Standardisierung der Referenzhintergrund-Messintervalle in der Prozessspektroskopie

Warum die Referenzmessung wichtig ist

Ein Nahinfrarot-Analysator in einem chemischen oder pharmazeutischen Prozess misst die Absorbanz nicht direkt. Er zeichnet ein Rohintensitätsspektrum auf, das das Emissionsprofil der Quelle, die Transmission der Optik und das Ansprechverhalten des Detektors enthält, und Reflexion oder Transmission ergeben sich, indem dieses Spektrum ins Verhältnis zu einer Referenzmessung gesetzt wird. Eine auf solchen Spektren aufgebaute multivariate Kalibrierung setzt voraus, dass der gerätebedingte Anteil des Signals von Tag zu Tag gleich bleibt. Workman stellt fest, dass es nach wie vor schwierig ist, mit derselben Kalibrierung über die Zeit identische Ergebnisse zu erhalten, und nennt Vergleichbarkeit und Wiederholbarkeit des Geräts sowie die Probenpräsentation unter den beteiligten Faktoren [1]. Wise und Roginski beschreiben die Pflege von Kalibriermodellen gerade deshalb als notwendig, weil sich die Probenmatrix oder das Ansprechverhalten des Geräts im Laufe der Zeit ändert [2].

Referenzmaterialien: was als „Hintergrund“ gemessen wird

Für die diffuse Reflexion ist die übliche Referenz ein stark reflektierendes, nahezu Lambert’sches weißes Material. Gepresstes Polytetrafluorethylen-Pulver (PTFE) wurde am US National Bureau of Standards als Standard für diffuse Reflexion charakterisiert, mit Angaben zur absoluten Reflexion von 200 bis 2500 nm; dieselbe Arbeit zeigte, dass seine Reflexion von Pressdichte und Schichtdicke abhängt und dass Verunreinigungen Fluoreszenz verursachen können [3]. Gesinterte PTFE-Materialien wie Spectralon werden für denselben Zweck breit eingesetzt; Stiegman et al. fanden in handelsüblichem Spectralon eine intrinsische Kohlenwasserstoffverunreinigung, die unter UV-Bestrahlung zu einer Verschlechterung der Reflexion führte und sich durch Ausheizen im Vakuum entfernen ließ [4]. Die Referenz ist daher selbst eine optische Komponente, deren Sauberkeit und Zustand kontrolliert werden müssen. Eine Wellenlängenreferenz ist eine andere Sache: NIST SRM 2036 ist ein Seltenerdoxidglas in Kontakt mit gesintertem PTFE, zertifiziert für die Lage von sieben Banden zwischen 975 nm und 1946 nm, und dient der Überprüfung der Wellenlängenskala von NIR-Spektrometern im Modus der diffusen Reflexion oder Transflexion [5].

Ursachen der Drift

Drift hat geräteseitige und prozessseitige Ursachen, und eine Referenzmessung korrigiert nur einen Teil davon:

• Ansprechverhalten des Geräts. Workmans Kapitel zur Geräteleistung behandelt kurz-, mittel- und langfristige Drift, Wellenlängenrichtigkeit und -präzision, photometrische Richtigkeit, Linearität und Rauschen als getrennt zu prüfende Größen [6]. Ein frisches Referenzverhältnis gleicht Änderungen von Quellenintensität und Detektorempfindlichkeit aus, die Probe und Referenz gemeinsam betreffen, nicht aber eine Verschiebung der Wellenlängenachse, für die ein Wellenlängenstandard nötig ist [5][6].
• Temperatur. Die Temperatur verändert die Form von Schwingungsspektren nichtlinear; Wülfert et al. zeigten an kurzwelligen NIR-Spektren von Ethanol/Wasser/2-Propanol-Gemischen, dass dies die Vorhersagefähigkeit lokaler PLS-Modelle verschlechtert, während globale Modelle, die Temperaturschwankungen einbeziehen, robuster sind, wenn auch auf Kosten der Empfindlichkeit [7]. Hageman et al. geben einen Überblick über Verfahren zur Erstellung temperaturrobuster Kalibrierungen [8]. Dies ist ein Probeneffekt und wird durch eine erneute Referenzierung nicht beseitigt.
• Prozessschnittstelle. Ablagerungen auf dem Sondenfenster sind bei Inline-Installationen Teil des optischen Wegs. In einer Inline-Studie zur Wirbelschichttrocknung fanden Bogomolov et al., dass die Verschmutzung der Sonde nur einen geringen Einfluss auf die Richtigkeit der Feuchtevorhersage hatte, wobei die Sonde regelmäßig gereinigt und ohne Prozessunterbrechung neu kalibriert wurde [9]; die Größe des Effekts ist anwendungsspezifisch und sollte geprüft statt vorausgesetzt werden.

