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Como implementar o NIRS no fluxo de trabalho do seu laboratório
Esta é a terceira parte da nossa série sobre espectroscopia NIR. Em nossas edições anteriores desta série, explicamos como funciona essa técnica analítica do ponto de vista de medição de amostra e delineou o diferença entre espectroscopia NIR e IR.
Aqui descrevemos como implementar um método NIR em seu laboratório, exemplificado por um caso real. Vamos começar fazendo algumas suposições:
- sua empresa produz material polimérico e o laboratório investiu em um analisador NIR para medições rápidas de umidade (como alternativa à titulação Karl Fischer) e medições rápidas de viscosidade intrínseca (como alternativa às medições com viscosímetro)
- seu novo Analisador NIRS DS2500 acaba de ser recebido em seu laboratório
O fluxo de trabalho é descrito em figura 1.
Passo 1: Crie um conjunto de calibração
A espectroscopia NIR é uma método secundário, o que significa que requer “treinamento” com um conjunto de espectros correspondentes a valores de parâmetros provenientes de um método primário (como titulação). No próximo exemplo de análise de umidade e viscosidade intrínseca, os valores das análises primárias são conhecidos. Essas amostras do conjunto de calibração devem cobrir toda a faixa de concentração esperada dos parâmetros testados para que o método seja robusto. Isto reflete outras técnicas (por exemplo, HPLC) onde a curva padrão de calibração precisa abranger toda a faixa de concentração esperada. Portanto, se você espera que o teor de umidade de uma substância esteja entre 0,35% e 1,5%, então o conjunto de treinamento/calibração também deve cobrir essa faixa.
Depois de medir as amostras no Analisador NIRS DS2500, você precisa vincular os valores obtidos nos métodos primários (titulação Karl Fischer e viscometria) nas mesmas amostras aos espectros NIR. Basta inserir os valores de umidade e viscosidade usando o Pacote de software completo Metrohm Vision Air (Figura 2). Posteriormente, este conjunto de dados (o conjunto de calibração) é usado para o desenvolvimento do modelo de previsão.
Passo 2: Criar e validar modelos de previsão
Agora que o conjunto de calibração foi medido em toda a faixa de valores esperados, um modelo de previsão deve ser criado. Não se preocupe – todos os procedimentos são totalmente desenvolvidos e implementados no Metrohm Vision Air Pacote de software completo.
Primeiro, inspecione visualmente os espectros para identificar regiões que mudam com concentrações variadas. Freqüentemente, a aplicação de um ajuste matemático (como a primeira ou segunda derivada) aumenta a visibilidade das diferenças espectrais (Figura 3).
Análise de dados univariada vs. multivariada
Uma vez identificado visualmente, o software tenta correlacionar essas regiões espectrais selecionadas com valores provenientes do método primário. O resultado é um diagrama de correlação, incluindo os respectivos valores de mérito, que são o Erro Padrão de Calibração (SEC, precisão) e o coeficiente de correlação (R2) mostrado no exemplo de umidade em Figura 4. O mesmo procedimento é realizado para os demais parâmetros (neste caso, viscosidade intrínseca).
Este processo é novamente semelhante aos procedimentos gerais de trabalho com HPLC. Ao criar uma curva de calibração com HPLC, normalmente a altura ou intensidade do pico (superfície) está associada a uma concentração de padrão interno conhecida. Aqui, apenas uma variável é usada (altura do pico ou superfície), portanto este procedimento é conhecido como «análise de dados univariada».
Por outro lado, a espectroscopia NIR é uma «análise multivariada de dados» tecnologia. O NIRS utiliza uma faixa espectral (por exemplo, 1900–2000 nm para água) e, portanto, vários valores de absorbância são usados para criar a correlação.
Quantos espectros são necessários?
O número ideal de espectros em um conjunto de calibração depende da variação da amostra (tamanho de partícula, distribuição química, etc.). Neste exemplo, utilizamos 10 amostras de polímeros, o que é um bom ponto de partida para verificar a viabilidade da aplicação. No entanto, para construir um modelo robusto que cubra todas as variações da amostra, são necessários mais espectros de amostra. Como regra, aproximadamente 40–50 espectros de amostras fornecerão um modelo de previsão adequado na maioria dos casos.
Este conjunto de dados, incluindo espectros de 40 a 50, também é usado para validar o modelo de previsão. Isto pode ser feito usando o Pacote de software Metrohm Vision Air Complete, que divide o conjunto de dados em dois grupos de amostras:
- Conjunto de calibração 75%
- Validação definida 25%
Como antes, um modelo de previsão é criado usando o conjunto de calibração, mas as previsões agora serão validadas usando o conjunto de validação. Os resultados para estas amostras de polímero são mostrados acima em Figura 4.
Usuários inexperientes na criação de modelos NIR e que ainda não se sentem confiantes podem contar com o suporte da Metrohm, que é conhecido por seu serviço de alta qualidade. Eles irão ajudá-lo na criação e validação do modelo de previsão.
Passo 3: Análise de Rotina
A beleza da técnica NIRS ganha destaque agora que o modelo de previsão foi criado e validado.
Amostras de polímeros com teor de umidade desconhecido e viscosidade intrínseca desconhecida agora podem ser analisadas pressionando um botão. O analisador NIRS DS2500 exibirá resultados para esses parâmetros em menos de um minuto. Normalmente, o espectro em si não é mostrado durante esta etapa – apenas o resultado – às vezes destacado por uma caixa amarela ou vermelha para indicar resultados com um aviso ou erro, conforme mostrado em Figura 5.
Possibilidades de exibição
É claro que também existe a opção de exibir os espectros, mas para a maioria dos usuários (especialmente para trabalhadores em turnos), esses espectros não têm significado e não podem derivar nenhuma informação deles. Nessas situações, apenas os valores numéricos são importantes, juntamente com uma indicação clara de aprovação/reprovação.
Outra possibilidade de visualização é o gráfico de tendências, que permite o ajuste proativo dos processos produtivos. Os limites de aviso e ação também são destacados aqui (Figura 6).
Resumo
A maior parte do esforço necessário para implementar o NIRS no laboratório ocorre no início do fluxo de trabalho, durante a coleta e medição de amostras que abrangem toda a faixa de concentração. A criação e validação do modelo de predição, bem como a implementação na análise de rotina, é feita com o auxílio do Pacote de software completo Metrohm Vision Air e pode ser concluído em um curto período. Além disso, nossos especialistas Metrohm NIRS terão prazer em apoiá-lo na criação do modelo de previsão se você precisar de assistência.
Neste ponto, observe que há casos em que a espectroscopia NIR pode ser implementada diretamente sem qualquer desenvolvimento de modelo de previsão, utilizando pré-calibrações Metrohm. Estes são robustos, procedimentos operacionais prontos para uso para certas aplicações (por exemplo, viscosidade do PET) com base em espectros de produtos reais.
Apresentaremos e discutiremos suas características e vantagens na próxima edição. Clique aqui para ir diretamente para a postagem final da série!
Suas conclusões de conhecimento
Saiba mais sobre aplicações NIR selecionadas na indústria de polímeros.
