullámhossztartomány 3 hullámhosszát választjuk ki a kalibráláshoz. Egyéb megfelelő standard is használható. Ha nem lehetséges megfelelő referenciaanyag spektrumának felvétele a mérési helyen, belső standard (pl. polisztirén), üvegszál, illetve oldószer és/vagy vízgőz használható. Esetlegesen egy második külső száloptikai mérőfej/adatátviteli csatorna segítségével. FT készülékeknél a hullámhosszskála kalibrálható egy keskeny, elkülönülő vízgőz sávval, pl. 7306,74 cm -1 -nél, 7299,45 cm -1 -nél, 7299,81 cm -1 -nél, vagy bizonylatolt referenciaanyag keskeny sávjával.

7 Közeli infravörös spektroszkópia Ph.Hg.VIII. Ph.Eur Mérési mód Reflektancia Transzflektancia Transzmisszió Hullámhossz ismételhetőségének ellenőrzése (szűrővel ellátott készülékek kivételével) Asztali/hordozható készülék Folyamatműszer (folyamatellenőrzésben használt műszer) A hullámhossz standard szórásának meg kell felelnie a gyártó által javasolt elfogadási kritériumnak, egyéb esetben tudományosan bizonyítandó. Megfelelő belső, vagy külső standard segítségével igazoljuk a hullámhossz ismételhetőségét. Megfelelő belső, vagy külső standard segítségével igazoljuk a hullámhossz ismételhetőségét. Mérési mód Reflektancia Transzflektancia Transzmisszió A fotometriás linearitás és fotometriás válasz stabilitásának ellenőrzése (1) Asztali/hordozható készülék Folyamatműszer (folyamatellenőrzésben használt műszer) Négy fotometriás standardot mérünk meg a tervezett mérési módszer abszorbanciatartományán. Négy reflektancia standardot vizsgálunk 10 99% között (tartalmazza a 10%, 20%, 40% és 80%-ot). Bizonyos körülmények között az ellenőrzést elegendő kettő darab százalékos értéknél elvégezni. A mért abszorbancia-értékeket a referencia-értékek függvényében ábrázoljuk; pl. lineáris regressziós számolást végezve. Egy készülék első ellenőrzési vizsgálata során az eltérés legfeljebb 1,00±0,05 lehet a meredekség és 0,00±0,05 a tengelymetszet esetében. A későbbiekben végzett fotometriás linearitásellenőrzések során az először/a kezdetben mért értékeket használhatjuk referencia-értékként. Transzflektancia mérések során megfelelő reflektancia, vagy transzmittancia standardokat és elfogadási követelményeket használhatunk. Négy transzmittanca standardot használunk úgy, hogy azok a tervezett mérési tartományt lefedjék. A mért abszorbancia értékeket a referencia értékek függvényében ábrázoljuk; pl. lineáris regeressziós analízist végezve. Egy készülék első ellenőrzési vizsgálata során az eltérés legfeljebb 1,00±0,05 lehet a meredekség és 0,00±0,05 a tengelymetszet esetében. A későbbiekben végzett fotometriás linearitásellenőrzések során az először/a kezdetben mért értékeket használhatjuk referenciaértékként. Amennyiben a mérési helyen nem lehetséges reflektancia- és transzmittancia standardok mérése, a készülékbe beépített fotometria standardokat használjuk. Folyamatellenőrzésben használt műszer esetében a beépített fotometriás standardot használjuk a fotometriás linearitás ellenőrzéséhez. Ezen esetekre a gyártó álatl megadott, igazolt/mérésekkel alátámasztott követelményeit vesszük figyelembe.

