Kalibriertransfer zwischen NIR-Spektrometern: Methoden und Machbarkeit

Warum der Kalibriertransfer ein Problem ist

Eine multivariate Kalibrierung für einen Prozess-NIR-Analysator in der chemischen und pharmazeutischen Industrie oder im Lebensmittel- und Futtermittelbereich ist eine große Investition in Proben, Referenzanalysen und Modellbildung; naheliegend ist daher der Wunsch, das Modell einmal zu erstellen und auf jedem Gerät zu nutzen. Workman definiert den Kalibriertransfer als die chemometrischen Techniken, mit denen eine Spektrendatenbank und das darauf aufgebaute Modell auf zwei oder mehr Geräte angewendet werden, wobei Richtigkeit und Präzision statistisch erhalten bleiben, und stellt fest, dass identische Ergebnisse mehrerer Geräte mit einer einzigen Kalibrierung für die Technik nach wie vor unerreicht sind [1]. Selbst zwischen nominell baugleichen Geräten ist der Transfer nicht trivial, da zwischen den Einheiten Wellenlängenverschiebungen und Unterschiede im Absorbanzverhalten auftreten [2]; ein auf einem Spektrometer entwickeltes Modell lässt sich daher oft nicht direkt auf Spektren anwenden, die an einem anderen gemessen wurden [3]. Die Transferunsicherheit hat mehrere Bestandteile: Reproduzierbarkeit und Wiederholbarkeit des Geräts, die Referenzwerte, die multivariate Mathematik und die Wiederholbarkeit der Probenpräsentation [1].

Drei Verfahrensfamilien

Fearn ordnet die Ansätze drei Rubriken zu: robuste Kalibrierungen erstellen, Kalibrierungen anpassen und Spektren anpassen [2]. Übertragbarer werden Kalibrierungen durch spektrale Vorbehandlungen, die die Variabilität zwischen Geräten verringern, und durch das Zusammenführen von Daten mehrerer Geräte; angepasst werden können sie mit Slope- und Bias-Korrekturen, die aus einer überschaubaren Zahl von Proben mit bekannten Referenzwerten geschätzt werden; unter die dritte Rubrik fallen Verfahren wie die stückweise direkte Standardisierung und das patentierte Verfahren von Shenk und Westerhaus, die Spektren von auf beiden Geräten gemessenen Proben nutzen, um das Ansprechverhalten des Sekundärgeräts an das Mastergerät anzugleichen [2].

Die Idee ist älter als die chemometrischen Bezeichnungen. 1985 übertrugen Shenk, Westerhaus und Templeton Kalibriergleichungen mit 60 versiegelten Proben von einem scannenden Master-Monochromator auf sechs weitere Geräte; die Standardfehler der Differenz zwischen den Geräten waren für Futterinhaltsstoffe kleiner als jene zwischen Laboratorien bei den chemischen Analysen, und ein zufriedenstellender Transfer gelang bereits mit nur 10 Proben [4]. Ihr Verfahren von 1991 für Monochromatoren desselben Modells richtete die Wellenlängenskala mit einem Polystyrolstandard aus und glich die Basislinien mit einer versiegelten Konzentratprobe ab; eine Wiederholbarkeitsdatei mit Spektren verschiedener Geräte und Temperaturen, ergänzt um eine modifizierte PLS-Regression, verringerte den Fehler zwischen den Geräten bei Testproben, die zwischen 19 und 29,5 °C gemessen wurden [5]. Wang, Veltkamp und Kowalski beschrieben die direkte Standardisierung (DS) und die stückweise direkte Standardisierung (PDS): Ein auf beiden Geräten gemessener Transfersatz liefert eine Transformation, die Sekundärspektren auf das Ansprechverhalten des Mastergeräts abbildet, wobei PDS jeweils ein kleines Fenster benachbarter Wellenlängen verwendet [6].

Was Gerätevergleiche zeigen

Welches Verfahren am besten ist, hängt von Geräten und Anwendung ab. Igne und Hurburgh verglichen DS, PDS, robuste Standardisierung, Slope-und-Bias- oder reine Bias-Korrektur der Vorhersagen sowie alleinige Vorbehandlung für Modelle an ganzen Sojabohnen zwischen zwei Foss-Infratec- und zwei Bruins-OmegAnalyzerG-Geräten: Die Modelle waren innerhalb einer Marke und markenübergreifend übertragbar, mit einer Präzision, die der einer Einzelkalibrierung entsprach oder sie übertraf; die optischen Verfahren, die Sekundärspektren verändern, schnitten signifikant schlechter ab als die übrigen, und eine Vorverarbeitung mit oder ohne einfache Korrektur der Vorhersagen genügte, um Absorbanzunterschiede und Wellenlängenverschiebungen zu beseitigen [7]. Greensill et al. übertrugen ein Modell für lösliche Trockensubstanz zwischen vier Diodenarray-Spektrometern desselben Modells und stellten fest, dass eine modifizierte Wavelet-Transformation signifikant besser abschnitt als sechs andere Standardisierungstechniken und gleichauf mit einer Modellaktualisierung lag [8]. Hoffmann et al. nutzten PDS mit nur wenigen auf beiden Spektrometertypen gemessenen Proben, um Datensätze von zwei FT-NIR-Laborspektrometern trotz großer Unterschiede in Spektralbereich und Auflösung in das Format eines miniaturisierten Handgeräts zu übertragen [9].

