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Wie Vorkalibrierungen die schnelle Implementierung der Nahinfrarotspektroskopie unterstützen
Wäre es nicht schön, wenn Sie Ihre Analyse mit einem Knopfdruck starten könnten? Probe einlegen, Deckel schließen und Messung starten – mehr braucht es bei der NIR-Spektroskopie-Vorkalibrierung nicht.
Dies ist der vierte Teil unserer Serie über NIR-Spektroskopie. In diesem Teil stellen wir Ihnen vor, in welchen Fällen die NIR-Spektroskopie direkt in Ihrem Labor eingesetzt werden kann, ohne dass eine Methodenentwicklung erforderlich ist. Das bedeutet, dass Ihr Gerät für diese Anwendungen sofort einsatzbereit ist und genaue Ergebnisse liefert - vom ersten Tag an.
Folgende Themen werden behandelt (klicken Sie, um zum Thema zu springen):
Der Vorteil von Vorkalibrierungen
In unserer letzten Folge (So implementieren Sie die NIR-Spektroskopie in Ihren Laborarbeitsablauf) haben wir anhand eines realen Anwendungsbeispiels gezeigt, wie Sie ein neu erhaltenes NIR-Spektrometer in Ihren Laborworkflow integrieren können. Dieser Prozess ist in Abbildung 1 dargestellt.
Der größte Teil der Arbeit besteht in der Erstellung eines Kalibrierungssatzes. Sie müssen etwa 40-50 Proben über den erwarteten Parameterbereich mit einer Primärmethode messen. Mit Hilfe einer NIR-Software müssen die resultierenden Werte mit den NIR-Spektren verknüpft werden, die für dieselben Proben aufgenommen wurden (Abbildung 1: Schritt 1).
Danach muss ein Vorhersagemodell erstellt werden, indem die spektralen Veränderungen visuell identifiziert und mit den von der Primärmethode erhaltenen Werten korreliert werden (Abbildung 1: Schritt 2). Nach der Validierung durch die Software steht ein Vorhersagemodell für den Einsatz bei Routinemessungen zur Verfügung.
Der oben beschriebene Prozess erfordert einen gewissen Aufwand und ist von erheblicher Dauer, da in vielen Fällen die Proben, die den Konzentrationsbereich abdecken, erst hergestellt und gesammelt werden müssen. Es wäre daher sehr vorteilhaft, wenn die Schritte 1 und 2 entfallen könnten, so dass das NIR-Gerät sofort vom ersten Tag an eingesetzt werden kann.
Dies ist nicht nur Wunschdenken, sondern für bestimmte Anwendungen unter Verwendung von Vorkalibrierungen die Realität.
Was sind Vorkalibrierungen?
Vorkalibrierungen in der NIR-Spektroskopie sind Vorhersagemodelle, die sofort verwendet werden können und von Anfang an zufriedenstellende Ergebnisse liefern. Diese Modelle basieren auf einer großen Anzahl von realen Produktspektren (zwischen 100 und 600), die einen großen Parameterbereich abdecken.
Das bedeutet, dass die Erstellung von Kalibrierungssätzen und die Erstellung und Validierung von Vorhersagemodellen (Abbildung 1: Schritte 1 und 2) nicht erforderlich sind. Stattdessen kann das vorkalibrierte Vorhersagemodell direkt für die Routineanalyse unbekannter Proben verwendet werden, wie in Abbildung 2 dargestellt.
Wie funktionieren Vorkalibrierungen?
Jede Vorkalibrierung wird als digitale Datei geliefert, die in die NIR-Software, z.B. die Metrohm Vision Air Software, importiert werden muss.
- Installieren Sie das neue NIR-Gerät (einschließlich der Vision Air-Software).
- Erstellen Sie eine Methode mit messungsspezifischen Einstellungen, wie z. B. Messtemperatur und verwendetem Probengefäßtyp.
- Importieren Sie die Vorkalibrierung und verknüpfen Sie sie mit der Methode.
Das ist alles, was nötig ist!
Das Gerät ist nun bereit, zuverlässige Ergebnisse für Routinemessungen zu liefern. Es wird empfohlen, einige Kontrollproben mit bekannten Werten zu messen, um zu bestätigen, dass die Vorkalibrierung akzeptable Ergebnisse liefert.
Optimierung der Vorkalibrierung
In manchen Fällen sind die mit der Vorkalibrierung an Kontrollproben erzielten Ergebnisse nicht ganz akzeptabel. Dafür kann es verschiedene Gründe geben, wobei im Allgemeinen drei verschiedene Fälle unterschieden werden:
- Die mit den Kontrollproben erzielten Ergebnisse weichen nur geringfügig von den erwarteten Werten ab.
- Die Ergebnisse sind akzeptabel, der Standardfehler ist jedoch etwas größer.
- Die Ergebnisse weichen deutlich voneinander ab.
Im Folgenden gehen wir jeden dieser Fälle durch und geben Empfehlungen.
Fall 1: Die mit den Kontrollproben erzielten Ergebnisse weichen nur geringfügig von den erwarteten Werten ab
Weichen die mit den Kontrollstichproben erhaltenen Werte nur geringfügig ab, empfiehlt sich eine Steigungskorrektur. Das Verfahren ist in Abbildung 3 dargestellt.
Im oberen Diagramm sehen Sie, dass die Werte aus der Vorkalibrierung über den gesamten Bereich gleichmäßig abweichen. In dieser Situation ist es möglich, eine Steigungskorrektur des gemessenen Modells in der Vision Air-Software vorzunehmen. Nach dieser Korrektur passen die Ergebnisse sehr gut (Abbildung 3 - unten).
