Estandarización de los intervalos de medición del fondo de referencia en espectroscopía de procesos

Por qué importa la medida de referencia

Un analizador de infrarrojo cercano en un proceso químico o farmacéutico no mide la absorbancia directamente. Registra un espectro de intensidad bruta que contiene el perfil de emisión de la fuente, la transmisión de la óptica y la respuesta del detector, y la reflectancia o la transmitancia se obtienen dividiendo ese espectro por una medida de referencia. Una calibración multivariante construida sobre tales espectros supone que la parte instrumental de la señal se mantiene igual de un día a otro. Workman señala que sigue siendo difícil obtener resultados idénticos a lo largo del tiempo con la misma calibración, y cita la reproducibilidad y la repetibilidad del instrumento y la presentación de la muestra entre los factores implicados [1]. Wise y Roginski describen el mantenimiento de los modelos de calibración como necesario precisamente porque la matriz de la muestra o la respuesta del instrumento cambian con el tiempo [2].

Materiales de referencia: qué se mide como «fondo»

Para la reflectancia difusa, la referencia habitual es un material blanco muy reflectante y casi lambertiano. El polvo prensado de politetrafluoroetileno (PTFE) fue caracterizado en el National Bureau of Standards de EE. UU. como patrón de reflectancia difusa, con una reflectancia absoluta informada de 200 a 2500 nm, y el mismo trabajo mostró que su reflectancia depende de la densidad de preparación y del espesor y que los contaminantes pueden causar fluorescencia [3]. Los materiales de PTFE sinterizado como el Spectralon se utilizan mucho con el mismo fin; Stiegman et al. hallaron en el Spectralon comercial una impureza intrínseca de hidrocarburos que degradaba la reflectancia bajo exposición UV y que podía eliminarse mediante horneado al vacío [4]. Por tanto, la referencia es en sí misma un componente óptico cuya limpieza y estado deben controlarse. Una referencia de longitud de onda es otra cuestión: el NIST SRM 2036 es un vidrio de óxidos de tierras raras en contacto con PTFE sinterizado, certificado para las posiciones de siete bandas entre 975 nm y 1946 nm, y está destinado a verificar la escala de longitudes de onda de los espectrómetros NIR en modo de reflectancia difusa o de transflectancia [5].

Fuentes de deriva

La deriva tiene causas del lado del instrumento y del lado del proceso, y una medida de referencia corrige solo una parte de ellas:

• Respuesta del instrumento. El capítulo de Workman sobre el rendimiento instrumental trata la deriva a corto, medio y largo plazo, la exactitud y la precisión de la longitud de onda, la exactitud fotométrica, la linealidad y el ruido como magnitudes distintas que deben comprobarse [6]. Un nuevo cociente de referencia compensa los cambios de intensidad de la fuente y de respuesta del detector comunes a la muestra y a la referencia, pero no un desplazamiento del eje de longitudes de onda, que requiere un patrón de longitud de onda [5][6].
• Temperatura. La temperatura cambia la forma de los espectros vibracionales de manera no lineal; Wülfert et al. mostraron, con espectros NIR de onda corta de mezclas de etanol/agua/2-propanol, que esto degrada la capacidad predictiva de los modelos PLS locales, mientras que los modelos globales que incluyen la variación de temperatura son más robustos a costa de cierta sensibilidad [7]. Hageman et al. revisan los métodos para construir calibraciones robustas frente a la temperatura [8]. Se trata de un efecto de la muestra y no se elimina repitiendo la referencia.
• Interfaz con el proceso. Los depósitos en la ventana de la sonda forman parte del camino óptico en las instalaciones en línea. En un estudio en línea de secado en lecho fluidizado, Bogomolov et al. observaron que el ensuciamiento de la sonda solo tenía un efecto menor en la exactitud de la predicción de humedad, limpiándose y recalibrándose la sonda periódicamente sin interrumpir el proceso [9]; la magnitud del efecto depende de la aplicación y debe comprobarse en lugar de suponerse.

Pruebas de rendimiento del instrumento

ASTM E1866 ofrece los procedimientos básicos para diseñar pruebas de rendimiento de espectrofotómetros en el UV, el visible, el NIR y el IR medio, incluidas pruebas univariantes de Level Zero y Level One y pruebas multivariantes de Level A y Level B para comprobaciones rutinarias rápidas; también se aplica a los espectrofotómetros de proceso en línea [10]. Estas pruebas señalan un mal funcionamiento o un cambio en la operación, pero no lo diagnostican ni lo cuantifican, y no están pensadas para comparar instrumentos de distintos fabricantes [10]. ASTM E1944 define pruebas de Level Zero y Level One para espectrómetros FT-NIR de laboratorio, que permiten a un analista comparar el rendimiento de un instrumento en un día dado con su rendimiento anterior utilizando una muestra de control compatible; explícitamente no está destinada a analizadores FT-NIR de proceso dedicados [11]. Las comprobaciones de la escala de longitudes de onda se basan en patrones certificados como el SRM 2036 [5], y las pruebas fotométricas y de ruido y sus patrones se describen en la literatura de manuales de NIR [6].

Con qué frecuencia repetir la referencia y cómo se detecta la deriva

Ninguna de las fuentes anteriores prescribe un intervalo universal para repetir la referencia; la frecuencia depende de la rapidez con que cambian el instrumento y su entorno y de lo que muestran las pruebas de rendimiento. ASTM D6122-25, que abarca los analizadores de infrarrojo y Raman en línea, at-line y de laboratorio que utilizan modelos multivariantes, exige que se verifique el rendimiento del instrumento, que cada espectro se compruebe frente al espacio de calibración mediante detección de atípicos y que los resultados concuerden con el método de ensayo primario dentro de límites definidos por el usuario [12]. Señala que las pruebas de rendimiento del instrumento pueden mostrar si los métodos de detección de atípicos responden a cambios en la respuesta del instrumento [12]. En el uso rutinario, esto proporciona tres señales complementarias: una tendencia en los resultados de las pruebas de rendimiento, un aumento de los estadísticos de atípicos espectrales y una diferencia creciente respecto a los valores de referencia del laboratorio. Wise y Roginski proponen una hoja de ruta para decidir, a partir de estas evidencias, cuándo se necesita mantenimiento y si la causa está en el instrumento o en las muestras [2]; si ha cambiado la propia respuesta del instrumento, se aplican métodos de estandarización y de transferencia de calibración [1].

Cómo lo aborda USTECH

El analizador FT-NIR de proceso USTECH ProLine2550 combina un control de temperatura integrado con una calibración automática frente a una referencia interna de longitud de onda y se suministra con una placa de calibración de referencia; el ProLine17EC supervisa el estado de la fuente y la integridad de la ventana óptica; y el analizador at-line MasterLine17EC utiliza un patrón de referencia de Spectralon. Las comprobaciones de rendimiento del tipo descrito en ASTM E1866 y D6122 [10][12] pueden combinarse con el seguimiento de atípicos en el modelo de proceso. Qué programa de referencias y qué comprobaciones necesita una instalación concreta se establece en un estudio de viabilidad con sus propias muestras y condiciones de proceso.