8 Közeli infravörös spektroszkópia Ph.Hg.VIII. Ph.Eur Mérési mód Reflektancia Transzflektancia Transzmisszió A fotometriás zaj ellenőrzése (1) Asztali/hordozható készülék Folyamatműszer (folyamatellenőrzésben használt műszer) A fotometriás zajt a kívánt tartományban vizsgáljuk egy megfelelő reflektancia standard segítségével (pl. fehér, reflexiós célra készített kerámialapok, vagy szénbevonatú polimer standardok). A gyártó által megadott eljárást és előírást követjük. Felvesszük egy nagy fényáteresztőképességű standard spektrumát (pl. 5%, vagy 10% reflektanciájú szénbevonatú polimer standard) a megfelelő hullámhossztartományban, figyelembe véve a gyártó ajánlását, majd kiszámoljuk a fotometriás zajt csúcstól-csúcsig zaj formájában. Mint az előzőben, de ha a gyakorlatban nem kivitelezhető, a készülékbe beépített standardot használjuk a zaj ellenőrzéséhez, a gyártó által megadott követelményeket figyelembe véve. Felvesszük egy kis fényáteresztőképességű standard spektrumát (pl. 90% vagy 99% reflektanciájú szénbevonatú polimer standard) a megfelelő hullámhossztartományban, figyelembe véve a gyártó ajánlását, majd kiszámoljuk a fotometriás zajt csúcstólcsúcsig zaj formájában. Mint az előzőben, de ha a gyakorlatban nem kivitelezhető, a készülékbe beépített standardot használjuk a zaj ellenőrzéséhez, a gyártó által megadott követelményeket figyelembe véve. (1) "A fotometriás zaj ellenőrzése" és "A fotometriás linearitás ellenőrzése" pontokat nem szükséges elvégezni, amennyiben a műszerrel egyszerű azonosítást végzünk, melyhez fotometriás abszorbanciát felhasználó modellt nem alkalmazunk (pl. az abszorbancia-helyek hullámhosszaival történő egyszerű korreláció), táblázat Műszer-teljesítőképesség ellenőrzése MINŐSÉGI ANALÍZIS (AZONOSÍTÁS ÉS SAJÁTSÁGOK) Referenciaspektrum-könyvtár létesítése. A spektrumfelvételeket az anyag megfelelő számú ismert, nyomon követhető eredetű, reprezentatív mintáiból készítjük, amelyek között megtalálhatók a vizsgálandó anyag jellemző (pl. szilárd formától, részecskemérettől függő, stb.) változatai. A spektrumkönyvtárak a reprezentatív minták megfelelő körülmények között felvett spektrumaiból épülnek fel. Az így nyert spektrumsorozat tartalmazza azt az információt, amit a vizsgálandó minta azonosításhoz használhatunk. Az azonosításra használt, könyvtárban található spektrumgyűjteményt a felhasznált matematikai módszertől függően többféleképpen lehet megjeleníteni, pl.: az anyagra jellemző egyedi spektrumok összességével; minden egyes anyag gyártási tételeiből nyert átlagspektrummal; szükség esetén az anyag spektrumaiban előforduló variabilitás leírásával. A spektrumkönyvtárt felépítő anyagok száma a felhasználás céljától függ. A spektrumkönyvtár létrehozásához felhasznált spektrumok mindegyikének azonos: a spektrumtartománya és adatpontjainak száma; a felvételi technikája; az adat-előkezelési módja meg kell egyezzen. Amennyiben alcsoportot (alkönyvtárat) hozunk létre, a fenti követelményeket mindegyikre külön-külön alkalmazzuk. Az alkönyvtárak mindegyikét egymástól függetlenül validálni kell. A spektrumkönyvtár létrehozásához használt nyers/eredeti spektrumadatokat archiválni kell. Bármilyen matematikai transzformációt körültekintően kell alkalmazni, mivel műtermékek (artefaktumok) keletkezhetnek, vagy alapvető információt veszíthetünk el. Az algoritmus megfelelőségét sikeres módszervalidálással kell bizonyítani, és minden esetben a transzformáció alkalmazásának ésszerűségét/szükségességét dokumentálni kell.

9 Közeli infravörös spektroszkópia Ph.Hg.VIII. Ph.Eur A minta és a referenciaanyag spektrumának közvetlen összehasonlítása. Kvalitatív kémiai vagy fizikai azonosítási cél esetén a vizsgálati minta reprezentatív/jellemző spektrumának és a referenciaanyag spektrumának közvetlen összehasonlítása nem mindig igényli referenciaspektrum-könytár használatát, ha azt a specifikusság lehetővé teszi. Az adatok értékelése. A vizsgálandó anyag reprezentatív/jellemző spektrumát közvetlenül hasonlítjuk össze az adatbázisban lévő összes anyag egyedi vagy átlag-referenciaspektrumával ezek matematikai korrelációi vagy más megfelelő algoritmusok alapján. Az ismert átlag-referenciaspektrumokból álló készletet és az ilyen átlagspektrumok szórását megfelelő algoritmus alkalmazásával az anyagok osztályozására is felhasználhatjuk; spektrális adatokat vizuálisan is összehasonlíthatunk a spektrumok egymásra helyezésével, amennyiben a sajátosságok egyértelműek. Különböző módszerek léteznek, pl. a főkomponens analízis (PCA), klaszteranalízis, és az osztályanalógiák független modellezése (SIMCA). Az adott alkalmazáshoz kiválasztott technika