Geräteleistungstests

ASTM E1866 enthält die grundlegenden Verfahren zur Gestaltung von Leistungstests für Spektrophotometer im UV-, sichtbaren, NIR- und MIR-Bereich, einschließlich univariater Tests der Level Zero und Level One sowie multivariater Tests der Level A und Level B für schnelle Routineprüfungen; sie gilt auch für Online-Prozessspektrophotometer [10]. Solche Tests zeigen eine Fehlfunktion oder eine Betriebsänderung an, diagnostizieren oder quantifizieren sie jedoch nicht und sind nicht für den Vergleich von Geräten verschiedener Hersteller gedacht [10]. ASTM E1944 definiert Tests der Level Zero und Level One für Labor-FT-NIR-Spektrometer, mit denen ein Analytiker die Leistung eines Geräts an einem bestimmten Tag anhand einer kompatiblen Prüfprobe mit seiner früheren Leistung vergleichen kann; sie ist ausdrücklich nicht für dedizierte Prozess-FT-NIR-Analysatoren bestimmt [11]. Prüfungen der Wellenlängenskala stützen sich auf zertifizierte Standards wie SRM 2036 [5], und die photometrischen und Rauschtests sowie ihre Standards sind in der NIR-Handbuchliteratur beschrieben [6].

Wie oft neu referenziert wird und wie Drift erkannt wird

Keine der genannten Quellen schreibt ein universelles Intervall für die Neureferenzierung vor; die Häufigkeit ergibt sich daraus, wie schnell sich Gerät und Umgebung verändern und was die Leistungstests zeigen. ASTM D6122-25, die Online-, At-line- und Labor-Infrarot- und Raman-Analysatoren mit multivariaten Modellen abdeckt, verlangt, dass die Geräteleistung verifiziert, jedes Spektrum per Ausreißererkennung gegen den Kalibrierraum geprüft wird und die Ergebnisse innerhalb benutzerdefinierter Grenzen mit der primären Prüfmethode übereinstimmen [12]. Sie merkt an, dass Geräteleistungstests zeigen können, ob die Ausreißerverfahren auf Änderungen des Ansprechverhaltens des Geräts reagieren [12]. Im Routinebetrieb ergeben sich daraus drei einander ergänzende Signale: ein Trend in den Ergebnissen der Leistungstests, ein Anstieg der spektralen Ausreißerstatistiken und eine wachsende Abweichung von den Laborreferenzwerten. Wise und Roginski schlagen einen Fahrplan vor, um anhand solcher Befunde zu entscheiden, wann eine Pflege nötig ist und ob die Ursache beim Gerät oder bei den Proben liegt [2]; hat sich das Ansprechverhalten des Geräts selbst verändert, kommen Standardisierungs- und Kalibriertransferverfahren zum Einsatz [1].

Wie USTECH vorgeht

Der Prozess-FT-NIR-Analysator USTECH ProLine2550 verbindet eine integrierte Temperaturregelung mit automatischer Kalibrierung gegen eine interne Wellenlängenreferenz und wird mit einer Referenz-Kalibrierkachel geliefert; der ProLine17EC überwacht den Zustand der Lichtquelle und die Unversehrtheit des optischen Fensters; und der At-line-Analysator MasterLine17EC verwendet einen Spectralon-Referenzstandard. Leistungsprüfungen der in ASTM E1866 und D6122 beschriebenen Art [10][12] lassen sich mit einer Ausreißerüberwachung im Prozessmodell kombinieren. Welchen Referenzierungsplan und welche Prüfungen eine bestimmte Installation braucht, wird in einer Machbarkeitsstudie mit Ihren eigenen Proben und Prozessbedingungen ermittelt.