Für Kompakt- und Inline-Spektrometer ergeben sich daraus zwei Schlüsse. Vier Einheiten desselben Diodenarray-Modells mussten dennoch standardisiert werden, bevor ein Modell gemeinsam genutzt werden konnte [8]; gleiche Bauart allein macht ein Modell also nicht übertragbar. Wo die Unterschiede zwischen den Einheiten klein sind, können die leichteren Wege — Vorbehandlung, zusammengeführte Kalibrierdaten und Slope-und-Bias-Korrektur [2][7] — genügen; das muss jedoch für jede Gerätefamilie durch Messung nachgewiesen und darf nicht aus der optischen Architektur abgeleitet werden.

Transfer ohne Standardproben

Standardbasierte Verfahren erfordern dieselben physischen Proben, gemessen auf beiden Geräten; das ist schwierig, wenn die Geräte weit voneinander entfernt stehen oder chemisch stabile Standards nicht verfügbar sind [10]. Mishra et al. geben einen Überblick über neuere Techniken einschließlich standardfreier Konzepte und kommen zu dem Schluss, dass Ansätze ohne Messung von Standardproben vielversprechend sind, um Modelle zwischen ähnlichen Geräten gemeinsam nutzbar zu machen [10]. Ein Beispiel ist die domäneninvariante PLS, die einen Regularisierungsterm ergänzt, der die Verteilungen von Quell- und Zieldaten im Raum der latenten Variablen angleicht, und teilweise gelabelte oder ungelabelte Zieldaten nutzen kann; Nikzad-Langerodi et al. demonstrierten sie an zwei NIR-Datensätzen [11].

Machbarkeit für eine Gerätefamilie beurteilen

Da das Ergebnis von Geräten, Produkt und Verfahren abhängt, ist die Transfermachbarkeit eine gemessene Eigenschaft und keine Spezifikation. In den genannten Studien kehren drei Schritte wieder:

• Zuerst die Geräte prüfen. Wellenlängenverschiebungen und Unterschiede im Absorbanzverhalten sind die Wurzel des Problems [2]. ASTM E1866 beschreibt Vorgehensweisen zur Entwicklung von Leistungstests für Spektralphotometer, auch für Online-Prozessspektralphotometer, mit univariaten Tests der Stufen null und eins sowie multivariaten Tests der Stufen A und B [12].
• Transferwege an realen Daten vergleichen. Einen Transfersatz auf beiden Geräten messen und alleinige Vorbehandlung, Slope-und-Bias-Korrektur und eine spektrale Standardisierung wie PDS vergleichen [7][8]; sind mehrere Einheiten vorhanden, ist das Zusammenführen ihrer Spektren im Kalibriersatz oder in einer Wiederholbarkeitsdatei eine Alternative zur Korrektur jeder einzelnen [2][5].
• Das übertragene Modell wie ein neues Modell validieren. ASTM E1655 legt Praktiken für die multivariate quantitative Infrarot- und Nahinfrarotanalyse sowie Kriterien für die Validierung der Kalibrierleistung fest, unter der Voraussetzung, dass das Spektrometer innerhalb der Herstellerspezifikationen arbeitet [13]; das übertragene Modell wird auf dem Sekundärgerät mit referenzanalysierten Proben validiert, weil Referenzwerte und Probenpräsentation ebenso viel zur Unsicherheit beitragen wie die Optik [1].

Wie USTECH den Kalibriertransfer angeht

USTECH-Kalibrierungen werden in der Chemometrie-Suite caliX entwickelt und laufen auf dem Inline-FT-NIR-Analysator ProLine2550, den Inline-NIR-Analysatoren ProLine17EC und ProLine17ECS sowie dem At-line-Analysator MasterLine17EC. Soll ein auf einer Einheit erstelltes Modell auf einer anderen eingesetzt werden, behandelt USTECH dies als Transferprojekt: Die Leistung des Sekundärgeräts wird geprüft [12], ein Transfersatz wird auf beiden Einheiten gemessen, leichtere und aufwendigere Wege werden verglichen [2][7], und das übertragene Modell wird auf der Sekundäreinheit gegen Referenzwerte validiert [13]. Welchen Weg ein bestimmtes Modell benötigt, wird in einer Machbarkeitsstudie mit Ihren eigenen Proben ermittelt.