megbízhatóságát validálni kell a következők szerint: Modellvalidálás. A közvetlen spektrumösszehasonlításon alapuló azonosítási módszereket validálni kell az azonosítási módszer validálási eljárásának megfelelően. A kvalitatív módszerek validálási paraméterei a robusztusság és a specifikusság. HATÁRÉRTÉKELEMZÉS Spektrumok relatív összehasonlítása. Nincs szükség kalibrálásra határértékvizsgálat (limit teszt) esetén, amikor spektrumsorozat tagjait hasonlítjuk össze; pl. a vizsgálandó anyag/analit legnagyobb és legkisebb abszorbanciáját adjuk meg. Szárítóberendezések végpontellenőrzése során, kvalitatív szemléletet alkalmazhatunk egy jellemző elnyelési hullámhossz környékén. A vizsgált spektrumtartomány és az esetleg alkalmazott adat-előkezelési módok az adott célnak való megfelelőségét bizonyítani kell. Specifikusság. Igazolni kell a határértékvizsgálat relatív megkülönböztető képességét. A specifikusság vizsgálatának mértéke az alkalmazástól és a vizsgált kockázattól függ. A határértékvizsgálatot nem befolyásolhatja a mátrixkoncentráció változása a módszer tűréshatárán belül. TRENDANALÍZIS Spektrumok relatív összehasonlítása. Nincs szükség kalibrálásra trendanlízis esetén, amikor spektrumsorozat tagjait hasonlítjuk össze, mint pl. amikor mozgó blokk módszerrel statisztikai paramétereket (átlag, medián, relatív szórás) becsülünk meg. Ilyen NIR spektroszkópiai adatelemzési módszert alkalmaznak homogenitás monitorozásakor is. Trendanalízis céljára megfelelő spektrumtartományt és algoritmust kell választani. Specifikusság. Igazolni kell a trendanalízis relatív megkülönböztető képességét. A specifikusság mértéke az alkalmazástól és a vizsgált kockázattól függ. A trendanalízist nem befolyásolhatja a mátrixkoncentráció változása a módszer tűréshatárán belül. MENNYISÉGI ANALÍZIS Referenciaspektrum-könyvtár létesítése kalibrációs modellhez. Kalibrációnak nevezzük az olyan matematikai modell megszerkesztési folyamatát, amelynek segítségével az analitikai műszer válasza összefüggésbe hozható a vizsgált minták tulajdonságaival. Bármilyen kalibrációs modell alkalmazható, amely egyértelműen definiálható matematikai összefüggés formájában és megfelelő eredményeket ad. Felvesszük megfelelő számú, a mérési tartományban ismert, vagy a jövőben meghatározandó az érdeklődés tárgyát képező jellemzővel (pl. víztartalom) bíró minta reprezentatív spektrumát. A kalibrációhoz szükséges mintaszám a mintamátrix összetettségétől és a zavaró hatásoktól (pl. hőmérséklet, részecskeméret stb.) függ. A kalibrációs tartományon belül minden mintának kvantitatív eredményt kell adnia a módszer tervezett célja szerint. A többváltozós lineáris regresszió (MLR, Multiple Linear Regression), a főkomponens regresszió (PCR, Principal Component Regression) és a parciális legkisebb négyzetek regresszió módszere (PLS, Partial Least Squares Regression) a legáltalánosabban használt algoritmusok. A parciális legkisebb négyzetek módszerrel és főkomponens regresszióval végzett kalibráció esetén a regressziós együtthatókat és/vagy a betáplált adatokat ábrázoljuk és a nagy együtthatók vagy betáplált adatok tartományát hasonlítjuk

10 Közeli infravörös spektroszkópia Ph.Hg.VIII. Ph.Eur össze a vizsgálati minta/analit spektrumával. A PRESS (predicted residual error sum of squares) görbék (vagy hasonló) megkönnyítik a PCR és PLS faktorok számának optimalizálását. Az adatelőkezelés. A hullámhossz-szelekció, vagy egyes hullámhossz-tartományok kizárása növelheti a kalibrációs modellek torzítatlanságát (accuracy) és robusztusságát. Az adatokat hullámhossz-tömörítésnek (hullámhossz-átlagolásnak) is alávethetjük. Modell validálási paraméterek. A NIR-módszerek validálásának igazolásához választható analitikai teljesítmény-jellemzők hasonlóak azokhoz, amelyeket bármely más analitikai eljárásra megkövetelünk. Az egyedi elfogadási követelményeknek minden egyes validálási paraméter esetén a módszer felhasználási céljához kell igazodniuk. Mennyiségi mérések esetén a validálási paraméterek a torzítatlanság (accuracy), linearitás, pontosság (ismételhetőség és köztes pontosság), robusztusság és specifikusság. FOLYAMATOS MODELLÉRTÉKELÉS A felhasználásra validált NIR modellek teljesítőképességét folyamatosan értékelni és a validálási paramétereket folyamatosan figyelni kell. ADATBÁZISOK ÁTVÉTELE Az adatbázisok másik készülékre történő átvitelekor figyelembe kell venni a spektrumtartományt, az adatpontok számát, a spektrális felbontást és egyéb paramétereket is. További eljárásokat kell elvégezni és követelményeket kell megadni ahhoz, hogy igazoljuk, hogy a modell az új adatbázison, vagy készüléken is validáltnak tekinthető.