Near-Infrared Spectroscopy: Quantitative analysis according to ASTM E1655

Význam tématu

Near-infrared spektroskopie (NIRS) nabízí rychlou, nedestruktivní a nechemickou analýzu množství parametrů v růz­ných průmyslových odvětvích. Díky možnosti měření offline, at-line i online přináší významné časové a nákladové úspory, podporuje kontrolu kvality surovin i hotových produktů a usnadňuje monitorování výrobního procesu v reálném čase.

Cíle a přehled studie / článku

Bílý papír shrnuje postup vývoje kvantitativních NIR metod podle doporučení ASTM E1655. Cílem je poskytnout přehled klíčových kroků od výběru vzorků, přes akvizici dat až po validaci a rutinní použití, aby bylo možné vyvinout spolehlivé multivaria­tní kalibrace.

Použitá instrumentace

Pro komplexní NIR aplikace se doporučují stabilní skenovací přístroje, např. disperzní analyzátory Metrohm. Přístroje umožňují měření ve vysoce stabilní teplotě, v transmisním režimu pro kapaliny a v difuzním odrazu pro pevné vzorky. Výkon přístroje je nutné pravidelně ověřovat podle norem ASTM E275, USP <1119> nebo Evropské farmakopeje.

Použitá metodika

Vývoj kalibrace probíhá v několika krocích:

• Výběr kalibračních vzorků – zahrnutí reprezentativní variability (chemická složení, fyzikální vlastnosti, původ).
• Akvizice spektrálních dat – jednotné nastavení parametrů, režimy měření podle typu vzorku.
• Přede­zpracování spekter – odstranění pozadí, normalizace, derivace pro zvýšení přesnosti.
• Modelování – používá se PLS1 regresní analýza pro každý analy­t zvlášť, výběr optimálního počtu latentních proměnných dle minima standardní chyby křížové validace.
• Detekce odlehlých vzorků – kontrola leverage a reziduí pro identifikaci spektrálních a referenčních odlehlých hodnot.
• Validace – nezávislý validační soubor, rozptyl 95 % rozsahu kalibrace, stanovení SEP a biasu, testy významnosti.
• Rutinní provoz a kontrola kvality – pravidelné měření QC vzorků podle ASTM D6122, případná korekce sklonu a posunu modelu.

Hlavní výsledky a diskuse

White paper stanovuje konkrétní doporučené počty vzorků (min. 24 vzorků pro až tři faktory, 6×(faktor+1) pro složitější metody), vhodné spektrální oblasti a postupy pro minimalizaci rizika přeškolení modelu. Zdůrazňuje význam opakovaného testování a úpravy modelu na základě nových dat z rutiny.

Přínosy a praktické využití metody

• Rychlé a neinvazivní stanovování více parametrů současně.
• Široké spektrum aplikací od biopaliv, polymerů až po farmaceutické suroviny.
• Možnost integrace do výrobních linek pro on-line monitoring.
• Snížení nákladů a zrychlení rozhodovacích procesů v laboratoři i produkci.

Budoucí trendy a možnosti využití

Integrace s moderními chemometrickými nástroji, strojovým učením a IoT platformami umožní kontinuální adaptaci modelů v reálném čase. Miniaturizace NIR detektorů a vyšší dostupnost cloudových řešení otevřou cestu k decentralizované analýze i v terénu.

Závěr

Pro úspěšné nasazení kvantitativních NIR metod je nezbytné řídit se strukturovaným workflow dle ASTM E1655. Dodržení předepsaných kroků zaručuje robustní, přesné a reprodukovatelné výsledky vhodné pro široké spektrum analytických úloh.

Reference

1. Encyclopedia of Analytical Chemistry, John Wiley and Sons, 2014.
2. D.A. Burns, E.W. Ciurczak, Handbook of Near-Infrared Analysis, CRC Press, 2007.
3. ASTM E1655-05(2012), Standard Practices for Infrared Multivariate Quantitative Analysis, ASTM International, 2012.
4. R. Wilhelm, Know your type of standards, ASTM, 2000.
5. ASTM D6342-12(2017)e1, Standard Practice for Polyurethane Raw Materials, ASTM International, 2017.
6. ASTM D2699-16e1, Standard Test Method for Research Octane Number of Spark-Ignition Engine Fuel, ASTM International, 2016.
7. ASTM E275-08(2013), Standard Practice for Describing and Measuring Performance of UV-Vis Spectrophotometers, ASTM International, 2013.
8. United States Pharmacopeia 39, 2016.
9. European Pharmacopoeia 9th Edition, 2016.
10. ASTM D6122-15, Standard Practice for Validation of Infrared Spectrophotometer Based Analyzer Systems, ASTM International, 2015.