Fall 2: Die Ergebnisse sind akzeptabel, der Standardfehler ist jedoch etwas größer
In den meisten Fällen wird dieses Verhalten beobachtet, wenn der Bereich der Vorkalibrierung viel größer ist als der Bereich, an dem der Analytiker interessiert ist.
Nehmen wir zum Beispiel die Messung eines Wertes am unteren Ende des Gesamtbereichs. Der Fehler der Vorkalibrierung wird über den gesamten Bereich berechnet, und daher ist die Auswirkung des durchschnittlichen Fehlers (SECV = Standardfehler der Kreuzvalidierung) bei Werten am unteren Ende viel größer als bei Werten in der Mitte des gesamten Bereichs. Dies wird in Abbildung 4 und Tabelle 1 veranschaulicht.
Tabelle 1. Leistungskennzahlen für die verschiedenen Bereiche der Vorkalibrierung aus Abbildung 4. Man beachte die viel kleinere SECV für den Bereich 0-36 im Vergleich zur SECV für den gesamten Bereich von 0-200.
| Reichweite | R2 | SEK | SECV |
| 0–200 | 0.996 | 3.8 | 3.9 |
| 0–36 | 0.994 | 0.77 | 0.81 |
| 32–109 | 0.986 | 3.3 | 3.8 |
| 91–200 | 0.977 | 3.6 | 3.7 |
In diesem Fall wird empfohlen, bestimmte Bereiche aus der Vorkalibrierung zu entfernen und nur den Bereich, der von Interesse ist, zu belassen.
Aus Tabelle 1 ist ersichtlich, dass der SECV für den gesamten Bereich (0-200) viel höher ist als der SECV des kleineren Bereichs (0-36). Das bedeutet, dass, wenn die Proben, die den höheren Bereichen entsprechen, aus der Vorkalibrierung entfernt werden (und nur der Bereich von 0-36 übrig bleibt), die resultierende modifizierte Vorkalibrierung einen niedrigeren SECV-Wert ergibt.
Fall 3: Die Ergebnisse weichen deutlich voneinander ab
Für eine unbefriedigende Vorhersageleistung kann es mehrere Gründe geben. Wir werden zwei Gründe erörtern.
Im ersten Beispiel könnte es sein, dass die für die Analyse bereitgestellten Proben urheberrechtlich geschützt sind. Bestimmte Hersteller produzieren zum Beispiel einzigartige, patentierte Polyole. Diese urheberrechtlich geschützten Stoffe sind nicht in der Standardsammlung der Probenspektren in der Vorkalibrierung enthalten. Daher liefert die Vorkalibrierung keine akzeptablen Ergebnisse für solche geschützten Proben.
Ein weiteres Beispiel ist in Abbildung 5 dargestellt. Es ist zu erkennen, dass die Werte der primären Methode (blaue Datenpunkte) erheblich von den Werten abweichen, die mit dem Vorkalibrierungsmodell ermittelt wurden.
Dieses Beispiel stammt aus einem echten Kundenfall, den wir beobachtet haben. Zunächst waren wir bei der Überprüfung der Messergebnisse etwas verwundert, aber nach einem Gespräch mit unserem Kunden wurde der Grund klar. Er hatte sich entschieden, die Primärwerte (Hydroxylzahl) durch manuelle Titration zu messen und nicht, wie empfohlen, mit einem automatischen Titrator von Metrohm.
Der Grund für die unbefriedigende Leistung liegt also in der schlechten Genauigkeit der manuellen Titration der Kontrollproben und hat nichts mit der Qualität der Vorkalibrierung zu tun.
Weitere Informationen zur manuellen Titration finden Sie in unserem Blogbeitrag über die wichtigsten Fehlerquellen:
NIR-Spektroskopie-Vorkalibrierungen von Metrohm
Metrohm bietet eine Auswahl von Vorkalibrierungen für die verschiedensten Anwendungen an. Diese sind in Tabelle 2 zusammen mit den wichtigsten Parametern der Vorkalibrierung aufgeführt. Klicken Sie auf die Links, um weitere Informationen zu erhalten.
Tabelle 2. Übersicht der verfügbaren Vorkalibrierungen für die Software Metrohm Vision Air Software.
| Vorkalibrierung | Ausgewählte wichtige Parameter |
| Polyole | Hydroxylzahl (ASTM D6342) |
| Benzin | ROZ, MOZ, Antiklopfindex, Aromaten, Benzol, Olefine |
| Diesel | Cetanzahl, Dichte, Flammpunkt |
| Kerosin | Cetanzahl, Index, Dichte, Aromaten |
| Palmöl | Jodwert, freie Fettsäuren, Feuchtigkeit |
| Zellstoff und Papier | Kappa-Zahl, Dichte, Festigkeitsparameter |
| Polyethylen (PE) | Dichte, Grenzviskosität |
| Polypropylen (PP) | Schmelzflussrate |
| Polyethylenterephthalat (PET) | Grenzviskosität, Säurezahl und andere |
| Polyamid (PA 6) | Grenzviskosität, NH2 und COOH-Endgruppen |
| Cannabis | THC-, CBD- und CBG-Gehalt; Feuchtigkeit |
| Stuhlanalyse | Fett-, Kalorien- und Stickstoffgehalt; Feuchtigkeit |
Fazit
Vorkalibrierungen sind Vorhersagemodelle, die auf einer großen Anzahl von realen Produktspektren basieren. Sie ermöglichen es den Nutzern, den anfänglichen Teil der Modellentwicklung zu überspringen und das Gerät vom ersten Tag an zu nutzen, was sowohl Zeit als auch Geld spart.
